基于MCU的高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

趙晨征，吳永強(qiáng)

（國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心（保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院），河北 保定 071000）

基于MCU的高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

趙晨征，吳永強(qiáng)

（國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心（保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院），河北 保定 071000）

基于對用戶使用產(chǎn)品質(zhì)量保證的目的，本文采取了對MCU軟件系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，通過對MC9S12NE64單片機(jī)進(jìn)行初始化模塊、系統(tǒng)模塊診斷與數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)故障診斷與處理的方法，結(jié)合ADS7844模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對軟件避錯設(shè)計(jì)和容錯設(shè)計(jì)路線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出MCU高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案。為今后的MUC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究以及類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供參考。

MCU；高可靠性；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息技術(shù)給人們生活帶來了極大的便利,人們的生活和工作已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化,尤其是現(xiàn)代企業(yè)管理中,已經(jīng)大量使用數(shù)字化采集系統(tǒng),嵌入式軟件在行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣泛,發(fā)揮著重要的作用,其規(guī)模和重要性已經(jīng)不容忽視。而在長期使用過程中,人們對系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。隨著實(shí)踐研究的不斷深入,人們開發(fā)一種基于MCU的高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該軟件系統(tǒng)應(yīng)用各種軟件設(shè)計(jì)和方法技術(shù),使程序設(shè)計(jì)在兼顧用戶的同時,還能滿足各種需求,全面滿足軟件的可靠性要求[1],得到人們的青睞。下面將針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述和分析。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的基本構(gòu)架

本文研究使用MC9S12NE64單片機(jī),相結(jié)合ADS7844模數(shù)轉(zhuǎn)換器,完成數(shù)據(jù)采集與處理工作,其基本構(gòu)成包括：數(shù)據(jù)采集中心,首先數(shù)據(jù)信息由模擬量輸入信號,經(jīng)過數(shù)據(jù)傳感器調(diào)解后,通過多路徑開關(guān)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換,CPU通過SPI接口采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù),經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸進(jìn)入DCS,通過LED燈現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài),以便實(shí)時監(jiān)測。為了及時了解通道狀態(tài)信息,在系統(tǒng)中添加SPI接口發(fā)送通道診斷信號,通過DAC采集診斷信號,輸出信號。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本構(gòu)成框架Fig.1 Data acquisition system basic composition framework

2 基于MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心技術(shù)是避錯和容錯技術(shù)。避錯技術(shù)主要是防范。根據(jù)GJB-102-2005規(guī)定,本次研究的系統(tǒng)設(shè)計(jì)依照MISRA-C國標(biāo)進(jìn)行編程,系統(tǒng)安全系統(tǒng)C編程規(guī)范的單一高級語言編碼方式[2]。結(jié)合設(shè)計(jì)基本原理,軟件采用固定周期單任務(wù)處理,無操作自動化系統(tǒng),無需中斷,全程靜態(tài)內(nèi)存

分配任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)置為默認(rèn)下載MC9S12NE64片內(nèi)FLASH儲存器,采用周期順序結(jié)構(gòu),自定義網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為唯一認(rèn)定通信方式。編譯工具采用CodeWarriorIDE4.6系統(tǒng),代碼小于64K Byte,對于可讀磁盤的內(nèi)存需求為8K Byte。系統(tǒng)軟件整體為強(qiáng)內(nèi)聚,弱耦合。現(xiàn)將整體模塊分為3大塊,下文將展開詳細(xì)介紹。

3 基于MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本次研究主要分為3大模塊,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊功能和運(yùn)行流程圖Fig.2 System module function and operation flow chart

3.1 初始化模塊

整個軟件系統(tǒng)中,重要的設(shè)計(jì)是容錯技術(shù),通過全面自動檢測和故障處理來提升系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)的初始化,即啟動后自動初始化,此時設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行的環(huán)境和條件。初始化MCU的硬件資源包括時鐘頻率選擇,計(jì)數(shù)器的初始化,I2C接口的初始化等,全部清零。初始化部分包括[3]：芯片的片選管腳、看門狗控制管腳以及其他電源控制等部分。本系統(tǒng)時鐘頻率設(shè)定為25 MHz。初步設(shè)定的運(yùn)行模式為用戶普通擴(kuò)張方式；SPI接口與CPU對接,芯片配置時,應(yīng)該使用寫控制字的方法,設(shè)定參數(shù)后方可啟動。初始化即完成系統(tǒng)整個模塊運(yùn)行的技術(shù)參數(shù),當(dāng)初始化工作完成之后,將進(jìn)入周期運(yùn)行模塊。

3.2 系統(tǒng)模塊診斷及數(shù)據(jù)采集

周期運(yùn)行階段是整個數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)中的核心部分,包括：數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)自動化檢測、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)自我檢測的設(shè)備主要是板卡,能檢測系統(tǒng)故障問題,并且能根據(jù)任務(wù)周期,判斷是否超時,如果超市,可以選擇停止運(yùn)行[4]。周期運(yùn)行階段的核心工作內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集和處理,該部分直接關(guān)系著系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性。為了保證系統(tǒng)時間的確定性,更加便于系統(tǒng)周期控制操作,可在系統(tǒng)中添加硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制,以獲得當(dāng)前的運(yùn)行時間。

根據(jù)圖2,根據(jù)狀態(tài)欄的診斷,獲取下行幀的數(shù)據(jù),對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)LINK的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行處理；CPU的自我診斷主要是針對ALU實(shí)現(xiàn)的操作。整個診斷過程都是測試計(jì)數(shù)是否正常,通過對比不同時間的標(biāo)識,判斷其變化,看門狗的診斷主要是在測試固定周期內(nèi),是否有約定的電平變化,確定看門狗的狀態(tài)。RAM的診斷是完成輸出和輸入的操作,根據(jù)讀取的結(jié)果判斷是否正確。

通道數(shù)據(jù)采集由CPU通過SPI接口讀取通道ADC芯片采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn),芯片讀取數(shù)據(jù)后寄存器實(shí)現(xiàn)操作,采集所有數(shù)據(jù),完成系統(tǒng)核心和主要工作。完成數(shù)據(jù)采集之后,根據(jù)采集的數(shù)據(jù),系統(tǒng)進(jìn)入自動數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié),即能依據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議打包并通過以太網(wǎng)接口傳輸信號。此時,為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的速度,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?可以使用自定義協(xié)議輸出。整個采集過程中,自動無操作協(xié)議發(fā)揮這重要的作用,無同步信號,不做任何處理。協(xié)議以點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式,避免對通道信號產(chǎn)生不良的影響。接收信號之后進(jìn)行初步過濾,不做任何處理,不影響通信繼續(xù)進(jìn)行。具體采集驅(qū)動試驗(yàn)如下：

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成,對數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。驅(qū)動程序采用Linux系統(tǒng),包括3大程序,即設(shè)定字符、模塊設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Linux操作以文件夾作為字符設(shè)備,詳細(xì)步驟如下：

聲明設(shè)備結(jié)構(gòu)體,封裝全局變量,設(shè)定如下：

根據(jù)structADC-DEV設(shè)定,結(jié)構(gòu)變量為dev,以fileoprations為結(jié)構(gòu)體,Linux內(nèi)核文件構(gòu)成一個數(shù)據(jù)系統(tǒng),把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關(guān)聯(lián),每一個驅(qū)動程序編寫一個代碼,在結(jié)構(gòu)初始化時,賦值空指針為NULL完成一次數(shù)據(jù)采集,獲得變量賦值：

將adc-opeen作為用戶進(jìn)程,open系統(tǒng)調(diào)用時,被調(diào)用函數(shù)中獲取4個子函數(shù)。數(shù)據(jù)驅(qū)動采集輸出和輸入,完成讀寫處理,獲得用戶信息。

3.3 系統(tǒng)故障診斷與處理

系統(tǒng)故障診斷與處理是在初始化到運(yùn)行的過程中,實(shí)現(xiàn)跟蹤式動態(tài)檢測,系統(tǒng)故障及時檢測和處理,是保證可靠性的前提。整個系統(tǒng)中,LED燈是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要設(shè)備。通過觀察指示燈的變化情況,分別判斷系統(tǒng)正常運(yùn)行與否。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,指示燈熄滅；反之,亦然。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,系統(tǒng)的通道電源將自動閉合,并將故障信息提交、上報(bào)到中心,將故障寫入系統(tǒng)日志,為后期診斷和故障處理提供重要

的參考依據(jù)。

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架中,每一個模塊都發(fā)揮著不同的作用,功能各異,任何一個部分發(fā)生故障問題,都會影響數(shù)據(jù)采集的可靠性。所以,為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,應(yīng)該確保每一個模塊功能的正常。那么,要求我們設(shè)計(jì)人員一定要提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案,以提高系統(tǒng)的可靠性。

4 高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,主要依靠容錯技術(shù),使用軟件和影響,提高整個的可靠性。目前系統(tǒng)多使用雙MAC地址的方案,滿足熱備冗余設(shè)計(jì)的處理要求。

圖3 系統(tǒng)冗余計(jì)算流程圖Fig.3 System redundant calculation flow chart

由圖3可知,系統(tǒng)中冗余設(shè)計(jì)主要是通過兩個接口,分別從不同的CSS連接,獲得冗余的信息。基于MCU與通信模塊,可以分別對兩個接口進(jìn)行對接處理。

MCU系統(tǒng)使用16bits地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線通過CPLD橋接實(shí)現(xiàn)與兩片MAC芯片的控制,完成一次系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。然后系統(tǒng)又開始對兩個網(wǎng)口進(jìn)行初始化。一般使用的數(shù)據(jù)選擇方法為系統(tǒng)周期網(wǎng)口A(Active)和網(wǎng)口P(Passive)的數(shù)據(jù)。兩個網(wǎng)口處于唯一主機(jī)狀態(tài)時,此時網(wǎng)口信息數(shù)據(jù)處于冗余狀態(tài),甚至?xí)霈F(xiàn)混合狀態(tài),系統(tǒng)LED燈熄滅,上報(bào)故障問題,當(dāng)網(wǎng)口A和P接收數(shù)據(jù)超出荷載范圍(大于200 ms)時,系統(tǒng)會上報(bào)故障冗余問題,并采取故障處理措施。在冗余數(shù)據(jù)處理中,應(yīng)該使用之前標(biāo)識過的網(wǎng)口,以確保數(shù)據(jù)再次傳遞的可靠性。如果選擇之前沒有使用過的網(wǎng)口,需要再次進(jìn)行網(wǎng)口處理和診斷。所以,一般系統(tǒng)會默認(rèn)選擇原網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,而且系統(tǒng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù),均由兩個網(wǎng)口傳遞。整個系統(tǒng)冗余處理簡單、快捷,有助于冗余設(shè)備信息檢測,提高整個的運(yùn)行效率。

在冗余設(shè)計(jì)和處理中,冗余方式的選擇比較關(guān)鍵,首先通過判斷運(yùn)行狀態(tài),在了解狀態(tài)的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對于數(shù)據(jù)的處理,首先判斷有無效數(shù)據(jù)存在與否,然后判斷冗余故障問題,并且應(yīng)該及時采取冗余故障狀態(tài)處理方法,從而才能保證準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換和傳輸。

MCU高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)代相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的需求,數(shù)據(jù)采集和處理容量大、速度快、精確度高,其在實(shí)踐中的應(yīng)用推廣,是高可靠性系統(tǒng)開發(fā)研究的新里程碑。相對于其他可靠性系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用,更加具有優(yōu)勢和推廣的意義。

5 結(jié)束語

可靠性是數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn),是確保用戶使用產(chǎn)品質(zhì)量的重要基石。而關(guān)于數(shù)據(jù)采集可靠性的研究也逐漸深入,在人們實(shí)踐研究下,最終發(fā)現(xiàn)并提出一種高可靠性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件,即MCU。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要依據(jù)容錯技術(shù)和避錯技術(shù),以提高系統(tǒng)的可靠性,確保數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度,縮小誤差。通過MCU實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)式檢測、智能化檢測和診斷,及時采取故障處理措施,實(shí)現(xiàn)通道隔離,避免信號輸出和輸入的干擾,保證整個系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。該系統(tǒng)在實(shí)踐中已經(jīng)得到驗(yàn)證,并且通過實(shí)踐證明系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價值,能廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集實(shí)踐中,具有積極的推廣意義。

[1]詹來龍,王彥瑜,黃繼江，等.基于ARM、CPLD和MCU的冷卻儲存環(huán)真空控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù),2007,41(5)：591-594.

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Design and analysis for the high reliability of MCU data acquisition system software

ZHAO Chen-zheng,WU Yong-qiang
(State Grid Jibei Electric power Company Limited Skills Training Center(Baoding Electric power Voc.&Tech.College, Baoding 071000,China)

Based on the user product quality guarantee,the purpose of this article take the actual design of the MCU software system are studied,based on MC9S12NE64 MCU initialization module,diagnosis module and data acquisition system,system fault diagnosis and treatment,the method of combining ADS7844 AD converter,the design of software fault avoidance and fault tolerance design route to experiment,to reach high reliability MCU data acquisition system software design scheme.For the future of the MUC data acquisition system research and the research and development and the design of similar data acquisition system to provide the reference.

MCU；high reliability；data acquisition system；the system design

TN99

：A

:1674-6236(2015)23-0079-03

2015-05-08稿件編號：201505068

趙晨征(1984—)，男，河北保定人，助教。研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。