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數據采集系統設計分析論文

摘要：隨著網絡技術發展和市場需求的變化，工業設備實現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數據采集系統的設計方法，并從硬件設計和軟件設計兩方面進行討論。

關鍵詞：MCF5249uClinuxWeb數據采集

引言

現在嵌入式系統的應用越來越廣泛。隨著網絡技術發展和市場需求的變化，工業設備實現網絡化管理控制已經成為一種必然趨勢。M2M（MachinetoMachine）的網絡通信已成為國內外研究熱點，而Web技術為工業設備實現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處理器在數據采集方面的應用，并實現了采集數據的遠程Web表征。

由于這一系統面向廣義的過程，所以只要可獲得過程參數，就能實現過程行業的遠程在線表征。特別是基于Web完成實時數據庫生成，真正實現遠程集群系統的數據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ColdFire32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，可用于工業數據采集。且數據采集系統基于嵌入式操作系統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，為支持一般過程系統，可以通過一些補丁程序來提高其實時性，所以本文討論的數據采集系統主要應用于一些實時性要求不高的場合。

1數據采集系統的硬件設計

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。數據采集系統的硬件原理圖如圖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數據采集系統的軟件設計

數據采集系統的軟件設計主要分為兩大模塊，即數據采集模塊與數據顯示模塊。

2.1數據采集模塊的設計

數據采集模塊是系統的核心模塊，為了提高數據采集的實時性，應采用中斷方式完成數據采集。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。

#defineMBAR2_ADDR0x8000000

#defineAD_CONFIG0x402

#defineAD_VALUE0x406

…………

//設置ADC

*(volatileunsignedshortint*)(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系統總線時鐘頻率。當時鐘產生4095次翻轉時，系統產生一個軟件中斷（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：

Vi=(X/(2n-1))×Vfullscate

其中，Vi為ADC的輸入電壓；Vfullscate為滿量程輸入電壓；

X為ADC輸出的數字量；

n為ADC的位數。

A/D轉換的結果在中斷處理程序中讀取。讀取一次轉換的程序代碼如下：

Volatileunsignedshortintm;

m=*(volatileunsignedshortint*)(MBAR2_ADDR+AD_VALUE);

通常，A/D轉換需要連續采樣。采樣結果應存放在一個多訪問循環隊列MACQ（MultipleAccessCircularQueue）中。

MACQ是一個定長有序的數據結構。源進程（生產者，ADC采樣程序）將數據存入MACQ，一旦初始化，MACQ總是滿的。當有新的數據被存入（PUT）MACQ，舊數據即被丟棄（如圖3）。應用進程（消費者）可以從MACQ中讀取任何數據。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：*file:m5249_adirq.c

#include<linux/interrupt.h>

#include<asm/irq.h>

#defineADC_IRQ(128+63)//定義中斷號

#defineMBAR2_ADDR0x8000000

#defineAD_CONFIG0x402

#defineAD_VALUE0x406

/*定義中斷處理函數*/

voidadirq_interrupt(intirq,void*d,structpt_regs*regs){

在此讀取A/D轉換的值并存入隊列中。

}

/*設備初始化函數*/

intadirq_init(){

intresult;

unsignedshortadc_irq;

adc_irq=ADC_IRQ;

result=request_irq(adc_irq,&adirq_interrupt,SA_INTERRUPT,5249_adirqNULL);//注冊中斷

if(result==-1)

{printk(“Can''''tgetassigned%d”adc_irq);

returnresult;}

return0;

}

中斷服務程序的添加方法如下：

①編輯uClinux/drivers/char目錄下的mem.c，添加“adirq_init();”;

②編輯此目錄下的Makefile加入“obj-y+=m5249_adirq.o”;

③編譯（make）。

2.2數據顯示模塊的設計

為了實現采集到的數據以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讀取MACQ隊列中的數據并顯示。

主要有以下顯示模塊。

（1）編寫一個CGI程序

*編寫一個讀取MACQ隊列中數值的函

readFromMacq()。

*編寫一個生成動態HTML頁面的函數show()。

Voidshow_t(){

……

printf("Content-type:text/html");

prinft{"

<html>

<head>

<metahttp-equiv=pragmacontent=no-cache><metahttpequiv=expirecontent=now>

</head>

<body>");

在此將MACQ中的數據讀出，假設值賦給變量n

prinft("<center")Thevalueis%x!</center>

</body>

</html>",n);

}

*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：

<ahref=/cgi-bin/main_cgi.cgi?flag=10target=main>鍵接字符</a>.

其中，flag的值是main_cgi用于判斷應執行哪一個CGI程序的標志。

結語

本文描述了使用MCF5249微處理內部∑—ΔADC進行數據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都已現場調試成功。MCF5249是一個性價比較好的微處理器，可以用于家庭網關、MP3和工業數據采集系統。

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