基于MC9S12NE64的遠程故障診斷系統的設計

嵌入式遠程故障診斷系統將計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )及自動(dòng)化技術(shù)融為一體，實(shí)現對遠程設備進(jìn)行監測、協(xié)調和控制。要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化，就需要把微控制器(MCU)與以太網(wǎng)連接，并在設備上執行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)、內部結構和運行模式，并給出了其在遠程故障診斷系統中的應用。

1 系統硬件設計

1.1 主控芯片MC9S12NE64

基于單片機的以太網(wǎng)設備可以采用多芯片方案進(jìn)行設計，這類(lèi)以太網(wǎng)解決方案成本高、結構復雜、可靠性和穩定性都不理想。而針對以太網(wǎng)應用設計的高性能嵌入式處理器MC9S12NE64，具有優(yōu)化的指令系統，最高工作頻率高達50 MHz。圖1是MC9S12NE64的內部結構圖。

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

1.2 系統硬件設計原理

基于MC9S12NE64的遠程故障系統組成如圖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程故障診斷設備。通過(guò)故障診斷儀可以實(shí)現對遠程設備各個(gè)工作參數的測量與記錄，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：遠程故障診斷中心的1臺服務(wù)器可以連接1臺或幾臺故障診斷儀，主要負責遠程診斷平臺與故障診斷儀之間數據的傳送(將客戶(hù)端遠程故障診斷平臺傳送過(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)的數據傳送到客戶(hù)端)。
(3)客戶(hù)端：客戶(hù)端通過(guò)故障診斷中心遠程獲取故障診斷儀所測量的設備各類(lèi)參數，然后根據實(shí)際測量結果，對遠程設備運行出現的故障進(jìn)行診斷，維護遠程設備的正常運行。

2 系統軟件設計

2.1 故障診斷儀的以太網(wǎng)接入方案

一般嵌入式的應用對協(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場(chǎng)合數據采集終端的處理任務(wù)都是相對簡(jiǎn)單，并不需要操作系統。因此采用這種方案無(wú)疑對提高系統的整體性能更為有利[2]。

基于MC9S12NE64的特點(diǎn)是可以對協(xié)議棧進(jìn)行裁減。由于網(wǎng)絡(luò )部分主要負責數據傳輸，實(shí)現的HTTP等應用層協(xié)議并不是必須的。為了節省程序空間和保證程序運行的效率，可以進(jìn)行裁減，只保留核心協(xié)議，直接向應用程序提供服務(wù)。圖3是經(jīng)過(guò)裁減后的協(xié)議棧結構[3]。

2.2 遠程故障診斷儀的程序設計

遠程故障診斷儀實(shí)現對遠程設備各種工作參數的采樣和數據處理，將處理結果進(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，對遠程設備進(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 遠程故障診斷系統模塊設計

客戶(hù)端遠程故障診斷平臺主要包括：數據通信與處理、用戶(hù)管理、系統維護等模塊。

數據通信與處理模塊自動(dòng)對各故障診斷中心的數據進(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)中不停地檢測智能控制器的狀態(tài)，發(fā)現問(wèn)題后立即處理。對不能及時(shí)處理的問(wèn)題，及時(shí)發(fā)出警報信息并提醒管理人員處理。該模塊又可以把采集到的數據存儲在數據庫中，實(shí)現數據庫的各種查詢(xún)，對各種故障記錄存檔，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)器應該進(jìn)行用戶(hù)的身份鑒定和權限設置，用來(lái)區分管理專(zhuān)家和普通用戶(hù)。而系統維護模塊可以保證該系統的正常運行。

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