PIC單片機的遠程定時斷電復位系統(tǒng)設計

傅靖毅，伍群英

（北京化工大學 信息科學與技術學院，北京100029）

引 言

目前國家對煤炭、礦產、石化等能源行業(yè)的生產安全要求越來越高，在這些行業(yè)中存在大量在野外、高危地區(qū)的電子監(jiān)測設備，這些設備的長期穩(wěn)定工作對保障生產安全起著至關重要的作用［1］，一旦發(fā)生長時間系統(tǒng)死機現(xiàn)象，而維修人員又無法第一時間趕到，將帶來不可估量的損失［2］。目前電子設備的復位方式一般采用看門狗芯片或555定時器復位。看門狗復位的前提是微控制器的RESET引腳的內部電路必須正常工作，而555定時器復位時間由RC常數(shù)決定，無法做到設置任意復位周期［3］。所以有必要設計一種遠程復位周期可任意設置的定時斷電復位系統(tǒng)，對MCU進行徹底的定時斷電復位，以達到保障無人值守的電子檢測設備長期正常運行的效果，從而提高重點行業(yè)的安全生產能力，帶來社會效益［4］。

1 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)采用3層設計思路，服務器端上位機軟件發(fā)送復位周期參數(shù)設置命令，通過交換機將命令轉發(fā)往目標設備IP，設備收到命令后對其進行解析，提取命令報文中的復位周期參數(shù)，寫入DS1337芯片的相應字節(jié)中。本文設計的可程控定時斷電復位系統(tǒng)主要由以太網轉串口、MCU、電源、參數(shù)存儲和斷電復位5部分電路組成，整體硬件結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

以太網轉串口單元采用宇泰科技的UT450＿M芯片，該芯片集成TCP／IP協(xié)議棧，可同時支持RS232和RS485雙工模式，極大提高電路設計靈活性［5］。10M以太網的兩對差分輸入TX＋、TX－、RX＋、RX－經過透明傳輸后轉換成RS232串口信號，再經過MAX3232芯片轉換成PIC24系列單片機能接收的TTL 3.3V電平。圖中MAX3232的9和10引腳連單片機的16和15引腳。通信部分需要注意的是，由于上位機軟件是運行在Windows操作系統(tǒng)下，而 Windows的多任務處理機制有時會導致客戶端長時間等待，所以有必要采用串口通信的握手機制，因此 UT450＿M的RTS、CTS、DTR、DSR引腳需要和單片機的I／O口連接，用來傳遞握手信號，從而保證長時間的穩(wěn)定通信。通信模塊電路如圖2所示。

圖2 通信模塊電路圖

圖3 MCU部分電路圖

該系統(tǒng)選用了Microchip公司的16位單片機PIC24FJ128GA108［6］，本設計中 MCU部分的電路如圖3所示。

定時斷電復位電路主要由DS1337S芯片和74HC193芯片構成。電路中DS1337S芯片的引腳SCL、SDL連接系統(tǒng)I2C總線，引腳SQW連接74HC193的UP引腳，74HC193芯片的QC引腳連MAX1626芯片的SHDN引腳，DS1337S可在設定時間觸發(fā)計數(shù)器工作，控制電源關閉并在4s后重新開啟，從而完成CPU斷電復位。自動斷電復位模塊的電路圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

嵌入式系統(tǒng)的軟件采用MPLAB8.8IDE環(huán)境下C語言編程實現(xiàn)，主要實現(xiàn)的功能是串口通信數(shù)據(jù)接收、指令報文解析和DS1337S讀寫。串口通信程序設計了相應的錯誤檢測機制，能檢測出以下6種錯誤：超時錯誤、溢出錯誤、幀錯誤、奇偶校驗錯誤、接收字節(jié)數(shù)超范圍錯誤、LPC校驗錯誤，當發(fā)現(xiàn)錯誤后會執(zhí)行錯誤應答程序，向上位機返回相應的錯誤碼。下面以讀DS1337S為例介紹PIC24系列的I2C總線操作。

圖4 自動斷電復位模塊

串口接收終端的流程圖如圖5所示。

圖5 串口中斷函數(shù)流程圖

3 上位機軟件設計

上位機軟件部分采用VC＋＋6.0編寫，實現(xiàn)的功能是建立與目標設備的以太網連接，發(fā)送復位周期設計命令。軟件的以太網通信程序使用的是流式套接字（SOCK＿STREAM），利用 SOCKET API一些常用的API函數(shù)，實現(xiàn)了C／S通信模式。由于網絡延時等問題，可能會出現(xiàn)字節(jié)錯誤或者丟失，影響對數(shù)據(jù)的正常解析［7］。為了解決這種問題，在程序中加強容錯機制。通過對返回命令的命令碼、長度位、校驗位及結束位的驗證，判斷接收數(shù)據(jù)格式是否錯誤，若錯誤則重發(fā)命令，若重發(fā)三次命令之后返回數(shù)據(jù)格式仍然錯誤，則返回錯誤信息。若超過一定時間接收不到數(shù)據(jù)，返回相應的錯誤信息，避免程序陷入死循環(huán)。上位機軟件流程圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件流程圖

此外，還按不同功能設計了6種上位機與定時斷電復位系統(tǒng)之間的通信報文格式，包括設置復位周期、讀取復位周期、設置系統(tǒng)時間、讀取系統(tǒng)時間、設置ID號和讀取ID號，其中設置復位周期的命令報文格式如表1和表2所列。

表2中命令碼表示終端對參數(shù)調節(jié)命令的應答命令。RTAT值為0表示正常接收，0x01表示超時錯誤，0x02表示溢出錯誤，0x04表示幀錯誤，0x08表示奇偶校驗錯誤，0x10表示接收字節(jié)數(shù)超出最大范圍錯誤，0x20表示LPC校驗錯誤。

表1 設置定時斷電復位周期命令報文

表2 設置定時斷電復位周期的應答命令報文

結 語

本文針對用傳統(tǒng)的看門狗芯片和555定時器來實現(xiàn)電子設備復位功能存在較大的局限性這一問題，設計了一種基于PIC24FJ128GA108單片機的定時斷電復位系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過上位機軟件遠程發(fā)送復位周期指令來控制設備定時斷電復位的功能。經過燕山石化項目實際現(xiàn)場測試，設備運行穩(wěn)定，能有效保障重點行業(yè)的關鍵電子設備長時間正常運行，將帶來巨大社會和經濟效益。

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