基于8051核的高精度多通道數據采集系統設計

楊 兵，陶 偉，李江達

（1.江南大學物聯網學院，江蘇 無錫，214122；2.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫，214035）

1 引言

數據采集系統廣泛應用于工業、農業、軍事及日常生活等各個領域。通常對數據采集系統的要求是速度快，精度高，存儲容量大，抗干擾能力強，能實時記錄數據采集的時間，并能靈活選擇數據輸出的方式，而采用普通的數據采集系統很難滿足上述要求。該文介紹了一種以8051核為核心、配合大容量存儲器和各種通用外設所構成的數據采集系統的單芯片SOC設計方法。

2 系統設計

該系統（如圖1）是高度集成的高精度12位數據采集系統。系統組合了帶有片內可重新編程非易失性FLASH存儲器的高性能8051核，它用于控制多通道的12位DAC和12位ADC以及處理采集數據；它還組合了全部輔助功能模塊以充分支持可編程的數據采集核心，這些功能模塊包括FLASH數據存儲器、看門狗WTD、電源監視器PSM以及各種標準并行和串行接口。

系統主要工作流程：

（1）根據數據采集系統實際應用情況，向8kb的程序存儲器燒寫用戶程序；

（2）根據用戶程序配置相應的各種外設，包括8通道的DAC以及8051 CORE的各種通用外設；

（3）被選擇的速率為200ksps的12位ADC進行有效的數據轉換；

（4）采樣數據或者加工處理后的采樣數據可以選擇性地存儲在RAM中或者640B的FLASH中；

（5）根據具體應用情況，8051核可以對采樣數據進行處理；

（6）采樣數據或者加工處理后的采樣數據可以選擇性地存儲在片內存儲器中或者通過8051核的外設通道直接送出。

3 子模塊設計

3.1 8051核

（1）工作頻率12MHz（最大16 MHz）；

（2） 3個16位定時器/計數器；

（3） 32條可編程的I/O線；

（4） 高電流驅動能力；

（5） 9個中斷源，2個優先級；

（6） 8kB片內FLASH程序存儲器，640B片內FLASH數據存儲器和片內充電部分；

（7） 16MB外部數據地址空間和64kB外部程序地址空間；

（8）片外UART串行I/O，I2C總線和SPI總線；

（9） 片外看門狗定時器和電源監視器；

（10）8051核有三條總線，與內部數據RAM的數據傳輸通過IRAM BUS，與內部程序ROM的數據傳輸通過IROM BUS，與外部存儲器的數據傳輸通過MEM BUS，而與外設之間的數據傳輸是通過SFR BUS來實現的。電路基本結構如圖2。

3.2 存儲器組織

與所有8051兼容的器件一樣，對于程序和數據存儲器，該系統具有分開地址空間，如圖3、圖4所示。

圖2 8051核電路結構

圖3 程序存儲器空間

圖4 數據存儲器空間

內部數據存儲器的最低32字節分為8個寄存器（R0到R7）的4個組；寄存器組上緊接的16個字節構成了位可尋址的存儲器空間塊，位地址從00H到7FH；而SFR空間映射到內部數據存儲器空間的高128字節。SFR區僅通過直接尋址來訪問并提供CPU和所有片內外圍設備之間的接口。

3.3 ADC模塊

3.3.1 基本工作原理

ADC轉換塊包含了5μs / 8通道12位單電源A/D轉換器。此模塊為用戶提供多通道多路轉換器、跟蹤/保持、片內基準、校準特性以及A/D轉換器，并且模塊內所有部件都能方便地通過3-寄存器SFR接口來設置。

A/D轉換器由基于DAC的常規逐次逼近轉換器組成，轉換器接收的模擬輸入范圍為0至參考電壓Vref。片內提供高精度、低漂移并經過工廠校準的2.5V基準電壓。片內基準可經外部Vref引腳過驅動，外部基準可在2.3V到AVDD的范圍內。在此范圍內，設計的代碼跳變發生在連續的整數LSB值的中間（即1/2LSB，1/2LSB，1/2LSB—— FS-3/2LSBs）。當Vref=2.5V時，輸出碼是直接的二進制數，1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。在0到Vref范圍內理想的輸入/輸出轉移特性如圖5所示。

圖5 AD輸入輸出轉移特性

用軟件或者通過把轉換信號加到外部引腳CONVST可啟動單步或連續轉換模式，也可以設定定時器2來產生用于ADC轉換的重復觸發信號，也可以配置ADC以便工作在DMA模式，因此ADC塊連續轉換并把采樣值捕獲到外部RAM空間不需來自MCU核的任何干擾，并且這種自動捕獲功能可以擴展到16MB外部數據存儲器空間。

系統設計芯片裝有工廠編程的校準系數，它在上電時自動下載到ADC，以確保最佳的ADC性能。ADC核包括內部失調和增益校準寄存器，所提供的軟件校準子程序可允許用戶在需要時重寫工廠編程的校準系數，以便使用戶目標系統中端點誤差的影響最小。

來自片內溫度傳感器的電壓輸出正比于絕對溫度，它也可以通過前端ADC多路轉換器（實際上是第九個ADC通道輸入）傳送，這方便了溫度傳感器的實現。

3.3.2 基本功能電路

ADC的工作狀態完全由3個SFR寄存器控制：ADCCON1寄存器控制ADC的轉換和采集時間，硬件轉換模式和掉電模式；ADCCON2寄存器控制ADC的通道選擇和轉換模式；而ADCCON3寄存器對用戶軟件給出ADC忙狀態的指示。

3.4 并行I/O端口

該系統使用4個通用數據端口與外部器件交換數據。除了實現通用I/O外，某些端口能實現外部存儲器操作；其他端口則與器件上外圍設備其他功能多路復用。端口0、2和3是雙向端口，端口1只是輸入端口。所有端口都包含輸出鎖存器和輸入緩沖器，I/O端口也包含輸出驅動器。對端口0～3引腳的讀和寫訪問通過它們對應的特殊功能寄存器SFR來實現。

圖6 12位ADC功能電路

3.5 串行I/O端口

UART是全雙工的，可以同時發送和接收數據，通過8051核可以配置為四種工作模式之一；而串行外設SPI接口是工業標準的同步串行接口，它允許8位數據同時同步地被發送和接收，系統可配置為主（Master）或從（Slaver）操作；與I2C兼容的串行接口有兩個，可配置為軟件主（Software Master）或硬件從（Hardware Slave）模式，并且可與SPI串行接口多路復用。

3.6 定時器/計數器

該系統具有三個16位定時器/計數器，每個定時器/計數器都包含兩個8位寄存器THx和TLx（x=0、1和2），所有三個定時器/計數器均可配置作為定時器或者事件計數器。在“計數器”功能中，每個機器周期TLx寄存器增量，而在“計數器”中，TLx寄存器根據其對應的外部輸入引腳T0或T1上的1到0的跳變增量。

3.7 片內監視器

該系統集成了兩個片內監視器功能以便使災難性的編程或其他外部系統故障期間內代碼或數據的破壞最小，并且兩個監視器功能完全可通過SFR空間來配置。

3.8 看門狗定時器

看門狗定時器的用途是當該系統可能由于編程錯誤、電氣噪聲或RFI而進入出錯狀態達到適當時間時產生器件的復位。它是通過清除看門狗控制（WDCON）SFR中WDE（看門狗使能）位而永遠被禁止。當它被使能時，如果在預定時間間隔內用戶程序沒有刷新看門狗，那么看門狗電路將產生系統復位，復位時間間隔可通過SFR預定標位在16ms～204ms范圍內進行調整。

4 總結

該系統芯片集成了大量的外圍設備，是一個可編程、自校正、高精度的數據采集系統，可以取代傳統的MCU+A/D+RAM高成本、大體積產品，尤其是它的高精度和高速度A/D模塊，特別適應于智能傳感、瞬間獲取、數據采集和各種通訊系統。

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