基于PowerPC的模拟量输入接口扩展

The Analog Input Expansion Based on the PowerPC

摘要：介绍了PowerPC集成主处理器MPC8349E的性能特点。介绍了模数转换（A/D）接口芯片MAX197的结构功能。设计了模拟量输入接口扩展的硬件连接，并在硬件平台基础上进行了驱动程序的软件开发。

关键字：PowerPC；模数转换；驱动程序

Abstract: The performance and characteristics of the PowerPC integrated host processor MPC8349 are introduced .Also the structure and function of the A/D chip MAX197 is introduced.The hardware of the analog input interface expansion is designed，and the driver software based on the hardware platform is developed.

Key words: PowerPC ; A/D; Driver software

数据采集技术是信息科学的重要分支，是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术的结合。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等转换为数字信号，再传送到计算机作进一步处理的这一过程，即“数据采集”。数据采集已在工农业、医药卫生、生态环保、航空航天、军事、气象等领域得到了广泛的应用。可以通过对信号的测量、处理、控制及管理，实现测、控、管的自动化与系统化。模拟量输入接口（A/D）是采集系统的重要的组成部分。

1 MPC8349E系列嵌入式集成主处理器

1.1 处理器性能特点

Power.org™定义的Power™体系结构为广泛的处理器提供了技术基础，包括高端服务器芯片，以及到为计算机、手持设备和网络产品设计的PowerPC处理器。
MPC8349处理器是飞思卡尔半导体公司生产的基于Power™体系结构的嵌入式SoC。MPC8349的集成度非常高，除了一个高性能的E300核外，还包括DDR2控制器、两个32位PCI控制器、两个10/100/1000以太网控制器、安全引擎、USB控制器以及其他一些嵌入式应用需要的UART、I2C、GPIO等接口，被广泛应用于网络通讯领域、SOHO NAS、CPE、网关和交换机产品，打印机和复印机等产品，以及嵌入式计算和工业控制领域。MPC8349处理器支持扩大的运行温度范围，其指令与Power™体系结构的其他产品兼容，并提供比较广泛的开发工具支持。

1.2 MPC8349E局部总线（LBC）

局部总线控制器是本系统中CPU与A/D转换芯片的接口，该控制器提供了到多种类型存储设备和外部设备的无缝接口。该控制器负责控制八个存储体(bank)，这八个存储体由一个高性能的SDRAM、一个GPCM和可多达三个的UPMs所共享。因此它支持到SDRAM、SRAM、EPROM、flash EPROM、可突发RAM、常规DRAM设备、扩展数据输出DRAM设备和其他一些外部设备的最小粘结逻辑接口。外部地址锁存信号（LALE）允许地址和数据信号的多路复用，减少信号数量。可以很方便地支持用户自定义的存储或者类似的外设。

2 A/D转换芯片MAX197

作为一种基本电路， A/D转换广泛应用于数据采集与信号测量中。A/D转换芯片有并行、串行两种，精度从8位到24位，存在多个等级。其中12位的MAX197 是性能比较优越的一款， 接口简单，转换速度快，操作容易，精度能够满足多数信号测量和工业控制场合。

2.1 MAX197 结构特点
MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程( ±10V、±5V、0～10V、0～5 V)、8通道、12位精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据I/O口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTL/CMOS电平兼容，仅需要一个+5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计。

2.2 MAX197 的控制字
如图1所示，MAX197控制字的PD1、PD0这两位选择时钟和低功耗模式；ACQMOD为0表示内部控制采集，ACQMOD为1表示外部控制采集；RNG选择输入端的满量程电压范围；BIP选择单极性、双极性转换模式；A2、A1和A0用于选择多路输入通道的地址。在VEF=4.096V时，MAX197通过软件设置控制字节的D3、D4位，可选择输入量程为±10V、±5V、0～10V和0～5V。

2.3 MAX197 的管脚功能
MAX197有28个管脚， 管脚图如图2所示。

图2中REF控制满量程输入电压大小。在REFADJ管脚加外部基准电压后，MAX197多量程A/D 转换器VREF =1.6384×VREFADJ(2.4V<VREF<4.18V)。输入通道的过压保护为±16.5V，即使芯片处于低功耗工作模式，这种防护也有效。VDD=0V 时，输入阻抗网络所具有的电流限制足以保护器件。数字接口输入和输出数据在三态并行口上是复用的，这些并行I/O口可以很容易地和处理器接口。与处理器相应控制管脚相连进行读写操作。通过对芯片进行写操作可把控制字节存入芯片。输出数据在单极性模式下是二进制格式。MAX197可以以内部或外部时钟模式工作。一旦选择了所要求的时钟模式，改变这些位编程选择低功耗模式时，不会影响时钟模式。刚上电时，选择外部时钟模式。在CLK管脚和地之间接一个100pF的电容，可产生1.56MHz频率的内部时钟。外部时钟要求100kHz～2MHz之间。

3 硬件结构

MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种处理器接口，本系统通过MPC8349E的局部总线与MAX197连接。硬件结构如图3所示。图3中使局部总线的LBD7～LBD0与MAX197的D0～D7相连。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN管脚为高电平，本系统采用内部基准电压，所以REF、REFADJ管脚均通过电容接地。用一路片选信号线做读高、低位数据的选择线， 直接与HBEN管脚相连，因而采用读不同地址的方式分别读取低8位和高4位数据。MAX197的INT管脚与系统的INT相连，作为转换识别信号，当数据转换完毕时，MAX197的INT脚产生中断信号，从而使处理器进入中断处理程序进行一路转换数据的读入操作。

4 驱动软件设计

设备驱动程序是应用程序和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

本系统采用Linux操作系统，需要编制Linux下的设备驱动程序。A/D转换设备用作为字符设备，而字符设备驱动程序具有比较固定的结构，即将设备抽象成文件来进行操作，因此要在驱动程序实现Open、Close、Write、Read和Ioctl等操作，其中Ioctl对于执行各种类型的硬件控制应用比较方便，其在内核中的原型为

int(*ioctl)(struct inode *inode，
struct file *filp，
unsigned int cmd，
unsigned long arg);

A/D转换的驱动程序主要是实现了这个函数。其中cmd用来传递通道序号，arg传递指向用户空间的一个指针，用来返回A/D转换结果。

当写入控制字开始转换后，处理器进入其它工作状态，直到转换完成产生中断，处理器在ioctl中读取A/D转换结果，并调用put_user(datum，ptr)宏函数将该结果传递到用户空间。Ioctl函数的流程图如图4所示

用户程序实现数据采集需要先打开设备文件，分配数据空间，决定A/D转换通道序号，然后调用ioctl实现A/D转换并得到结果。
当对MAX197 的控制字开始写操作时，转换就开始了。写操作将选择多路通道，并确定MAX197的输入范围是单极性还是双极性。一个写脉冲( )可以开始一次采集，或者对采样进行初始化并开始转换。对任何时钟模式和采集模式，转换间隔都延时12个时钟周期。若在转换周期写一个新的控制字节将使转换失效， 并启动方式可以更精确地控制采样间隔和转换。在这种方式下，用户通过2个写脉冲控制采集和启动转换。在第一写脉冲中，要使ACQMOD 位=1，它将启动一次采集开始。在第二个写脉冲中，要使ACQMOD 位=0，在 的上升沿开始转换并结束采集。在发第一和第二个写脉冲时， 多路输入通道的地址位值必须一样。在第二个写脉冲中， 低功耗模式位( PD0、PD1)可以设一个新值。当转换结束产生一个正确的结果时，芯片发出一个标准的中断信号INT给处理器。在第一个读周期或者写一个新控制字节时，INT就变为高电平。

5 结束语

基于PowerPC8349E系列处理器扩展了多路A/D转换通道，可以进行数据采集，其采集精度达到了转换芯片的指标。模拟量输入通道的扩展可以使该处理器在测量、控制等更多领域得到应用。

本文创新点：本文基于PowerPC8349E系列处理器扩展了多路A/D转换通道，使得通常用于通讯领域的该系列处理器可以应用于测量、控制等更多领域

参考文献：
[1] 李大庆，段建民，綦慧江，存胜高.速数据采集处理系统的设计和实现[J]. 微计算机信息. 2006年第22卷第7-2期:191-193.
[2] 谷重阳,汪渤,龙殊颖.并行模数转换器ADS8364与TMS320F2812的接口设计[J]. 微计算机信息.2006年第22卷第1-2期:137-139.
[3] MPC8349E PowerQUICCTM II Pro集成式主处理器系列参考手册[S]。飞思卡尔半导体有限公司，2005。
[4] 孙天泽.嵌入式设计及Linux驱动开发指南[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[5] 刘乐善. 微型计算机接口技术及应用[M]. 武汉:华中理工大学出版社,2000.
[6] 肖忠祥. 数据采集原理[M]. 西安：西北工业大学出版社，2001.


作者简介：曹海建(1982-)，男(汉族)，山东省人，北京理工大学硕士研究生，主要从事智能控制研究。
通讯地址：（100081 北京理工大学信息科学技术学院自动控制系）高岩