傅靖毅，伍群英

（北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

引 言

目前國家對(duì)煤炭、礦產(chǎn)、石化等能源行業(yè)的生產(chǎn)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(cè)設(shè)備，這些設(shè)備的長期穩(wěn)定工作對(duì)保障生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用［1］，一旦發(fā)生長時(shí)間系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象，而維修人員又無法第一時(shí)間趕到，將帶來不可估量的損失［2］。目前電子設(shè)備的復(fù)位方式一般采用看門狗芯片或555定時(shí)器復(fù)位?？撮T狗復(fù)位的前提是微控制器的RESET引腳的內(nèi)部電路必須正常工作，而555定時(shí)器復(fù)位時(shí)間由RC常數(shù)決定，無法做到設(shè)置任意復(fù)位周期［3］。所以有必要設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程復(fù)位周期可任意設(shè)置的定時(shí)斷電復(fù)位系統(tǒng)，對(duì)MCU進(jìn)行徹底的定時(shí)斷電復(fù)位，以達(dá)到保障無人值守的電子檢測(cè)設(shè)備長期正常運(yùn)行的效果，從而提高重點(diǎn)行業(yè)的安全生產(chǎn)能力，帶來社會(huì)效益［4］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用3層設(shè)計(jì)思路，服務(wù)器端上位機(jī)軟件發(fā)送復(fù)位周期參數(shù)設(shè)置命令，通過交換機(jī)將命令轉(zhuǎn)發(fā)往目標(biāo)設(shè)備IP，設(shè)備收到命令后對(duì)其進(jìn)行解析，提取命令報(bào)文中的復(fù)位周期參數(shù)，寫入DS1337芯片的相應(yīng)字節(jié)中。本文設(shè)計(jì)的可程控定時(shí)斷電復(fù)位系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口、MCU、電源、參數(shù)存儲(chǔ)和斷電復(fù)位5部分電路組成，整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口單元采用宇泰科技的UT450＿M(jìn)芯片，該芯片集成TCP／IP協(xié)議棧，可同時(shí)支持RS232和RS485雙工模式，極大提高電路設(shè)計(jì)靈活性［5］。10M以太網(wǎng)的兩對(duì)差分輸入TX＋、TX－、RX＋、RX－經(jīng)過透明傳輸后轉(zhuǎn)換成RS232串口信號(hào)，再經(jīng)過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換成PIC24系列單片機(jī)能接收的TTL 3.3V電平。圖中MAX3232的9和10引腳連單片機(jī)的16和15引腳。通信部分需要注意的是，由于上位機(jī)軟件是運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下，而 Windows的多任務(wù)處理機(jī)制有時(shí)會(huì)導(dǎo)致客戶端長時(shí)間等待，所以有必要采用串口通信的握手機(jī)制，因此 UT450＿M(jìn)的RTS、CTS、DTR、DSR引腳需要和單片機(jī)的I／O口連接，用來傳遞握手信號(hào)，從而保證長時(shí)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(jī)PIC24FJ128GA108［6］，本設(shè)計(jì)中 MCU部分的電路如圖3所示。

定時(shí)斷電復(fù)位電路主要由DS1337S芯片和74HC193芯片構(gòu)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(shè)定時(shí)間觸發(fā)計(jì)數(shù)器工作，控制電源關(guān)閉并在4s后重新開啟，從而完成CPU斷電復(fù)位。自動(dòng)斷電復(fù)位模塊的電路圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的軟件采用MPLAB8.8IDE環(huán)境下C語言編程實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是串口通信數(shù)據(jù)接收、指令報(bào)文解析和DS1337S讀寫。串口通信程序設(shè)計(jì)了相應(yīng)的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，能檢測(cè)出以下6種錯(cuò)誤：超時(shí)錯(cuò)誤、溢出錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、接收字節(jié)數(shù)超范圍錯(cuò)誤、LPC校驗(yàn)錯(cuò)誤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤應(yīng)答程序，向上位機(jī)返回相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。下面以讀DS1337S為例介紹PIC24系列的I2C總線操作。

圖4 自動(dòng)斷電復(fù)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件部分采用VC＋＋6.0編寫，實(shí)現(xiàn)的功能是建立與目標(biāo)設(shè)備的以太網(wǎng)連接，發(fā)送復(fù)位周期設(shè)計(jì)命令。軟件的以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了C／S通信模式。由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等問題，可能會(huì)出現(xiàn)字節(jié)錯(cuò)誤或者丟失，影響對(duì)數(shù)據(jù)的正常解析［7］。為了解決這種問題，在程序中加強(qiáng)容錯(cuò)機(jī)制。通過對(duì)返回命令的命令碼、長度位、校驗(yàn)位及結(jié)束位的驗(yàn)證，判斷接收數(shù)據(jù)格式是否錯(cuò)誤，若錯(cuò)誤則重發(fā)命令，若重發(fā)三次命令之后返回?cái)?shù)據(jù)格式仍然錯(cuò)誤，則返回錯(cuò)誤信息。若超過一定時(shí)間接收不到數(shù)據(jù)，返回相應(yīng)的錯(cuò)誤信息，避免程序陷入死循環(huán)。上位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件流程圖

此外，還按不同功能設(shè)計(jì)了6種上位機(jī)與定時(shí)斷電復(fù)位系統(tǒng)之間的通信報(bào)文格式，包括設(shè)置復(fù)位周期、讀取復(fù)位周期、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、讀取系統(tǒng)時(shí)間、設(shè)置ID號(hào)和讀取ID號(hào)，其中設(shè)置復(fù)位周期的命令報(bào)文格式如表1和表2所列。

表2中命令碼表示終端對(duì)參數(shù)調(diào)節(jié)命令的應(yīng)答命令。RTAT值為0表示正常接收，0x01表示超時(shí)錯(cuò)誤，0x02表示溢出錯(cuò)誤，0x04表示幀錯(cuò)誤，0x08表示奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤，0x10表示接收字節(jié)數(shù)超出最大范圍錯(cuò)誤，0x20表示LPC校驗(yàn)錯(cuò)誤。

表1 設(shè)置定時(shí)斷電復(fù)位周期命令報(bào)文

表2 設(shè)置定時(shí)斷電復(fù)位周期的應(yīng)答命令報(bào)文

結(jié) 語

本文針對(duì)用傳統(tǒng)的看門狗芯片和555定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備復(fù)位功能存在較大的局限性這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于PIC24FJ128GA108單片機(jī)的定時(shí)斷電復(fù)位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程發(fā)送復(fù)位周期指令來控制設(shè)備定時(shí)斷電復(fù)位的功能。經(jīng)過燕山石化項(xiàng)目實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，能有效保障重點(diǎn)行業(yè)的關(guān)鍵電子設(shè)備長時(shí)間正常運(yùn)行，將帶來巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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