摘要：隨著網絡技術發(fā)展和市場需求的變化，工業(yè)設備實現(xiàn)網絡化管理控制已經成為一種必然趨勢。本文討論基于Web的MCF5249數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法，并從硬件設計和軟件設計兩方面進行討論。

引言

現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛。隨著網絡技術發(fā)展和市場需求的變化，工業(yè)設備實現(xiàn)網絡化管理控制已經成為一種必然趨勢。M2M（Machine to Machine）的網絡通信已成為國內外研究熱點，而Web技術為工業(yè)設備實現(xiàn)網絡化管理提供了一種解決方案。本文從硬件和軟件設計兩個方面討論了摩托羅拉MCF5249處理器在數(shù)據(jù)采集方面的應用，并實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠程Web表征。

由于這一系統(tǒng)面向廣義的過程，所以只要可獲得過程參數(shù)，就能實現(xiàn)過程行業(yè)的遠程在線表征。特別是基于Web完成實時數(shù)據(jù)庫生成，真正實現(xiàn)遠程集群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源無人工干預自動獲取。其應用將會不斷地延伸。

本文描述的摩托羅拉MCF5249是以ColdFire 32位微處理器為基礎的高性能處理器，該處理器內部集成了一個片內12位ADC，可用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集。且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。由于uClinux是為沒有MMU的微處理器設計的。且源泉代碼公開，為降低成本和獲取軟件的自有產權提供了方便。當然，uClinux不是一個強實時系統(tǒng)，為支持一般過程系統(tǒng)，可以通過一些補丁程序來提高其實時性，所以本文討論的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要應用于一些實時性要求不高的場合。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計

摩托羅拉MCF5249處理器內部集成了一個片內12位∑—ΔADC，它有四路輸入（ADIN0～ADIN3），任一時刻只允許一路輸入，由多路選擇器決定。ADC的數(shù)字部分在MCF5249的內部，而模擬電壓比較器由外圍電路提供。A/D轉換的輸出引腳以脈寬調制的格式提供參考電壓，因此，該輸出需要一個外圍的阻容電路，將其轉換成直流電壓，以備外部的電壓比較器電路使用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示。

由于微處理器不可承受負電壓，所以必須將輸入電壓限制在0～+3V之間。Motorola公司不建議使用外部箝位二極管直接在模擬輸入端進行過壓保護，而在輸入端引入1～10kΩ的限流電阻和低通濾波器，在低通濾波器的輸入端連接二極管對輸入電壓進行箝位。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計主要分為兩大模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)顯示模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設計

數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)的核心模塊，為了提高數(shù)據(jù)采集的實時性，應采用中斷方式完成數(shù)據(jù)采集。其流程圖如圖2所示。

MCF5249微處理器為其內部ADC提供了一個控制寄存器ADCONFIG，其地址是MBAR2_ADDR+0x402,在初始化程序中需要指定MBAR2_ADDR地址。

通過ADCONFIG寄存器可以設置A/D轉換器工作方式、采樣頻率、是否采用中斷方式等。下面給出設置ADCONFIG寄存器實例。

#define MBAR2_ADDR 0x8000000

#define AD_CONFIG 0x402

#define AD_VALUE 0x406

…………

//設置ADC

*(volatile unsigned short int *)(MBAR2_ADDR+AD_CONFIG)=0x442;

該設置確定ADIN0作為模擬信號輸入通道，采樣頻率設置為1/4系統(tǒng)總線時鐘頻率。當時鐘產生4095次翻轉時，系統(tǒng)產生一個軟件中斷（中斷號為63）。一次采樣結束，并將采樣結果存于ADVALUE寄存器（其地址為MBAR2_ADDR+0x406）。A/D轉換值可以用如下公式計算：

通常，A/D轉換需要連續(xù)采樣。采樣結果應存放在一個多訪問循環(huán)隊列MACQ（Multiple Access Circular Queue）中。

MACQ是一個定長有序的數(shù)據(jù)結構。源進程（生產者，ADC采樣程序）將數(shù)據(jù)存入MACQ，一旦初始化，MACQ總是滿的。當有新的數(shù)據(jù)被存入（PUT）MACQ，舊數(shù)據(jù)即被丟棄（如圖3）。應用進程（消費者）可以從MACQ中讀取任何數(shù)據(jù)。讀功能是非破壞性的，即讀操作不會改變MACQ。

在uClinux中，A/D轉換中斷程序的編寫方法是將A/D轉換器作為一個字符設備來處理。中斷程序是在linux/drivers/char目錄下編寫，其結構如下：

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊的設計

為了實現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)以Web方式顯示，需要選擇一個Web服務器。本文采用的Web服務器是BOA。在CGI程序中編寫一個函數(shù)讀取MACQ隊列中的數(shù)據(jù)并顯示。

主要有以下顯示模塊。

（1）編寫一個CGI程序

*編寫一個CGI的主程序main_cgi。

在主程序中需要讀取HTML頁面中的字符，并判斷應執(zhí)行那一個CGI程序。

（2）用HTML語言編寫一個主頁

在主面中應包含：

鍵接字符.

其中，flag的值是main_cgi用于判斷應執(zhí)行哪一個CGI程序的標志。

結語

本文描述了使用MCF5249微處理內部∑—ΔADC進行數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件設計方法。給出的MCF5249應用方案和具體的應用細節(jié)都已現(xiàn)場調試成功。MCF5249是一個性價比較好的微處理器，可以用于家庭網關、MP3和工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

作者：柯宗武 劉鐘情 湖北師范學院 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》2004年第7期