基于MSCl210Y5的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引言
以MSCl210Y5為核心的數(shù)據(jù)采集部分在工作時(shí)投放于水下，工作在無人值守的自容方式。由于海洋環(huán)境惡劣，所以儀器必須具有很高的可靠性及精確度，否則，就有可能給航行在測點(diǎn)附近海域的船舶提供不準(zhǔn)確的海洋環(huán)境參數(shù)。筆者在燈船水文氣象實(shí)測數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示助航系統(tǒng)水下分機(jī)的設(shè)計(jì)中，成功應(yīng)用了具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核微控制器和閃存的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器MSCl210Y5，避免了微控制器和AD轉(zhuǎn)換電路的單獨(dú)分立設(shè)計(jì)，簡化了電路，降低了功耗，增強(qiáng)了可靠性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作速度。

2 MSCl210Y5的特性
MSCl210Y5是TOFP-64封裝的低功耗完全集成混合信號(hào)IC。供電電壓為2.7 V~5.25 V，它具有高精度的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC采用Sinc3濾波器，具有24 bit分辨率和24 bit無遺漏碼，且采樣速率可調(diào)，在要求高精度的單周期轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC可以選擇合適的濾波器、8路差分/單斷通道、片內(nèi)偏置/增益校正、偏置數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高達(dá)32 KB的閃速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、3個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)完整的雙向通用異步收發(fā)器。MSCl210Y5的引腳配置如圖1所示，各引腳的功能說明如下：

XOUT：晶體振蕩器引腳，用作晶體放大器的輸出端。
XIN：晶體振蕩器引腳，在使用外部時(shí)鐘源來代替晶體振蕩器時(shí)，XIN也可作為其輸入端。
P3.0-P3.7：端口3是雙向I/0口，具有復(fù)用功能。
DVDD：數(shù)字供電。
DGND：數(shù)字地。
RST：復(fù)位輸入，若引腳上保持高電平達(dá)2條指令時(shí)鐘周期，器件將復(fù)位。
AGND：模擬地。
AVDD：模擬供電。
AINO-AIN5：模擬輸入通道0-5。
MN6,EXTD：模擬輸入通道6，數(shù)字低電平檢測輸入。
AIN7，EXTA：模擬輸入通道7，模擬低電平檢測輸入。
AINCOM：模擬單端輸入的公共端。
REF IN-：負(fù)參考電壓輸入。
REF IN+：正參考電壓輸入。
P2.0_P2.7：端口2是雙向I/O口，具有復(fù)用功能。
PSEN，OSCCLK，MODCLK：程序存儲(chǔ)使能。與外部可選存儲(chǔ)器相連，作為器件使能信號(hào)，PSEN可提供一低電平脈沖。在編程模式下，PSEN可與ALE一同用作輸入，以確定編程模式是串行還是并行，在并行編程模式下保持為高，而在串行時(shí)為低。在不需使用外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，這一引腳也可選作晶體振蕩器時(shí)鐘，調(diào)整時(shí)鐘輸出，或直接輸出高/低電平。
ALE：地址鎖存使能，用于在訪問外存時(shí)鎖存地址的低位字節(jié)。ALE的發(fā)生頻率為恒定值，等于晶體振蕩器頻率的1/2，并可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將每次省去一個(gè)ALE脈沖。在編程模式下ALE用作輸入，與PSEN共同用于確定編程模式是串行還是并行。在串行編程時(shí)，ALE保持為高，而在并行時(shí)則為低。
EA：外部器件訪問使能。EA引腳必須由外部保持低電平，器件才能由起始地址0000H開始讀取外部程序存儲(chǔ)器。
P0.O-P0.7：端口0是雙向I/O口，具有復(fù)用功能。
P1.0-P1.7：端口1是雙向I/O口，具有復(fù)用功能。

3 與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的寄存器介紹
ADC補(bǔ)償校準(zhǔn)寄存器低(中，高)字節(jié)OCL(OCM，0CH)是ADC補(bǔ)償校準(zhǔn)的24 bit字的低(中，高)字節(jié)。寫入該字節(jié)的數(shù)值用于設(shè)定ADC補(bǔ)償校準(zhǔn)的數(shù)值。
ADC增益校準(zhǔn)寄存器低(中，高)字節(jié)GCL(GCM，GCH)是24 bit ADC增益校準(zhǔn)字的低(中，高)字節(jié)。寫入該字節(jié)的數(shù)值用于設(shè)定ADC增益標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值。
ADC乘法寄存器(DMUX)的位7-4：INP3-O是輸入乘法器正通道，用來選擇正信號(hào)輸入，如表1所列。

位3-O：INP3.0為輸入乘法器負(fù)通道，用來選擇負(fù)信號(hào)輸入，如表2所列。

ADC計(jì)算結(jié)果寄存器低(中，高)字節(jié)ADRESL(ADRESM，ADRESH)包含ADC轉(zhuǎn)換器結(jié)果的24 bit的低(中，高)字節(jié)。從ADRESL寄存器讀取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)復(fù)位ADC中斷。
ADC控制寄存器O,1,2的設(shè)置功能包括熄火監(jiān)測、內(nèi)部參考電壓使能、內(nèi)部參考電壓選擇、緩沖使能、可編程增益放大器增益設(shè)置、ADC運(yùn)算結(jié)果和綜合寄存器的極性、停留模式、標(biāo)準(zhǔn)模式控制位以及十進(jìn)制比率。

4 多通道數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計(jì)
筆者在燈船水文氣象實(shí)測數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示助航系統(tǒng)水下分機(jī)的設(shè)計(jì)中采用MSCl210Y5作為水下分機(jī)的微控制器，用其內(nèi)置的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，外圍傳感器的輸出電壓可以采用單端或差分輸入的方式直接接入MSCl210Y5的8路通道，不需要任何附加的外圍電路，連接電路如圖2所示。

AD轉(zhuǎn)換部分一般情況下順序進(jìn)行多信道數(shù)據(jù)采集，在上位機(jī)發(fā)來指令時(shí)，可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序部分。在此列出一段采集程序。

5 結(jié)束語
MSCl210Y5可極大地減輕電路設(shè)計(jì)工作量，減小外圍電路規(guī)模，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，降低功耗。所研制的燈船水文氣象實(shí)測數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示助航系統(tǒng)水下分機(jī)在大亞灣等海域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集可靠，精確度較高。