Application of MSC1211 single chip computer in blackbody cavity photoelectric pyrometer
摘要：介紹了MSC1211單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并通過一種黑體式光電高溫計(jì)的研制說明了應(yīng)用方法，闡述了系統(tǒng)的硬件組成和軟件流程。MSC1211單片機(jī)是美國德州儀器的最新產(chǎn)品，它集成了大量的模擬和數(shù)字外圍模塊，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。采用此單片機(jī)作為信息處理單元，測溫準(zhǔn)確度高；由于其完備的片上組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)非常簡潔，減少了硬件電路，提高了可靠性，多種信號輸出形式極大地方便了用戶使用。
關(guān)鍵詞：MSC1211，高溫計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換
Abstract: Advantages of MSC1211 single chip computer are introduced, and application based on blackbody cavity photoelectric pyrometer is explained. Hardware circuits and software flow chart are presented, too. MSC1211 is a new type of microcontroller from TI, which has powerful function for data processing integrating with lots of analog and digital modules. The MSC1211 microcontroller is used as signal processing unit, so that the pyrometer shows the advantages of high accuracy. And due to its integrated on-chip constitution, hardware circuits are reduced and the pyrometer shows advantages of simple structure, high reliability and easy operation owing to the multiform output signals.
Key words: MSC1211, pyrometer, A/D Convert
1引言
高溫測量，在科研及工業(yè)生產(chǎn)過程中占有極其重要的地位，目前依然主要使用的仍然是鉑銠系列的貴金屬熱電偶，由于貴金屬材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且提煉和回收能造成環(huán)境污染，因此限制了其應(yīng)用，迫切要求新方法的出現(xiàn)。自從美國國家標(biāo)準(zhǔn)局R. R. Dils提出黑體腔型接觸式光纖高溫測量方法之后，基于黑體輻射的高溫計(jì)便得到了人們的重視和研究。這種方法具有測量準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，由于不使用貴重金屬，因此使用成本很低。本文在對黑體腔、光路部分改進(jìn)的同時(shí)，充分利用德州儀器的MSC1211單片機(jī)的許多新特性，如自帶的8路24位高精度∑-△A/D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)偏移/增益自校準(zhǔn)電路、4通道16位D/A轉(zhuǎn)換器等，實(shí)現(xiàn)了對高溫的高精度測量，并且使得整個(gè)系統(tǒng)在集成化程度、分辨率、穩(wěn)定性、可靠性方面提高了不少。
2 黑體式光電高溫計(jì)的工作原理及整體設(shè)計(jì)
黑體式光電高溫計(jì)由黑體腔、光電探測器以及信號處理電路組成，如圖1所示。將黑體腔插入被測量介質(zhì)中，使其直接接觸被測介質(zhì)溫度，并發(fā)出與被測溫度成一定關(guān)系的輻射信號，通過光纖把信號送給光電探測器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后將電信號送至信號處理器即可進(jìn)行待測溫度的計(jì)算、補(bǔ)償、顯示和遠(yuǎn)傳等。
圖1 黑體式光電高溫計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
MSC1211是一款增強(qiáng)型8051內(nèi)核低功耗單片機(jī)，它有許多優(yōu)良特性，比如，它內(nèi)部有高達(dá)32kB的FLASH存儲器，SRAM達(dá)1.2kB，有多達(dá)21個(gè)中斷源，執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快3倍等等。
整個(gè)體統(tǒng)的主要任務(wù)是黑體腔感知溫度發(fā)出輻射信號，調(diào)理電路將輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入信號處理器，計(jì)算出溫度值，并能輸出電流或電壓信號，以供傳輸或二次儀表使用。最終選擇MSC1211作為信號處理的核心元件，主要是基于以下考慮：(1) 24位∑-△A/D轉(zhuǎn)換器，這是實(shí)現(xiàn)高精度測溫的重要保證；(2)內(nèi)部包含完整的前向通道和后向通道DAC，使用非常方便，這樣功能完備的片上系統(tǒng)，需要的外圍電路很少，整機(jī)結(jié)構(gòu)顯得非常簡潔，并且可靠性高。見圖1虛線框內(nèi)，原本A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換三部分的內(nèi)容，用一個(gè)MSC1211單片機(jī)就可以取代。
3基于MSC1211的硬件設(shè)計(jì)
如圖1，光信號通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號，再通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號，進(jìn)入以MSC1211為核心的信號采集和處理系統(tǒng)，基于MSC1211的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，由于單片機(jī)本身強(qiáng)大的功能，使得外圍電路很少，看起來非常簡潔。
圖2 電路硬件設(shè)計(jì)圖
3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
MSC1211內(nèi)部包含完整的前向通道，有多路開關(guān)，可以選擇差分輸入的形式或者單端對地輸入形式。在這個(gè)通道上，還可以選擇使用緩沖器，其內(nèi)部放大器為可編程增益放大(PGA)在1~128之間可調(diào)，這樣對于一些輸出微弱信號的傳感器就比較方便，可以直接接入MSC1211的輸入端，無需在電路中再增加中間放大環(huán)節(jié)，這對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)是十分有利的。通過改變命令寄存器的方式設(shè)置內(nèi)部通道的功能，用指令就可以選擇輸入緩沖器，設(shè)置放大增益，控制通道開關(guān)切換，進(jìn)行偏移校正等。
3.1.1 多路選擇開關(guān)
多路開關(guān)，通過寄存器ADMUX來選擇。MSC1211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(dāng)ADMUX=FFH時(shí)，電路的測溫二極管就連接到ADC的輸入端，此時(shí)其余通道開路。這有利于器件自身的保護(hù)，當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，可以通過強(qiáng)制電路進(jìn)入空閑模式使系統(tǒng)降溫。
3.1.2 偏移DAC
調(diào)理電路輸出的電壓范圍需要調(diào)整，使用偏移DAC非常方便。偏移DAC是一個(gè)可編程的電壓源，模擬輸入信號首先與偏移DAC的輸出電壓相加，然后經(jīng)PGA放大，最后送到∑-△A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換在缺省條件下使用內(nèi)部2.5V作為參考電壓，本文中使用的是外部電壓5V，外部電壓通過REF IN+ 和REF IN- 引腳之間的電壓差值決定，REF IN+連接AVdd，REF IN-接地。
