基于MC9S12NE64的远程故障诊断系统的设计

嵌入式远程故障诊断系统将计算机、通信、网络及自动化技术融为一体，实现对远程设备进行监测、协调和控制。要实现网络化，就需要把微控制器(MCU)与以太网连接，并在设备上执行TCP/IP协议堆栈。Freescale Semiconductor公司开发的MC9S12NE64是集成了单片处理器、常用接口和以太网控制器(含TCP/IP网络协议)的单一芯片。MC9S12NE64凭借丰富的以太网连接功能，可以提供功能齐全的以太网连接。

本文简要介绍了MC9S12NE64的主要特点、内部结构和运行模式，并给出了其在远程故障诊断系统中的应用。

1 系统硬件设计

1.1 主控芯片MC9S12NE64

基于单片机的以太网设备可以采用多芯片方案进行设计，这类以太网解决方案成本高、结构复杂、可靠性和稳定性都不理想。而针对以太网应用设计的高性能嵌入式处理器MC9S12NE64，具有优化的指令系统，最高工作频率高达50 MHz。图1是MC9S12NE64的内部结构图。

片内集成的串行通信接口(SCI)允许外围设备和其他设备之间进行异步串行通信。而串行外围设备接口(SPI)允许MCU和外围设备之间进行双工、同步串行通信。程序可以轮询状态标志或者通过中断驱动SPI工作。内部总线是双线制、双向串行总线，这可为两个设备之间进行数据交换提供一个简单而有效的方法。IIC总线使连接设备实现最简化，不需要使用地址译码器，该总线适用于大量设备之间短距离非频繁性地通信时应用。MC9S12NE64的灵活性允许附加设备连接到总线上以实现进一步的扩展和系统开发；其接口速率为100 Kb/s，最高可达时钟的1/200[1]。

1.2 系统硬件设计原理

基于MC9S12NE64的远程故障系统组成如图2所示。

图中各部分功能如下：

(1)故障诊断仪：以MC9S12NE64为核心、具有网络通信功能的智能化远程故障诊断设备。通过故障诊断仪可以实现对远程设备各个工作参数的测量与记录，并且通过以太网传送到故障诊断中心。
(2)故障诊断中心：远程故障诊断中心的1台服务器可以连接1台或几台故障诊断仪，主要负责远程诊断平台与故障诊断仪之间数据的传送(将客户端远程故障诊断平台传送过来的命令传回到故障诊断仪，并将故障诊断仪传送过来的数据传送到客户端)。
(3)客户端：客户端通过故障诊断中心远程获取故障诊断仪所测量的设备各类参数，然后根据实际测量结果，对远程设备运行出现的故障进行诊断，维护远程设备的正常运行。

2 系统软件设计

2.1 故障诊断仪的以太网接入方案

一般嵌入式的应用对协议栈的完备性要求不是很高，因此可以选择使用开放源代码的免费协议栈。利用OpenTCP提供的一个在NE64上使用的协议栈，由于该协议栈针对NE64进行了优化，能更好地利用处理器的特性，有效地提高了协议栈的处理效率。而且由于在绝大多数场合数据采集终端的处理任务都是相对简单，并不需要操作系统。因此采用这种方案无疑对提高系统的整体性能更为有利[2]。

基于MC9S12NE64的特点是可以对协议栈进行裁减。由于网络部分主要负责数据传输，实现的HTTP等应用层协议并不是必须的。为了节省程序空间和保证程序运行的效率，可以进行裁减，只保留核心协议，直接向应用程序提供服务。图3是经过裁减后的协议栈结构[3]。

2.2 远程故障诊断仪的程序设计

远程故障诊断仪实现对远程设备各种工作参数的采样和数据处理，将处理结果进行保存显示，然后传送到故障诊断中心。此外，还接收来自故障诊断中心发来的命令，对远程设备进行实时诊断[4]。故障诊断仪程序流程如图4所示：

2.3 远程故障诊断系统模块设计

客户端远程故障诊断平台主要包括：数据通信与处理、用户管理、系统维护等模块。

数据通信与处理模块自动对各故障诊断中心的数据进行采集。在进行自动通信时，可以采用定时轮询或者故障诊断中心主叫的方式，即在主循环中不停地检测智能控制器的状态，发现问题后立即处理。对不能及时处理的问题，及时发出警报信息并提醒管理人员处理。该模块又可以把采集到的数据存储在数据库中，实现数据库的各种查询，对各种故障记录存档，以便以后查询和进行故障分析。

出于安全考虑，用户管理模块是必要的，服务器应该进行用户的身份鉴定和权限设置，用来区分管理专家和普通用户。而系统维护模块可以保证该系统的正常运行。

本文利用MC9S12NE64芯片的特性，提出了远程故障诊断系统的设计方案。MC9S12NE64芯片不仅可以用于远程设备的诊断过程中，还适用于工业控制、环境监控器、销售设备终端和家庭自动化等。