海洋深度是海洋水体的一个重要参数：知道海洋深度，可防止海面航行的船只搁浅、触礁；潜艇在海底活动时，测量海洋深度可利用海底地形作屏障以避免被搜索，使对方的信号接收仪器收不到潜艇发出的噪声。在笔者所做的一个课题中，直升飞机从空中投掷测量仪器到海表面，仪器从海表面下沉至海底后自动上浮至海水表面；该项目要求研制一个海水深度记录仪，记录上述过程中测量仪器在海水中的深度变化。测量仪器自动上浮至海面后，打捞并回放测量数据：深度数据要求每秒采样 100 次，具有非易失性，测量数据通过串口向 PC 机回放。
系统硬件设计
根据系统设计要求，海水深度数据的采集频率要求至少 100Hz，连续采集时间为 5min 以上。以分辨率为 12 位的 ADC 计算，一次采集的数据量至少为 2×100×5×60=60000B。针对系统数据采集量大、速度快、爆发性强的特点，采用如下总体设计方案：主控制器采用高性能微控制器 C8051F020，它具有与 8051 完全兼容的 CIP-51 微控制器内核，采用高速流水线结构（25MIPS），大多数指令执行时间为 1～2 时钟周期；具有 64KB 可在系统编程 Flash 和大容量内部 SRAM，并具有外部存储器接口。非易失性存储器采用美国 Ramtron 公司的 FM20L08 铁电存储器：与其他类型的非易失性存储器相比，FRAM 铁电存储器具有读写次数多、读写速度快、功耗低、无延时和不用擦除写操作的特点，在功能上可以完全替代 SRAM。系统硬件框图如图 1 所示。
图 1 系统硬件框图
信号调理电路设计
信号调理电路如图 2 所示。
图 2 信号调理电路
虽然 C8051F020 内部有 2.43V 的基准电压源，但测试结果表明其输出电压随温度波动较大，影响测量结果的准确性。为了提高测量精度，系统采用了 Maxim 公司的低温漂电压基准芯片 MAX6325：MAX6325 是低温度系数（1ppm/℃）、低噪声的电压基准，具有 ±0.02% 初始精度，是高精度数据采集系统的理想选择之一。由于压力传感器的输出电压范围为 DC 1～5V，而 MAX6325 输出的电压基准是 2.50V，因而必须对压力传感器输出电压进行衰减，以达到与基准电压的匹配。实现这一功能最简单的方法是直接用两个电阻分压，但传感器具有一定的输出阻抗，直接接分压电阻相当于将传感器输出阻抗与这两个电阻并联，会造成输入 A/D 的采样电压不准确；正确的方法是在压力传感器的输出之后加一级运算放大器以增加输入阻抗，再在运放的输出级并联分压电阻。考虑到系统只有 5V 电压并且传感器的输出电压在 1～5V 之间，同时也为了减少器件数目、缩小占板面积，运算放大器选用 OPA340。OPA340 是单电源轨至轨输入和输出运算放大器，其工作电压可低至 2.5V，允许的最低输入为 -500mV，最高输入可高于电源 500mV。
数据存储电路设计
对于针对突发数据的记录仪、高速存储测试设备等，数据的高速存储和掉电不丢失成为系统设计的关键。Ramtron 公司推出的 FM20L08 铁电存储器弥补了现有铁电存储器存储量小的缺点，其数据存储量达 1Mb（128KB），可完全代替标准异步静态随机存储器（SRAM），具有可随机读写芯片内任何一字节的特性。FM20L08 非易失性铁电存储器可无限次读写，掉电后数据可保存 10 年，工作电压为 3.3V，采用 32 引脚 TSOP 型封装。FM20L08 增加了软件控制写保护功能：存储序列按地址排成 8 个区域，每个区域都能通过软件单独设置写保护。在对海水深度进行实时采集和记录时，为了更好地了解仪器在水中深度变化的过程，必须有高速的数据采集和大量的数据存储作保证；铁电存储器的高速写入和掉电数据不丢失特性完全适合此类情况，可对物体在海水中的下降过程进行完整记录。图 3 示出 C8051F020 与 FM20L08 的接口电路。
图 3 FM20L08 与 C8051F020 的接口电路
C8051F020 使用高位端口（P4～P7）与 FM20L08 进行接口。FM20L08 新增内部电压监控器驱动 LVL（Low Voltage Lockout，低压锁定）信号，它接至 MCU 的 INT0，用于监控电源的供电情况：当电源电压下降到临界值以下时，LVL 引脚输出低电压信号，显示电路处于写保护状态；在 MCU 的 INT0 中断服务程序中复位 MCU，这样存储器可以自动阻止误读写和防止存储页面数据的破坏。FM20L08 的片选信号由 C8051F020 的读写信号相与来控制，只要读写信号任何一个变低，则片选信号有效。C8051F020 的最大寻址空间为 64KB，而要求它能够访问 128KB 的地址空间，最简单有效的方法就是使用一个 I/O 位控制 FM20L08 的地址线 A16：当 A16 为 0 时选择 FRAM 的前半部分，当 A16 为 1 时选择 FRAM 的后半部分。
在存储程序设计中，程序应首先判断仪器下降时 A/D 的输入信号值是否大于门限值，只有输入信号值大于门限值才将数据存储在存储单元内；在测量仪器由海底上浮至将要接近海面时关闭铁电存储器，停止数据存储。