1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們環(huán)保意識的增強，對建筑材料的要求越來越高，導熱系數(shù)作為衡量建筑材料保溫性能的重要指標一直為人們所重視，因而開發(fā)設計出高精度絕熱材料導熱系數(shù)測量儀器十分必要。絕熱材料導熱系數(shù)測量基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，測出試件冷熱面的平均溫度（TC、TH）和穩(wěn)態(tài)加熱功率（P），由下式即可計算出導熱系數(shù)：λ＝Pd/A（TH-TC），其中d為試件厚度，A為試件對應主加熱器部分的橫截面積。整個測量系統(tǒng)主要由爐體和溫度、功率測控系統(tǒng)兩部分組成，爐體按國家標準的要求加工制造，大同小異，而溫度、功率測控系統(tǒng)則隨著電子技術(shù)的發(fā)展不斷更新。

溫度、功率測控系統(tǒng)的特點是要測量和控制多路溫度信號，判斷到達設定的狀態(tài)后再進行計算。常見的設計方案是：用熱電偶或鉑電阻作溫度傳感器，輸出的模擬電信號經(jīng)過模擬放大和濾波，進入高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），再經(jīng)過單片機的判斷、計算，控制加熱電爐絲的功率，求出穩(wěn)態(tài)導熱情況下導熱系數(shù)、熱阻等材料熱特性參數(shù)值。這種方案較過去的模擬式測量系統(tǒng)已經(jīng)很先進，但是仍存在精度不夠高、可靠性不夠好的缺點。新近開發(fā)的絕熱材料導熱系數(shù)測定儀采用TI公司新近推出的具有增強型8051內(nèi)核的低功耗單片機MSC1212，其內(nèi)部集成了8通道高精度24位Δ-Σ ADC和4通道16位DAC，在保證測量精度的同時又大大簡化了外部電路，可靠性好。

MSC1212的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。MSC1212工作電壓2.7 V～5.25V，微控制器核是經(jīng)過優(yōu)化的8051內(nèi)核，在給定時鐘源的情況下，它的執(zhí)行速度比標準的8051內(nèi)核快三倍，從而使得器件可以在更低的外部時鐘頻率下工作，在功耗比標準的8051低的情況下，仍可達到相同的性能。同時，其片內(nèi)外設十分豐富，包括32位累加器、1個帶有FIFO的SPI串口、2 個全雙工的UART、32個數(shù)字輸入輸出端、看門狗定時器、低電壓檢測、片內(nèi)上電復位、16位PWM、3個定時器/計數(shù)器、21個中斷源。

MSC1212集成了32kB的FLASH存儲器以及1.2kB的SRAM，其FLASH編程模式有串行和并行模式兩種，在上電復位期間通過ALE和 PSEN信號的狀態(tài)來選擇。PSEN=0，ALE=1時是串行編程模式。PSEN=1，ALE=0時為并行編程模式。假如兩者都為1，則工作在用戶模式。兩者都為0是保留模式，沒有定義。MSC1212是帶ISP開發(fā)功能的單片機系統(tǒng)，與8051的指令集完全兼容，可以用已有的8051開發(fā)工具來開發(fā) MSC1212的軟件。主要的開發(fā)環(huán)境是匯編語言和C語言。

2 MSC1212模擬接口介紹

MSC1212的內(nèi)部集成的模擬接口是它優(yōu)于其他單片機的特征之一，在絕熱材料導熱系數(shù)測定儀中擔當了重要角色，有必要先加以詳細介紹。

2.1 ADC結(jié)構(gòu)介紹

MSC1212的ADC是Δ-Σ型，由多路開關（MUX）、溫度檢測器、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、調(diào)制器、數(shù)字濾波器、電壓參考組成，有8個通道，10Hz數(shù)據(jù)輸出率時有效分辨率可達24位。

一般ADC都定義成對的輸入端，不可隨意改變，而 MSC1212的ADC輸入端可以由用戶通過設置ADMUX寄存器來定義，可以把8個通道的任何2個分別作為同相端和反相端，這種軟件設置使應用變得十分靈活，某個通道可以在一次測量中用作同相輸入端，下一次測量中卻用作反相輸入端。例如ADMUX=0x01，則定義AIN0為同相輸入端，AIN1為反相輸入端。

當ADMUX所有位置1時，將選中溫度檢測器工作，返回芯片溫度值，所以也可以把溫度檢測器看作ADC輸入的第9個通道。

緩沖器使能與否通過寄存器ADCON0（BUF位置1使能）控制，當緩沖器使能時輸入阻抗是10GΩ，輸入電壓范圍變小，電流升高，沒有緩沖器時 MSC1212的輸入阻抗是5MΩ/PGA。一般都要使能緩沖器，除非某一模擬輸入端電壓大于AVDD-1.5V。

通過改變寄存器ADCON0的低三位，可編程增益放大器（PGA）的增益可被設置為1、2、4、8、16、32、64和128。使用PGA可以提高ADC 的有效分辨率。例如，當PGA為1且采用5V量程時，ADC能分辨到1uV。PGA為128且采用40mV量程時，分辨到75nV。通過設置寄存器 ODAC，PGA的模擬輸入可以通過高達其全量程一半的輸入來補償（即，若輸入電壓范圍是5V，則補償范圍是±2.5V），其中MSB是符號位，七個 LSB提供補償?shù)拇笮　＿@種補償并不影響ADC的噪聲特性和動態(tài)范圍。

調(diào)制器是一個單環(huán)2階Δ-Σ系統(tǒng)，其模擬信號采樣率（fMOD）由下式確定：fMOD=fOSC/（ACLK+1）/64，寄存器ACLK由用戶設置，若晶振頻率fOSC＝11.0592MHz，ACLK=8，則采樣率fMOD=19200Hz。知曉Δ-ΣADC原理的人都知道，這一采樣率并不是數(shù)字信號輸出率，數(shù)字信號輸出率（fDATA）等于模擬信號采樣率（fMOD）除以抽取因子（Decimation），抽取因子由用戶在寄存器ADCON2和 ADCON3中定義，ADCON2為低8位，ADCON3為高3位。抽取因子越大，噪聲抑制能力越強。

調(diào)制器輸出經(jīng)過數(shù)字濾波器就成為所需要的數(shù)字信號，MSC1212配置了三種數(shù)字濾波器：快速建立型、sinc2型、sinc3型，在通道同步變化的情況下，濾波器建立時間依次為1個、2個、3個轉(zhuǎn)換周期；sinc型濾波器在整數(shù)倍fDATA頻率處有很好的陷波特性，快速建立型濾波器陷波特性不佳。自動模式在輸入通道或PGA改變時將sinc濾波器配置成最佳，剛轉(zhuǎn)換為一個新的輸入通道時，自動模式選擇需要4個轉(zhuǎn)換周期的建立時間，前2個周期用快速建立型濾波器，且第一個周期轉(zhuǎn)換結(jié)果丟棄不要，后兩個周期依次用sinc2型、sinc3型濾波器，之后一直用sinc3型濾波器，直到通道再次改變，這種方式充分利用了快速建立型濾波器的快速響應特性和sinc3型濾波器良好的噪聲抑制特性。

多通道采樣通道突然變化時，輸出要稍作延遲才能正確反應新通道輸入值，延遲時間依賴于使用的濾波器。由于通道轉(zhuǎn)換通常不與數(shù)據(jù)輸出間隙同步，所以還額外需要一個整周期才能準確采樣。事實上這種不確定性導致獲得理想分辨率要多花費一個轉(zhuǎn)換周期，即輸入通道突然變化時必須丟棄前1、2或3個轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果。自動模式可以降低必須丟失的數(shù)據(jù)數(shù)目，但是也會降低分辨率。

當多通道采樣時必須考慮建立時間以確定總的數(shù)據(jù)通過率，例如，數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）為20Hz，濾波器采用sinc3型，采樣5個通道，那么每個通道的結(jié)果輸出率（fCH）為20/4/5=1Hz。事實上，最佳配置的評估是一種公平交易，不可能面面俱到。首要標準之一是確定轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效位數(shù)目（ENOB）。如果需要ENOB＝18位，用三種濾波器皆可實現(xiàn)，對應快速建立型、sinc2型、sinc3型，抽取因子分別為1800、500、 200。假定調(diào)制器時鐘頻率（或模擬信號采樣率）是15625Hz，對應數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）分別為8.68、31.25、78.125 Hz，單通道的結(jié)果輸出率（fCH）分別為4.34（8.68/2）、10.41（31.25/3）、19.53（78.125/4）Hz，通道同步轉(zhuǎn)換時通道率分別為8.68（8.68/1）、15.625（31.25/2）、26.04（78.125/3）Hz。由此可見，這些“率”的大小基于一個合理的調(diào)制器時鐘速度。在許多應用中，可以將數(shù)據(jù)通過率提高到上述數(shù)據(jù)的10倍。

MSC1212或整個系統(tǒng)的失調(diào)和增益誤差可以通過校準來減少。校準可以通過寄存器ADCON1相應位來控制，每一個校準過程需要7個tDATA來完成，因此總共需要14個tDATA來完成失調(diào)和增益校準。系統(tǒng)校準要求適當?shù)男盘柤拥捷斎攵耍唧w地，系統(tǒng)失調(diào)校準需要“零”差分輸入信號以估計待消除的失調(diào)，系統(tǒng)增益校準則需要正的滿量程輸入信號以產(chǎn)生一個消除系統(tǒng)中增益誤差的值。上電后或者溫度、緩沖器、PGA中任何一個發(fā)生變化時都將執(zhí)行校準。使用自動模式或者sinc3型濾波器有利于校準。校準將消除ODAC的影響，因此，對ODAC寄存器的改變必須在校準之后進行。校準完成之后，ADC的中斷位置為1，說明校準完成，數(shù)據(jù)有效。

MSC1212的電壓參考可以是內(nèi)部（上電后默認）的或外部的。電壓參考是通過寄存器ADCON0（EVREF位）來選擇的，內(nèi)部電壓參考可以是 1.25V或2.5V（AVDD=4.5V～5.25V），由寄存器ADCON0的VREFH位來定義。假如不使用內(nèi)部電壓參考，應將其關閉以降低功耗和噪聲。REFOUT引腳與AGND之間應接0.1uF的電容。外部電壓參考是差分的，通過引腳REF IN+和REF IN-之間的電壓差體現(xiàn)出來，任一引腳的絕對電壓可以在AGND到AVDD之間變化，然而差分電壓不能超過2.6V。

ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADRESL/ ADRESM/ ADRESH寄存器中。MSC1212內(nèi)部還有4個求和/移位寄存器SUMR0～3和1個求和/移位控制寄存器SSCON，可以對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進行累加平均從而進一步降低噪聲提高分辨率。

2.2 DAC結(jié)構(gòu)介紹

MSC1210的16位DAC是T型電阻網(wǎng)絡型DAC，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。輸入DAC寄存器的值（D，取0～65535）與輸出模擬量（VDAC）的關系為：VDAC＝VREF*D/65536，其中VREF是DAC電壓參考，可以選擇內(nèi)部REFOUT/REFIN+電壓或電源電壓 AVDD，VREF與AVDD共同制約VDAC（IDAC）輸入代碼的范圍，其關系如表1所示。DAC的軌－軌輸出型緩沖放大器可以輸出 AGND～AVDD的電壓，可以驅(qū)動2kΩ//1000pF的負載。加以外部電路，DAC也可輸出±VREF的電壓，例如圖3所示電路，VO＝VREF（D/32768－1）。

2.3 多通道數(shù)據(jù)采集程序示例

// A/D Conversion for 8 single ended channels，0-5V on inputs AIN0 to AIN7，AINCOM = 2.5V

#include

#include

#include

#define LSB 298.0232e-9

extern unsigned long positive（void）; //return the 3 byte adres to R4567 （MSB“LSB）

void main（void）

{ unsigned long int xdata result， dummy;

unsigned char k， pga， chan;

unsigned int decimation;

float voltage;

CKCON = 0; // 0 MOVX cycle stretch

PDCON = 0x14; // turn on ADC-Vref， SPI and Systimers

printf（”\nMSC1210 ADC Conversion Test\n\n“）;

printf（”\nSingle-Ended 0V to 5V inputs， AINCOM=2.5V\n\n“）;

printf（”Chan. Dec. rate Hex Value Voltage\n“）;

/* Setup ADC */

ADMUX = 0x08; //（AIN+ = AIN0）， （AIN- = AINCOM）

ACLK = 9; // ACLK = 11，0592，000/10 = 1，105，920 Hz

// m

odclock = 1，105，920/64 = 17，280 Hz

pga = 0;

ADCON0 = 0x38 | pga; // Vref On， Vref=2.5V， Buff on， BOD off， pga=1

decimation = 1728; // 10 Hz

ADCON2 = decimation & 0xFF; // LSB of decimation

ADCON3 =（decimation＞＞8） & 0x07; // MSB of decimation

ADCON1 = 0x01; // bipolar， auto， self calibration （offset， gain）

for （chan=0; chan＜8 ; chan++） // Channels Loop

{ ADMUX = （char）（chan＜＜4） | 8; // AINP = chan， AINN = AINCOM

for （k=0; k＜4; k++） // Wait for Four conversions for filter to settle after calibration

{ while （！（AIE & 0x20））; // Wait for data ready

dummy = positive（）; // Dummy read to clear ADCIRQ

}

while （！（AIE & 0x20）） {} // Wait for next result

result = positive（）;

printf （”\n%3bd %7d %5dHz “， chan，decimation，17280/decimation）;

voltage = result * LSB;

printf （”%12lx %f “， result，voltage）;

} Channels Loop

printf（”\n FINISHED \n-----------\n“）;

while（1） ;

} //main

3 基于MSC1212的單片機溫度測控系統(tǒng)設計

基于MSC1212的單片機溫度測控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。整個系統(tǒng)可分為溫度測量、溫度控制、人機對話、與主機通信等部分。串口通訊可以把測量數(shù)據(jù)存儲在主機上，供日后參考，還可以給出導熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)曲線或者分析非穩(wěn)態(tài)傳熱情況下的熱特性。異常報警、液晶顯示、按鍵、打印電路保證了人機對話界面的友好，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。

3.1 溫度測量

MSC1212內(nèi)部集成了8通道24位高精度Δ-Σ ADC，雖然Δ-Σ ADC的數(shù)據(jù)率很低，但是溫度是緩變信號，用Δ-Σ ADC完全可以滿足要求。本系統(tǒng)所測溫度范圍為-30℃～150℃，用熱電偶測量，要求最大測溫誤差不得超過0.1℃（對應大約0.004mV），而 MSC1212的ADC輸入范圍為0V～5V（參考電壓選擇2.5V時），在10Hz數(shù)據(jù)率時可達22位有效輸出，充分滿足測量要求，不必加任何模擬放大電路，只要加一個緩沖器就可以了。熱電偶冷端溫度即環(huán)境溫度由數(shù)字式溫度傳感器測量供熱電偶冷端補償和環(huán)境溫度記錄與顯示。

3.2 溫度控制

MSC1212實時測得冷熱板溫度并與用戶設定的溫度比較，結(jié)合PID控制和模糊控制算法，通過程序控制各路DAC輸出一定的電壓信號（0-5V），分別控制主副加熱器電源電壓（0-48V連續(xù)輸出）、半導體制冷器電源電流（0-25A連續(xù)輸出），電路十分簡單，功率控制的速度和精度同時得到提高。

3.3 軟件設計

本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是實時采集各路溫度信號和主加熱器電爐絲的電壓電流信號，按照算法要求進行功率控制，監(jiān)控溫度傳感器、主副加熱器、半導體制冷器保護水浴等正常工作，人機對話以及與主機通訊等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，由主程序和參數(shù)設定、系統(tǒng)標定、異常報警、數(shù)據(jù)處理、串口通訊、鍵盤、顯示、打印等子程序組成。系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

綜上所述，MSC1212單片機具有豐富的片內(nèi)資源，尤其是內(nèi)置高精度ADC、DAC，使之在本絕熱材料導熱系數(shù)測定儀中的應用不但提高了測量精度，而且大大簡化了硬件電路，可以推廣應用于其他測控系統(tǒng)中。

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