基于MC9S12NE64的遠程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

嵌入式遠程故障診斷系統(tǒng)將計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)及自動化技術(shù)融為一體，實現(xiàn)對遠程設(shè)備進行監(jiān)測、協(xié)調(diào)和控制。要實現(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。

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

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 主控芯片MC9S12NE64

基于單片機的以太網(wǎng)設(shè)備可以采用多芯片方案進行設(shè)計，這類以太網(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。而針對以太網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計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50 MHz。圖1是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)備之間進行雙工、同步串行通信。程序可以輪詢狀態(tài)標志或者通過中斷驅(qū)動SPI工作。內(nèi)部總線是雙線制、雙向串行總線，這可為兩個設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換提供一個簡單而有效的方法。IIC總線使連接設(shè)備實現(xiàn)最簡化，不需要使用地址譯碼器，該總線適用于大量設(shè)備之間短距離非頻繁性地通信時應(yīng)用。MC9S12NE64的靈活性允許附加設(shè)備連接到總線上以實現(xiàn)進一步的擴展和系統(tǒng)開發(fā)；其接口速率為100 Kb/s，最高可達時鐘的1/200[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

基于MC9S12NE64的遠程故障系統(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程故障診斷設(shè)備。通過故障診斷儀可以實現(xiàn)對遠程設(shè)備各個工作參數(shù)的測量與記錄，并且通過以太網(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(zé)遠程診斷平臺與故障診斷儀之間數(shù)據(jù)的傳送(將客戶端遠程故障診斷平臺傳送過來的命令傳回到故障診斷儀，并將故障診斷儀傳送過來的數(shù)據(jù)傳送到客戶端)。
(3)客戶端：客戶端通過故障診斷中心遠程獲取故障診斷儀所測量的設(shè)備各類參數(shù)，然后根據(jù)實際測量結(jié)果，對遠程設(shè)備運行出現(xiàn)的故障進行診斷，維護遠程設(shè)備的正常運行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 故障診斷儀的以太網(wǎng)接入方案

一般嵌入式的應(yīng)用對協(xié)議棧的完備性要求不是很高，因此可以選擇使用開放源代碼的免費協(xié)議棧。利用OpenTCP提供的一個在NE64上使用的協(xié)議棧，由于該協(xié)議棧針對NE64進行了優(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)場合數(shù)據(jù)采集終端的處理任務(wù)都是相對簡單，并不需要操作系統(tǒng)。因此采用這種方案無疑對提高系統(tǒng)的整體性能更為有利[2]。

基于MC9S12NE64的特點是可以對協(xié)議棧進行裁減。由于網(wǎng)絡(luò)部分主要負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，實現(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行的效率，可以進行裁減，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)過裁減后的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)[3]。

2.2 遠程故障診斷儀的程序設(shè)計

遠程故障診斷儀實現(xiàn)對遠程設(shè)備各種工作參數(shù)的采樣和數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果進行保存顯示，然后傳送到故障診斷中心。此外，還接收來自故障診斷中心發(fā)來的命令，對遠程設(shè)備進行實時診斷[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(tǒng)模塊設(shè)計

客戶端遠程故障診斷平臺主要包括：數(shù)據(jù)通信與處理、用戶管理、系統(tǒng)維護等模塊。

數(shù)據(jù)通信與處理模塊自動對各故障診斷中心的數(shù)據(jù)進行采集。在進行自動通信時，可以采用定時輪詢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(xiàn)問題后立即處理。對不能及時處理的問題，及時發(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(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的各種查詢，對各種故障記錄存檔，以便以后查詢和進行故障分析。

出于安全考慮，用戶管理模塊是必要的，服務(wù)器應(yīng)該進行用戶的身份鑒定和權(quán)限設(shè)置，用來區(qū)分管理專家和普通用戶。而系統(tǒng)維護模塊可以保證該系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計方案。MC9S12NE64芯片不僅可以用于遠程設(shè)備的診斷過程中，還適用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控器、銷售設(shè)備終端和家庭自動化等。