一種新型51內核單片機MSC1210及其應用

實(shí)際應用系統往往需要進(jìn)行高精度的測量，同時(shí)還必須進(jìn)行實(shí)時(shí)快速控制，提高其開(kāi)發(fā)效率。為此人們常采用高精度A/D芯片加帶ISP開(kāi)發(fā)功能的單片機系統來(lái)實(shí)現。德州儀器（TI）的MSC1210單片機解決了上述問(wèn)題。它集成了一個(gè)增強型8051內核、高達33 MHz的時(shí)鐘周期、8路24位高精度∑-△A/D轉換器、Flash存儲器等，其系統功能和結構框圖如圖1所示。

　　MSC1210具有以下主要特性：

　　◇ 3個(gè)16位的定時(shí)器，16位PWM波輸出；

　　◇ 多達21個(gè)中斷源；

　　◇ 32個(gè)數字輸入/輸出端口，帶有看門(mén)狗；

　　◇ 8路ADC提供24位分辨率可編程的無(wú)丟失碼解決方案;

　　◇ 可編程增益放大（PGA）在1～128之間可調，極大提高了ADC精度；

　　◇ 供電電源2.7~5.25 V，在3 V時(shí)功耗低于4 mW，停止方式電流小于1μA；

　　◇ 內核兼容8051，指令與8051完全兼容，可以使用原有8051開(kāi)發(fā)系統；

　　◇ 時(shí)鐘頻率可達33 MHz，單周期指令執行速度達8 MIPS，執行速度比標準8051快3倍；

　　◇ 高達32 KB的Flash存儲器，SRAM達1.2 KB，外部可擴展至64 KB存儲器；

　　◇ Flash在電壓低達2.7 V時(shí)仍可串行或并行編程，可10萬(wàn)次擦除/寫(xiě)操作；

　　◇ 具有32位累加器；

　　◇ 有電源管理功能，能夠進(jìn)行低電壓檢測，在片上電復位；

　　◇ 帶FIFO的SPI端口，雙UART；

　　◇ 64TQFP封裝，MSC1210系列的硬件和引腳完全兼容，必要時(shí)可以互換。


1 內核兼容8051但速度更快功能更強

　　MSC1210系列的所有指令功能與標準8051相同，對位、標志和寄存器的影響相同，但時(shí)序不同。MSC120單片機使用精簡(jiǎn)的8051內核，在同樣的外部時(shí)鐘作用下，其執行速度比標準8051快1.5~3倍(每條指令有4個(gè)時(shí)鐘周期與12個(gè)時(shí)鐘周期的區別)。在同樣的指令和時(shí)鐘下，速度提高到2.5倍以上。因此，一個(gè)時(shí)鐘為33 MHz的MSC1210執行速度與一個(gè)時(shí)鐘為82.5 MHz的標準8051相同，其區別可以從圖2看出；而且MSC1210的定時(shí)器和計數器可以選擇每12個(gè)或4個(gè)時(shí)鐘周期計數一次。

　　MSC1210提供了雙數據指針(DPTR)加速數據塊的移動(dòng)速度，它能根據外部存儲器的速度調節讀寫(xiě)速度，在2～9個(gè)指令周期之間變化；它還提供給外部存儲器16位地址總線(xiàn)(P0和P2)。低位地址通過(guò)P0口復用得到，硬件可以控制P0和P2口是作為地址線(xiàn)還是作為通用的I/O。

　　為了更好地提高效率，外圍設備也在8051基礎上作了改進(jìn)。如SPI端口就增加了FIFO，使得傳輸數據有了緩沖區間。32位累加器的使用在處理ADC采樣或其它數據源來(lái)的多字節數據時(shí)將大大減輕CPU的負擔，使得24位加法和移位可以在幾個(gè)指令周期內完成，而無(wú)需通過(guò)軟件用數百個(gè)指令周期來(lái)完成。

　　MSC1210系列的硬件和引腳完全兼容，對用戶(hù)而言，唯一的區別在于內存配置不同。MSC1210Y2上編寫(xiě)的程序代碼可以直接在MSC1210Y3、MSC1210Y4、MSC1210Y5上執行。用戶(hù)可以在軟件功能上增減并配以不同的CPU型號，MSC1210已成為一個(gè)擁有幾個(gè)不同應用平臺的標準設備。

MSC1210的開(kāi)發(fā)工具與8051的開(kāi)發(fā)系統完全兼容，用戶(hù)可以使用原有的8051開(kāi)發(fā)系統，也可以使用DEMO板帶的開(kāi)發(fā)系統或者第三方支持者提供的開(kāi)發(fā)工具。

2 24位高分辨率ADC通道

　?。?）ADC的輸入多路復用器及輸入緩沖

輸入多路復用器允許不同輸入信號通過(guò)選擇輸入通道進(jìn)行組合，如AIN0被選為ADC輸入正端，其它任何通道可以選為ADC輸入負端。用這種方式可以組成8個(gè)完整的ADC輸入通道，也可以在差分輸入通道間切換極性。片上的二極管可以提供溫度測量，當輸入多路復用器的寄存器置為全“1”時(shí)，二極管被接入ADC通道的輸入端開(kāi)始測量溫度。

　　MSC1210在沒(méi)有緩沖區時(shí)輸入電阻為5M/PGA，緩沖區由ADC控制寄存器中的BUF位控制。當沒(méi)有選擇輸入緩沖區時(shí)，模擬輸入阻抗與時(shí)鐘頻率(ACLK)和增益(PGA)有關(guān)。

　　　其模擬輸入通道的等效結構如圖3所示。

　?。?）可編程增益放大器PGA

　?、?PGA：可編程增益放大PGA可以設為1、2、4、8、16、32、64、128，使用PGA確實(shí)能提高ADC的分辨率。當PGA=1，量程范圍為5 V時(shí)，ADC能分辨到1μV；當PGA=128，量程范圍為40 mV時(shí)，ADC能分辨到75 nV；而在PGA=1時(shí)，在5 V量程范圍內需要一個(gè)26位的ADC才能分辨到76 nV。

　?、?PGA偏移DAC：ODAC寄存器是8位，它能將輸入到PGA的模擬信號偏移PGA滿(mǎn)量程的一半，其最高位為符號位，低7位提供偏移量。由于ODAC給PGA引入的是模擬量而不是數字量偏移，所以并不影響測量結果的精度。

　?。?）電壓參考基準

MSC1210的電壓參考可以是內部的也可是外部的，上電復位以后的電壓參考是內部的2.5 V，參考電壓的選擇通過(guò)ADCON0控制。片上內部參考電壓有1.25 V和2.5 V兩種可選，其精度可達0.2 %，溫漂僅為5×10-6/℃，可大大提高測量精度。如果沒(méi)有用到內部參考電壓，就應該將其關(guān)掉以減少噪聲和功耗。VREFOUT引腳處應該放一個(gè)0.1μF去耦電容。外部參考電壓為REF IN+與REF IN-之間的差值，引腳上的絕對電壓在A(yíng)GND與AVDD之間，但其差分電平不能超過(guò)2.6 V。

3 片內存儲器

　　MSC1210包括片上1.2 KB SRAM ，256字節DARAM，2KB啟動(dòng)ROM，32 KB Flash存儲器。

　　MSC1210用內存尋址表來(lái)區分程序存儲空間和數據存儲空間。程序空間由單片機自動(dòng)讀取，通過(guò)指令MOVC來(lái)讀程序空間；數據空間通過(guò)指令MOVX來(lái)讀寫(xiě)。當片上存儲使能時(shí)，在片內范圍內的讀寫(xiě)將在片內存儲器上進(jìn)行，片外存儲器通過(guò)P0和P2尋址來(lái)實(shí)現。HCR1寄存器的第0位和第1位設為0就可以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器，此時(shí)可以通過(guò)P0和P2口訪(fǎng)問(wèn)所有片內和片外存儲空間。為了安全起見(jiàn)，在訪(fǎng)問(wèn)片內存儲器期間，P0口全部置位為0。

　　MSC1210包含1.2 KB片上SRAM。SRAM起始地址位“0”，通過(guò)MOVX指令讀寫(xiě)。SRAM也可以從8400H開(kāi)始，既可作程序空間又可作數據空間。

　　MSC1210有256字節DARAM，地址為0000H~00FFH，其中128字節為128個(gè)SFR，地址為0080H~00FFH。SFR寄存器用做控制和狀態(tài)，標準的8051功能和MSC1210的附加功能是通過(guò)SFR實(shí)現的。從沒(méi)有定義的SFR寄存器將得到“0”，寫(xiě)入沒(méi)有定義過(guò)的SFR得到的結果無(wú)法確定。DARAM的另一個(gè)用途，是通過(guò)SFR的堆棧指針作為堆棧使用。

　　在串行或并行編程時(shí)，有2KB啟動(dòng)ROM控制運行。在用戶(hù)模式下，BOOT ROM位于F800H~FFFFH；在編程模式下，BOOT ROM位于程序空間的起始2K。

　　Flash存儲器既可用做程序存儲空間又可用做數據存儲空間，用戶(hù)可以靈活配置程序和數據存儲空間的大小。分區大小通過(guò)硬件配置位來(lái)確定，可以通過(guò)串行或并行的方式來(lái)編程確定。在用戶(hù)應用模式下，程序和數據Flash存儲空間都可讀可寫(xiě)。

4 Flash編程應用

　　可編程的Flash存儲器分為4個(gè)部分：128字節的配置部分、復位向量、程序存儲空間、數據存儲空間。

　　Flash編程模式有串行和并行兩種模式，通過(guò)上電復位過(guò)程當中的ALE和信號狀態(tài)確定。當ALE=1，=0時(shí)，選擇串行編程模式；當ALE=0，=1時(shí)，選擇并行編程模式。當ALE和都為高電平時(shí)，MSC1210運行在用戶(hù)模式下；當ALE和都為低電平時(shí)，MSC1210沒(méi)有定義。

　　MSC1210的Flash存儲器初始值全部為“1”，并行編程模式包括一個(gè)專(zhuān)用的編程器，串行編程方式通常為在線(xiàn)編程，用戶(hù)應用模式允許對Flash程序和數據存儲器編程。對Flash編程的實(shí)際代碼不能從Flash執行，而必須從BOOT ROM或RAM處開(kāi)始執行。

　　MSC1210有兩個(gè)硬件配置存儲器(HCR0、HCR1)，在Flash編程模式下可編程。用戶(hù)通過(guò)對這兩個(gè)存儲器編程可以在程序存儲空間(PM)和數據存儲空間(DM)之間定義分區，如表1所列。

表1 MSC1210的Flash分區

注：當程序空間選擇0KB時(shí)，程序在片外執行；"一"表示保留。

　　用戶(hù)可以通過(guò)MOVX指令來(lái)讀寫(xiě)Flash存儲器，而不論Flash存儲器是被定義為程序存儲器還是數據存儲器。這意味著(zhù)用戶(hù)可以將全部空間分為程序存儲空間，并將程序空間當數據存儲空間用。當PC指針指向的程序空間實(shí)際上存放的是數據時(shí)，將會(huì )導致不可預知的后果。因此，當要用Flash存儲數據時(shí)，一定要求使用Flash分區，Flash分區禁止在數據存儲空間執行程序。同樣，也禁止程序空間的擦寫(xiě)而允許在數據存儲空間讀寫(xiě)。

5 結 論

　　MSC1210作為一款高性能的內核兼容8051的單片機，其開(kāi)發(fā)的方便、靈活和高精度ADC的使用滿(mǎn)足了使用者的要求，其指令執行速度更是實(shí)時(shí)系統所渴求的，可廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制、醫療儀器、智能傳感器等各個(gè)領(lǐng)域。