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摘要：介紹TI公司推出的一款用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的MSC1201型微處理器，該電路具有與8051型微處理器完全兼容的內(nèi)核，執(zhí)行速度更快，功耗更低。詳細介紹基于此電路并配合ADI的AD590型溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：MSC1201；數(shù)據(jù)采集；溫度控制：AD590 1 引言
隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集，在一些重要場合對數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
為了方便地實現(xiàn)溫度采集與控制系統(tǒng)，筆者選用MSC1201作為系統(tǒng)的MCU。MSC1201是的德州儀器（TI）新推出的一款低噪聲、低成本數(shù)據(jù)采集微處理器，它具有的增強型8051內(nèi)核，執(zhí)行速度比標準8051內(nèi)核快3倍，而功耗卻更低，MSC1201中的ADC的防噪性能為75nV，比市場上大多數(shù)獨立式ADC都好，此外，MSC1201的ADC還可在功耗僅為3mV時達到1ks/s的采樣速率，因此，搭配合適的信號拾取元件就能組成一種性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。
筆者設(shè)計的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設(shè)備的高溫實驗。通過小鍵盤設(shè)定實驗溫度和時間，達到定時后并能發(fā)出警告，箱體打開后啟動風扇散熱，為了使溫度控制更加準確，在箱體內(nèi)采用多點測溫，同時為了保證電子設(shè)備的均勻受熱，設(shè)計中采用步進電機帶動托盤使待測物在箱內(nèi)轉(zhuǎn)動，并在定時結(jié)束時停止轉(zhuǎn)動。在恒溫箱工業(yè)時，箱內(nèi)溫度通過數(shù)碼管顯示。定時剩余時間也通過數(shù)碼管顯示。 
2 MSC1201型微處理器
本設(shè)計采用TI的MSC1201型微處理器作為主處理器，MSC1201的封裝形式為QFN－36，在3V供電時功耗為3mW。具有工業(yè)級的工業(yè)溫度范圍即－40℃－＋125℃。
模擬特性包括數(shù)據(jù)采集精度達到24位無損采集，工業(yè)頻率為10Hz時有效分辨達到22位；片內(nèi)可編程增益控制，最高可將信號放大128倍；工作噪聲為75nV，片內(nèi)提供精確的參考電壓，具有偏差校正功能，片上溫度傳感器可以快速方便地組成檢測系統(tǒng)，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統(tǒng)具有較強的溫度適應(yīng)能力。
數(shù)字功能包括具有與8051兼容的增強型處理器內(nèi)核；擁有1KB自舉ROM、256字節(jié)數(shù)據(jù)SRAM、4KB閃存具有安全保護措施；存儲器讀/寫循環(huán)可達100萬次，保存100年。
外部特征包括有16個通用I/O引腳、1個32位累加器、2個16位定時/計數(shù)器、可編程看門狗定時器、全雙工USART、SPI、I2C接口；空閑狀態(tài)下消耗電流小于200μA，停止狀態(tài)下電流小于100nA；中斷源多達20個，可以滿足一般工業(yè)現(xiàn)場的控制要求。MSC201的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 
3 溫度采集系統(tǒng)的硬件組成
通常，為了組成一種溫度控制系統(tǒng)，采用如圖3所示的模塊化設(shè)計。
由圖3可見，從傳感器到CPU還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計者來設(shè)計。但是采用MSC1201型微處理器后許多環(huán)節(jié)就可以省略。如圖中虛線包含的部分，處理器自身已經(jīng)包含這些中間處理過程，只要設(shè)置相關(guān)寄存器就可以調(diào)整它們的參數(shù)。 
3.1 溫度傳感器
在許多溫度采集系統(tǒng)中用熱敏電阻器作為測溫器件，然后通過查表或附加電路得到輸出電壓與溫度的關(guān)系，查表需要一段存儲空間來保存表格數(shù)據(jù)且會增加代碼長度，因此使用熱敏電阻器的成本較高。另一方面，由于熱敏電阻器輸出的非線性使其高溫段和低溫段的測量誤差變化較大，而在多點測量時對每一種器件都要單獨調(diào)零，因而在應(yīng)用時有許多局限。
在筆者設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)中，采用ADI公司的AD590型溫度傳感器作為溫度測量元件，AD590是電流型傳感器，當電源電壓為4V－30V使流經(jīng)器件的電流隨溫度的變化而變化。其溫度變化規(guī)律為1μA/K，表示以K氏溫度衡量溫度，溫度變化1℃電流變化1μA，這種線性變化的規(guī)律給應(yīng)用帶來很大方便，應(yīng)用AD590時電源電壓的變化也會影響電流輸出，但電源電壓高時影響會小一些，因此電源電壓適當調(diào)高，圖4示出AD590與MSC1201的連接，其中，
從（1）式可以看出，AD590輸出電壓與溫度的關(guān)系，如果選擇（R1＋VR1）＝10KΩ，那么可得下式：
圖4中R1與VR1串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)VR1的阻值來獲得10kΩ的電阻值。沒有直接使用10kΩ的電阻器是為了提高系統(tǒng)測量精度。 
由于溫度檢測的后級接收差分信號輸入，因此只需要在差分輸入的負端引入2.732V參考電壓即可得到隨攝氏溫度線性變化的輸出電壓。如圖4所示，調(diào)節(jié)VR3阻值使在AIN1、AIN3引腳上具有2.732V電壓即可生成隨攝氏溫度線性變化的輸入信號。若設(shè)計的后級是單端輸入，則只需在校正單元減去2.732V即可。
3.2 多路選擇開關(guān)
輸入多路選擇開關(guān)屬于MSC1201的內(nèi)置功能模塊，可以接收差分輸入。如圖2所示，如果AIN0選作差分輸入的正端輸入，則其他任意通道可以作為差分信號的負端輸入，并可通過交換差分輸入的正負端來消除誤差，在本系統(tǒng)中選用AIN0輸入AD590的輸出電壓V（T），將2.732V作為差分信號負端輸入到AIN1，MSC1201可以自動檢測這些信號輸入引腳是否開路或短路。
另外，該電路還可以檢測自身溫度，當輸入多路選擇開關(guān)的配置寄存器全部設(shè)為1時，電路內(nèi)的測溫二極管就連接到ADC的輸入端，此時其余輸入通道開路，這有利于器件自身的保護，當芯片溫度過高時，可以通過強制電路進入空閑模式使系統(tǒng)降溫。
通道可以通過寄存器ADMUX來選擇，如下所示： 
其中，高4位決定差分正端輸入通道，而低4位決定負端輸入通道。
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