第三章 智能传感器模块硬件结构设计3.1硬件系统结构智能传感器模块（STIM）原理框图如图3-1所示，主要包括：变送器阵列模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、TEDS模块及TII智能接口等部分。
为了增强系统的集成度，设计采用了集成式的片上数据采集系统ADuC812。
传感器的输出信号经调理模块放大调理，输入至 ADuC812片内的多通道ADC， ADC对相应通道模数转换后，存储于RAM中，然后通过TII智能接口将数据读入NCAP。
为了方便TEDS内容的升级与更新，系统采用异步串行口来下载电子数据表格至ADuC812的片内Flash。
此外，异步串行口还可用来下载和调试用户程序，方便系统开发。
图3-1智能传感器模块原理框图STIM模块的传感器单元以温度传感器AD590为核心，从传感器出来的信号通过信号调理通道输入至ADuC812内部的多路ADC。
系统硬件电路图如图3-2所示。
图3-2系统硬件电路图3.2 片上系统ADuC8123.2.1 ADuC812一般说明ADuC812是全集成的高性能的12位数据采集系统，它在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道ADC，两个12位ADC以及可编程的8位(与805l兼容)MCU。
片内8KB的闪速／电擦除(F1ash／EE)程序存储器，640字节的闪速／电擦除数据存储器以及256字节数据RAM，均由可编程内核控制。
另外MCU具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能，为多处理器接口和I／O扩展提供了32条可编程的I／O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I／O等。
MCU内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电工作模式，有适合于低功率应用的灵活电源管理方案。
在工业温度范围内，有3V和5V两种规格电压工作器件可供选择。
它有52条引脚，用扁平塑料四方形封装。
ADuC812数据采集系统芯片功能框图见图3-3。
图3-3 ADuC812数据采集系统芯片功能框图 3.2.2 ADuC812的特点:☆模拟I/O:8通道，高精度12位ADC；片内40ppm/℃电压基准；高速200kHz；两个12位电压输出DAC；片内温度传感器功能。
☆存储器:8KB片内闪速/电擦除程序存储器；640字节片内闪速/电擦除数据存储器；片内电荷泵(不需要外部Vpp)；256字节片内数据RAM；16MB外部数据地址空间；64KB外部程序地址空间。
☆与8051兼容的内核:额定工作频率12MHz(最大16 MHz)；3个16位定时器/计数器；32条可编程的I/0线；高电流驱动能力端口；9个中断源，2个优先级。
☆电源:用3V或5V电压工作；正常、空闲和掉电3种工作模式。
☆片内外围设备:UART串行I/0；两线(与I2C兼容)和SPI串行I/0；看门狗定时器；电源监视器。
图3-4 ADuC812的引脚排列图3.2.3 引脚排列与引脚说明Aduc812的封装形式为52针表面贴装，其引脚排列如图4所示，各个引脚的说明如表3-1所示。
符号 类型 功能DV DD P 数字正电源电压，额定值为+3V 或+5V A V DD P 模拟正电源电压，额定值为+3V 或+5VC REF I片内基准的去耦引脚，在此引脚和AGND 之间连接0.1uF 的电容 V REF I/O基准输入/输出，此引脚通过串联电阻连接至内部基准电压，是模拟数字转换器的基准源。
额定内部基准电压为2.5V 且出现在此引脚（当ADC 或DAC 外围设备被使能时）。
此引脚可由外部基准过驱动 AGND G 模拟地，模拟电路的基准点P1.0~P1.7 I端口1仅为8位输入端口，与其他端口不同，端口1缺省为模拟输入端口，为了把这些端口的任一个引脚配置为数字输入，应把“0”写至端口。
端口1引脚是多功能和共享的 ADC0~ADC7 I模拟输入，8个单端模拟输入，通过特殊功能寄存器ADCCON2进行通道选择T2 I定时器2数字输入，输入至定时器2，当被使能时，对应于T2输入的1至0的跳变，计数器2计数 T2EX I数字输入，计数器2捕获/重载触发，或计数器2加/减控制输入 SS I SPI 接口的从属选择输入SDATA I/O用户可选，I2C 兼容输入/输出引脚或SPI 数据输入/输出引脚 SCLOCK I/O I2C 兼容串行时钟引脚或串行接口时钟MOSI I/O 用于SPI 串行接口的主输出/从输入数据I/O 引脚 MISO I/O 用于SPI 串行接口的主输入/从输出数据I/O 引脚 DAC0 O DAC0电压输出 DAC1 O DAC1电压输出RESET I数字输入，当振荡器运行时．此引脚上长达24个主时钟周期的离间平可使器件复位P3.0~P3.7 I/O 端口3是具有内部上拉电阻的双向口。
对端口3写1使其引脚被内部上拉电阻拉至高电平，在此状态下它们可被用作输入。
由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平的端口3引脚将提供电流。
端口3引脚也包括各种辅助功能 RXD I/O串行（UART ）端口的接收数据输人(异步)或数据输入／输出(同步) TXD O串行(UART)端口的发送数据输出(异步)或时钟输出(同步) INT0 I 中断0可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至两个优先级之一。
此引脚也可用作定时器0的门控输入端 INT2 I 中断1可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至两个优先级之一。
此引脚也可用作定时器0的门控输入端 T0 I 定时器／计数器0输入 T1 I 定时器／计数器1输入CONVST I 当转换启动被使能为外部控制时，ADc 模块的转换启动逻辑输入．低电平有效。
此输入端低电平至高电平跳变将把跟踪／保持置为保持方式并启动转换 WR O写控制信号，逻辑输出。
把来自端口0的数据字节锁存入外部数据存储器 RD O读控制信号，逻辑输出。
允许外部数据存储器送至端口0 XTAL2 O 内部时钟振荡器的倒相放大输出XTAL1 I外部时钟输入，至时针振荡器的倒相放大器和内部时钟产生器电路 1 DGND G 数字地，数字电路的地基准点P2.0~P2.7 （A8~A15） （A16~A23）I/O端口2是具有内部上拉电阻的双向端口。
对端口2写1使其引脚被内部上拉电阻拉至高电平，在此状态下它们可被用作输入，由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平的端口2引脚将提供电流。
端口2在从外部程序存储器取指期间内发出高地址字节，在访问24位外部数据存储器空间时发出中和高地址字节PSEN O程序存储使能，逻辑输出。
此输出端是控制信号，它在外部取指操作期间内选通外部程序存储器至总线。
除了在外部数据存储器访问期间，它每6个振荡器周期有效。
在内部程序执行期间内此引脚保持高电平。
当上电或复位通过电阻处至低电平时，PSEN 也可用于使能串行加载模式 ALE O地址锁存允许，逻辑输出。
在正常工作期间，此输出用于把地址的低字节(对于24位地址空间访问还有中字节)锁存入外部存储器。
除了在外部数据存储器访问期间内，它每6个振荡器周期被激活(有效) EA I外部访问使能，逻辑输入。
当保持高电平时．此输入使器件能从地址为0000H 至1FFFH 的内部程序存储器取回代码。
当保持低电平时，此输入使器件能从外部程序存储器取回所有指令 P0.7~P0.0 （A0~A7）I/O端口0是8位漏极开路双向I ／O 端口。
对端口。
写1使其引脚悬空在此状态下可用作高阻抗输入。
在访问外部程序或数据存储器期间内端口0也是多路复用的低位地址和数据总线3.3 内部ADC 功能模块3.3.1 概述ADuC812中的A/D转换块集成了一个快速、8通道、12位、单电源的ADC。
此模块为用户提供了多通道多路转换器、采样保持器、片内基准电源、校准电路和A/D转换器等部件，并且所有这些部件都能方便地通过3个特殊功能寄存器来设置。
ADC由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成，此转换器可接收的模拟输入电压范围为0到+Vref，同时片内提供了高精确度、低漂移并经工厂校准的2.5V基准电压，也可以通过外部Vref引脚的输入来代替内部基准电压，外部基准可在2.3V ~AVdd引脚电压的范围内。
ADuC812装有工厂编程的校准系数，它在上电时自动下载到ADC，以确保最佳的ADC性能。
ADC核包括内部失调和增益校准寄存器，所提供的软件校准子程序，可允许用户在需要时重写工厂编程的校准系数，因此这样就可以将用户目标系统中的端点误差的影响减为最小。
此外来自片内温度传感器的电压输出正比于温度，因此为方便温度的测量，它也可经前端ADC多路转换器传送。
3.3.2 ADC转移函数ADC的模拟输入范围是OV~VREF。
在此范围内，设计的代码跳变发生在连续的整数LSB值的中间(即1/2LSB,3/2LSBs,5/2LSBs,.... FS-3/2LSBs)。
当VREF=2.5 V时，输出码是直接的二进制数,1LSB =FS/4096或2.5V/4096=0.61mV在0~VREF范围内理想的输入/输出转移特性如图3-5所示图3-5 ADuC812的ADC输入/输出转换特性3.3.3 ADC的工作模式ADuC812的ADC有三种工作模式:第一，用软件或通过把转换信号加至外部引脚23来启动单步或连续转换模式;第二，用定时器2来产生用于A/D转换的重复触发信号;第三，配置ADC工作于DMA模式。
在具体的操作中ADC的转换功能是通过对三个寄存器的设置来实现的，其中ADCCON1寄存器MD1 MD0 CK1 CK0 AQ1 AQ0 T2C EXC 对应的地址为EFH，具体内容为控制转换和采集时间、硬件转换模式和掉电模式，ADCCON2寄存器ADCI DMA CCONV SCONV CS3 CS2 CS1 CS0 对应的地址为D8H，具体控制ADC通道的选择和转换模式，ADCCON3寄存器 BUSY RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD 对应的地址为F5H，用于给用户软件提供一个识别ADC繁忙状态的标志。
当所有寄存器设置完成之后，ADC转换即开始启动，在连续转换模式下，前一转换完成新的转换即开始，转换完毕在ADCDATAH/L寄存器中存放转换结果，其中ADCDATAH寄存器中的高4位被写入的是具体采集通道的标号，其余12位则是其模拟输入的有效转换结果。
3.4 串行通讯3.4.1 UART串行接口的结构ADuC812的串行接口主要由2个数据缓冲器、1个输入移位寄存器、1个串行控制寄存器SCON和1个波特率发生器T1(即定时器1)等组成，其结构如图3-6所示。
图3-6 串行接口的结构串行接口数据缓冲器SBUF是可以直接寻址的专用寄存器。
在物理上，一个作发送缓冲器，一个作接收缓冲器。