摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理控制已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。本文討論基于Web的MCF5249數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行討論。
引言
現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理控制已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。M2M（Machine to Machine）的網(wǎng)絡(luò)通信已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，而Web技術(shù)為工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了一種解決方案。本文從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面討論了摩托羅拉MCF5249處理器在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程Web表征。
由于這一系統(tǒng)面向廣義的過(guò)程，所以只要可獲得過(guò)程參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)過(guò)程行業(yè)的遠(yuǎn)程在線表征。特別是基于Web完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源無(wú)人工干預(yù)自動(dòng)獲取。其應(yīng)用將會(huì)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(chǔ)的高性能處理器，該處理器內(nèi)部集成了一個(gè)片內(nèi)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(méi)有MMU的微處理器設(shè)計(jì)的。且源泉代碼公開(kāi)，為降低成本和獲取軟件的自有產(chǎn)權(quán)提供了方便。當(dāng)然，uClinux不是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，為支持一般過(guò)程系統(tǒng)，可以通過(guò)一些補(bǔ)丁程序來(lái)提高其實(shí)時(shí)性，所以本文討論的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要應(yīng)用于一些實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
摩托羅拉MCF5249處理器內(nèi)部集成了一個(gè)片內(nèi)12位∑—ΔADC，它有四路輸入（ADIN0～ADIN3），任一時(shí)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(nèi)部，而模擬電壓比較器由外圍電路提供。A/D轉(zhuǎn)換的輸出引腳以脈寬調(diào)制的格式提供參考電壓，因此，該輸出需要一個(gè)外圍的阻容電路，將其轉(zhuǎn)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(fù)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(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，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(duì)輸入電壓進(jìn)行箝位。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
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(shí)時(shí)性，應(yīng)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(nèi)部ADC提供了一個(gè)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(guò)ADCONFIG寄存器可以設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器工作方式、采樣頻率、是否采用中斷方式等。下面給出設(shè)置ADCONFIG寄存器實(shí)例。
#define MBAR2_ADDR 0x8000000
#define AD_CONFIG 0x402
#define AD_VALUE 0x406
…………
//設(shè)置ADC
*(volatile unsigned short int *)(MBAR2_ADDR+AD_CONFIG)=0x442;
該設(shè)置確定ADIN0作為模擬信號(hào)輸入通道，采樣頻率設(shè)置為1/4系統(tǒng)總線時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)鐘產(chǎn)生4095次翻轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)軟件中斷（中斷號(hào)為63）。一次采樣結(jié)束，并將采樣結(jié)果存于ADVALUE寄存器（其地址為MBAR2_ADDR+0x406）。A/D轉(zhuǎn)換值可以用如下公式計(jì)算：
通常，A/D轉(zhuǎn)換需要連續(xù)采樣。采樣結(jié)果應(yīng)存放在一個(gè)多訪問(wèn)循環(huán)隊(duì)列MACQ（Multiple Access Circular Queue）中。
MACQ是一個(gè)定長(zhǎng)有序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。源進(jìn)程（生產(chǎn)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(dāng)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(yīng)用進(jìn)程（消費(fèi)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(huì)改變MACQ。
在uClinux中，A/D轉(zhuǎn)換中斷程序的編寫(xiě)方法是將A/D轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)字符設(shè)備來(lái)處理。中斷程序是在linux/drivers/char目錄下編寫(xiě)，其結(jié)構(gòu)如下：
2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)以Web方式顯示，需要選擇一個(gè)Web服務(wù)器。本文采用的Web服務(wù)器是BOA。在CGI程序中編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)讀取MACQ隊(duì)列中的數(shù)據(jù)并顯示。
主要有以下顯示模塊。
（1）編寫(xiě)一個(gè)CGI程序
*編寫(xiě)一個(gè)CGI的主程序main_cgi。
在主程序中需要讀取HTML頁(yè)面中的字符，并判斷應(yīng)執(zhí)行那一個(gè)CGI程序。
（2）用HTML語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)主頁(yè)
在主面中應(yīng)包含：
其中，flag的值是main_cgi用于判斷應(yīng)執(zhí)行哪一個(gè)CGI程序的標(biāo)志。
結(jié)語(yǔ)
本文描述了使用MCF5249微處理內(nèi)部∑—ΔADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。給出的MCF5249應(yīng)用方案和具體的應(yīng)用細(xì)節(jié)都已現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試成功。MCF5249是一個(gè)性價(jià)比較好的微處理器，可以用于家庭網(wǎng)關(guān)、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(xué)院 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2004年第7期