基于MC9S12NE64的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何俊穎，王海瑞，袁成文，李衛(wèi)林

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650051)

嵌入式遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化技術(shù)融為一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，就需要把微控制器(MCU)與以太網(wǎng)連接，并在設(shè)備上執(zhí)行TCP/IP協(xié)議堆棧。Freescale Semiconductor公司開(kāi)發(fā)的MC9S12NE64是集成了單片處理器、常用接口和以太網(wǎng)控制器(含TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)的單一芯片。MC9S12NE64憑借豐富的以太網(wǎng)連接功能，可以提供功能齊全的以太網(wǎng)連接。

本文簡(jiǎn)要介紹了MC9S12NE64的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式，并給出了其在遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主控芯片MC9S12NE64

基于單片機(jī)的以太網(wǎng)設(shè)備可以采用多芯片方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，這類(lèi)以太網(wǎng)解決方案成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性和穩(wěn)定性都不理想。而針對(duì)以太網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能嵌入式處理器MC9S12NE64，具有優(yōu)化的指令系統(tǒng)，最高工作頻率高達(dá)50 MHz。圖1是MC9S12NE64的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 MC9S12NE64的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

片內(nèi)集成的串行通信接口(SCI)允許外圍設(shè)備和其他設(shè)備之間進(jìn)行異步串行通信。而串行外圍設(shè)備接口(SPI)允許MCU和外圍設(shè)備之間進(jìn)行雙工、同步串行通信。程序可以輪詢(xún)狀態(tài)標(biāo)志或者通過(guò)中斷驅(qū)動(dòng)SPI工作。內(nèi)部總線(xiàn)是雙線(xiàn)制、雙向串行總線(xiàn)，這可為兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換提供一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法。IIC總線(xiàn)使連接設(shè)備實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)化，不需要使用地址譯碼器，該總線(xiàn)適用于大量設(shè)備之間短距離非頻繁性地通信時(shí)應(yīng)用。MC9S12NE64的靈活性允許附加設(shè)備連接到總線(xiàn)上以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的擴(kuò)展和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；其接口速率為100 Kb/s，最高可達(dá)時(shí)鐘的1/200[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

基于MC9S12NE64的遠(yuǎn)程故障系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖中各部分功能如下：

(1)故障診斷儀：以 MC9S12NE64為核心、具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的智能化遠(yuǎn)程故障診斷設(shè)備。通過(guò)故障診斷儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備各個(gè)工作參數(shù)的測(cè)量與記錄，并且通過(guò)以太網(wǎng)傳送到故障診斷中心。

(2)故障診斷中心：遠(yuǎn)程故障診斷中心的1臺(tái)服務(wù)器可以連接1臺(tái)或幾臺(tái)故障診斷儀，主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)與故障診斷儀之間數(shù)據(jù)的傳送(將客戶(hù)端遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)傳送過(guò)來(lái)的命令傳回到故障診斷儀，并將故障診斷儀傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到客戶(hù)端)。

(3)客戶(hù)端：客戶(hù)端通過(guò)故障診斷中心遠(yuǎn)程獲取故障診斷儀所測(cè)量的設(shè)備各類(lèi)參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，維護(hù)遠(yuǎn)程設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 故障診斷儀的以太網(wǎng)接入方案

一般嵌入式的應(yīng)用對(duì)協(xié)議棧的完備性要求不是很高，因此可以選擇使用開(kāi)放源代碼的免費(fèi)協(xié)議棧。利用OpenTCP提供的一個(gè)在NE64上使用的協(xié)議棧，由于該協(xié)議棧針對(duì)NE64進(jìn)行了優(yōu)化，能更好地利用處理器的特性，有效地提高了協(xié)議棧的處理效率。而且由于在絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)據(jù)采集終端的處理任務(wù)都是相對(duì)簡(jiǎn)單，并不需要操作系統(tǒng)。因此采用這種方案無(wú)疑對(duì)提高系統(tǒng)的整體性能更為有利[2]。

基于MC9S12NE64的特點(diǎn)是可以對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行裁減。由于網(wǎng)絡(luò)部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)的HTTP等應(yīng)用層協(xié)議并不是必須的。為了節(jié)省程序空間和保證程序運(yùn)行的效率，可以進(jìn)行裁減，只保留核心協(xié)議，直接向應(yīng)用程序提供服務(wù)。圖3是經(jīng)過(guò)裁減后的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)[3]。

2.2 遠(yuǎn)程故障診斷儀的程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程故障診斷儀實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備各種工作參數(shù)的采樣和數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果進(jìn)行保存顯示，然后傳送到故障診斷中心。此外，還接收來(lái)自故障診斷中心發(fā)來(lái)的命令，對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷[4]。故障診斷儀程序流程如圖4所示：

2.3 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

客戶(hù)端遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)主要包括：數(shù)據(jù)通信與處理、用戶(hù)管理、系統(tǒng)維護(hù)等模塊。

數(shù)據(jù)通信與處理模塊自動(dòng)對(duì)各故障診斷中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在進(jìn)行自動(dòng)通信時(shí)，可以采用定時(shí)輪詢(xún)或者故障診斷中心主叫的方式，即在主循環(huán)中不停地檢測(cè)智能控制器的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后立即處理。對(duì)不能及時(shí)處理的問(wèn)題，及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息并提醒管理人員處理。該模塊又可以把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種查詢(xún)，對(duì)各種故障記錄存檔，以便以后查詢(xún)和進(jìn)行故障分析。

出于安全考慮，用戶(hù)管理模塊是必要的，服務(wù)器應(yīng)該進(jìn)行用戶(hù)的身份鑒定和權(quán)限設(shè)置，用來(lái)區(qū)分管理專(zhuān)家和普通用戶(hù)。而系統(tǒng)維護(hù)模塊可以保證該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本文利用MC9S12NE64芯片的特性，提出了遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。MC9S12NE64芯片不僅可以用于遠(yuǎn)程設(shè)備的診斷過(guò)程中，還適用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控器、銷(xiāo)售設(shè)備終端和家庭自動(dòng)化等。

[1]陳剛.16位單片機(jī)MC9S12NE64的應(yīng)用與參考設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件，2005(6).

[2]趙仕俊，李素俠.基于 MC9S12NE64的嵌入式 Web服務(wù)器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2006(12).

[3]Freescale Semiconductor.AN2836 Web server development with MC9S12NE64 and openTCP[S].2009.

[4]李睿，黃守道，吳桂清.單芯片以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)及其在電氣自動(dòng)化中應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26(11).