（通信与信息系统专业论文）基于arm和gprs的光纤直放站监控系统的设计与实现.pdf

摘要 随着通信技术飞速发展和直放站的广泛应用，直放站监控系统在实时监测 直放站的工作状态和远程控制方面发挥了重大作用，然而当前的直放站监控系 统多采用单片机作为主控制器，通过g s m 网络或p s t n 网络传输监控数据，随 着直放站监控系统日益复杂化，目前的直放站监控系统显得处理速度慢，处理 的任务有限，远程传输数据效率不高；为了改善当前直放站监控系统现有的这 些缺点，采用新的主控制器a r m 7 系列芯片，利用新的传输数据技术g p r s ， 设计并实现了一款光纤直放站监控系统。 在充分研究当前直放站监控系统发展现状和实现技术的基础上，根据中 国移动直放站监控系统数据需求规范对监控参数和功能设置的要求，论证了 光纤直放站监控系统的整体设计方案和监控终端的实现架构，选择了p h i l i p s 的a r m 7 芯片l p c 2 1 3 4 作为主控制器，选择了s i m c o m 3 0 0 作为远程通信模 块；详细介绍了光纤直放站监控系统监控终端的硬件电路设计，阐释了监控终 端嵌入软件的设计思路流程，分析了如何把嵌入式软件开发技术和g p r s 远程 数据传输的技术运用到项目实践中去，说明了监控系统中所用的通信协议，并 且利用v c + + 开发环境，采用s o c k e t 网络编程技术和a d o 数据库开发技术， 设计了光纤直放站监控系统监控中心应用软件。 经过实验验证，该设备运行结果良好，提高了光纤直放站的稳定性和可靠 性，光纤直放站监控系统监控终端处理任务的能力得到增强，远程传输数据速 度变快，传输数据所耗费用降低，为光纤直放站系统的监控提供了一种新的设计 实现。 关键词：光纤直放站直放站监控系统g p r s 嵌入式系统 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i d ea p p l i c a t i o no f r e p e a t e r ，m o n i t o rs y s t e mo ffr e p e a t e rh a st a k e nai m p o r t a n tp a r t i n m o n i t o r i n g o p e r a t i n gs t a t ea n dr e m o t ec o n t r o l ，h o w e v e r , c u r r e n tm o n i t o rs y s t e mo fr e p e a t e r u s u a l l yt o o ks i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r a sm a i nc o n t r o l l e r ，t r a n s f e r r e dd a t ab ym e a n s o fg s ma n dp s t n ；w i t hm o r ca n dm o r cc o m p l e xf u n c t i o no fr e p e a t e r ，t h ec u r r e n t m o n i t o rs y s t e mo fm o n i t o ra l s os h o w ss o m ed i s a d v a n t a g e ，s u c ha ss l o ws p e e do fd a t a p r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s f e r r i n g ；i no r d e rt oi m p r o v et h ed i s a d v a n t a g eo ft h ec u r r e n t m o n i t o rs y s t e mo fr e p e a t e r ，b a s e do na r mc o n t r o lp l a t f o r ma n dg p r st e c h n o l o g y , t h ef i b e r - o p t i cr e p e a t e rm o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e s i g n e d b a s e do nd e p t hi n v e s t i g a t i o no fd e v e l o p i n gs t a t u sa n dt e c h n i c a lr e a l i z a t i o no ft h e c u r r e n tm o n i t o rs y s t e mo ff i b e rr e p e a t e r ，a c c o r d i n gt ot e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no f m o n i t o rs y s t e mo fc h i n am o b i l e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n di n t e g r a la r c h i t e c t u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e mo ff i b e r - o p t i cr e p e a t e rw e r ei n t r o d u c e d ；l p c 2 1 3 4w a su s e da s m c ua n ds i m c o m 3 0 0w a su s e da st e l e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ；i t sh a r d w a r es y s t e m a n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i tw e r ea n a l y z e d ，i t ss o f t w a r es y s t e ma n dp r o c e s sw e r e d i s c u s s e d ，i t sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a sd e s i g n e db ym e a n so fv c + + 6 0b a s e do n s o c k e ta n da d o t h ed e v i c eo p e r a t e sw e l lu n d e re x a m i n a t i o n ，i th a sl o wc o s to fc o m m u n i c a t i o n a n dm a n i p u l a t e sd a t aa n dt r a n s f e r sd a t af a s t ，i to f f e r san e ww a yf o rm o n i t o r i n gt h e f i b e r - o p t i cr e p e a t e r k e yw o r d s ：f i b e r - o p t i cr e p e a t e r ；r e p e a t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ；g p r s ；e m b e d e d s y s t e m l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：压解斗日期：冱弘l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：坳日期：2 竺拿：墨：! 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 绪论从直放站监控系统出现的背景着手，介绍了直放站的概念和基本组成， 分析了直放站监控系统的组成和工作原理以及发展历程，研究了当前直放站监 控系统的研究现状，进而提出本文研究的课题内容和意义。 1 1 课题研究背景 随着计算机和通信技术的飞速发展，移动通信经历了从模拟通信向数字通 信的转变，当前又进入了3 g 时代，移动通信在人们的日常生活和工作中正发 挥着不可替代的作用。然而无论何种通信手段，其覆盖区域都会有信号弱区和 盲区，为了提高信号质量，通常要在这些区域来架设一组模拟或数字基站，但 是这样成本太高并且基础设施也很复杂，于是提供一种低成本、架设简单、具 有小型基站功能的经济有效的设备直放站就应用而生i l l 。 直放站是基站( b s ) 与移动台( m s ) 之间的中继转发器，属于同频放大 设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备， 其基本功能就是一个射频信号功率增强器【2 1 。作为实现“小容量、大覆盖”目标 的必要手段之一，直放站可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，并且 造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统；作为解决通信网络延伸覆盖能力的一 种优选方案，与基站相比它有结构简单、投资较少和安装方便等优点，被广泛 应用于信号移动盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱 乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，直放站大大提高了通信质量， 解决了掉话问题，优化了无线通信网络【3 1 。 根据信号传输方式的不同，移动通信直放站被分为无线射频直放站和光纤 直放站，其中光纤直放站组成示意如图1 - 1 所示。 武汉理： 大学硕十学位论文 ( 直放站近端机) 一一一 图1 1 光纤直放站组成示意图 光纤直放站是通过射频信号和光信号的相互转换实现中继功能，它包括直 放站近端机、直放站光远端机、光纤三部分，近端机多位于基站端，通过有线 方式介入微蜂窝系统，远端机位于信号覆盖端，完成信号的接收与发送，近端 机和远端机包含有光射频转换单元、功率放大器、滤波器和低噪声放大器组成 的射频单元，远端机和近端机通过光纤连接1 4 l 。 光纤直放站工作过程分上行与下行两部分，下行信号处理过程为：下行电 信号以有线接入方式从微蜂窝引入，经环形双工器消除上下行信号之间的串扰、 滤波器滤波后进入近端光发盘，近端光发盘将电信号转变为强度光信号，然后 通过光缆送至各远端机；远端机的光盘将近端机传来的下行光信号变换为电信 号，电信号经功放放大后由重发天线发射至目标覆盖区域空间供移动终端接收； 上行信号处理过程与下行相似【5 j 。 作为一种经济有效的网络覆盖设备，直放站得到了广泛的推广应用，然而， 这些直放站数量庞大、分布广泛，通信设备供应厂家众多，早期的直放站安装 到选定地点后，工程师会现场设置好设备工作参数，调试无误后交付使用，如果需 要调整工作参数，必须由工程师重新回到现场更改设置参数，更为严重的问题是， 电信运营商无法掌握众多直放站的实际工作状态，如果某台直放站由于某种原 因出现故障，无法正常工作，运营商并不能及时发现，只能等到手机用户发现自 己的手机无法搜寻到网络或网络信号过于微弱而无法通信而向电信运营商提出 投诉后，电信运营商才会发现相应的直放站未能j 下常运行，然后再向该直放站设 备的通信设备供应商发出故障通知，最后设备供应商派人到现场检查并修复设 备，恢复网络功能，这样的故障发现和处理方式，是以牺牲最终服务质量为代价的， 导致用户对电信运营商的无线通信服务质量不满意，从而降低了电信企业的客 户竞争力。于是在这样背景下，直放站监控系统开始被研究和设计【引。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究目的和意义 为了实现直放站系统的智能化，弥补当前直放站监控系统的诸如处理事务 速度慢等缺陷，丰富和完善直放站监控系统，通过与开发生产智能射频光模块 和射频功率放大器的深圳国扬通信技术有限公司合作，借助于他们在直放站配 套器件的研究方面积累了丰厚的经验，按照中国移动直放站综合监控系统设 计规范对监控参数和功能设置的要求，采用a r m 7 系列处理器作为主控器设 计了监控系统终端，使用g p r s 网络和本地串口作为通信信道，设计了监控中 心监控应用软件，开发了一套光纤直放站监控系统。 本课题的提出有现实的需求性，可以很好改善无线通信服务质量，提升我 国直放站监控的技术水平，对确保直放站的正常运行和维护都有重要作用，为 更好的配合当前和未来各种移动通信系统的建设做出贡献具有突出意义。 1 3 课题研究的发展历程和现状 直放站监控系统主要用来监控直放站内部各种射频模块工作参数、环境和 故障情况，如功率放大器、选频模块等，一般由直放站监控终端、通信信道和 监控中心组成。监控终端是安装在直放站内部的监控电路，主要功能包括设备 上电初始化与自检，本地信号的采集、控制和处理，与网管监控中心数据交换 等；通信信道完成监控单元与网管监控中心的物理连接，监控中心完成对整个 直放站网络的监控，包括配置管理、操作维护、故障告警、性能管理和安全管 理等信息处理。一般直放站监控系统基本组成如图1 2 所示。 vr j 天线 _直放站 j 叵窖i 甸侉受 图1 2 直放站监控系统组成示意图 1 3 1 课题研究的发展历程 监控中心 直放站监控系统从产生至今发展，大致经历了以下四个阶段。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 第一阶段：简单的本地调测阶段 8 0 年代末期，由于直放站生产时对各项指标调测的工作量很大，生产车间 对于自动化需求的迫切使得监控系统开发成为必须。最初的监控系统以电缆直 连作为主要通信方式，完成生产测试环节和工程开通时简单的参数调测，这是 直放站网管监控系统最基本的雏形。如图1 3 所示。 l 监控中心 萃脚 l 蠕 i 硼 喜埘 直放站 图1 3 简单本地调测图1 4 基本远程监控示意图 ( 2 ) 第二阶段：基本的远程监控阶段 9 0 年代中后期，随着越来越多直放站工程开通，需要一种有效的管理方式 实现远程参数调测与报警，第二代监控系统应运而生。该阶段网管中心和直放 站之间主要以9 6 k b p s 的异步电路交换型无线数传业务作为通信方式，通过自 定义协议交换数据，管理的直放站主要是自己厂家的g s m 设备。由于数传业 务的限制，能够管理的设备数量非常有限。具体结构如上图1 - 4 所示。 ( 3 ) 第三阶段：统一网管监控阶段 本世纪初，移动通信发展迅猛，在大量使用直放站的同时，由于维护成本 的日益增加，对直放站的日常维护管理也开始引起运营商关注，集中监控也同 趋必要。某些直放站厂家开始关注统一网管系统，其目的是为运营商提供集中 式解决方案，将众多厂家的设备在同一个平台上集中监控，这一阶段的统一性 主要体现在：多个网络统一管理( g s m 9 0 0 d c s1 8 0 0 c d m a 8 0 0 ) ，多种设备统一 监控( g s m c d m a 直放站、室内分布系统等) ，多种协议统一接入( 快速接人多 厂家、多协议、多机型设备) ，多种功能统一使用( 远程监控、自动巡检、故障 处理1 。这一阶段监控系统组成如图1 5 所示。 4 一奶一 苗甲参囱萄 武汉理工大学硕十学位论文 图1 5 统一监控网络管理示意图 ( 4 ) 第四阶段：综合网管监控阶段 随着直放站建设规模的扩大和运营商运营维护模式的发展，单机操作模式 的网管监控中心已不能满足实际运营要求。因此在该阶段网管中心的组成结构 与功能都发生了变化，由一个单纯的单机版软件演化到由多个相对功能独立部 分组成的综合系统，并具备了典型的网络结构，嵌入了初步的企业资源管理思 想，力图将直放站建设相关的信息管理纳入到网管系统，并考虑到与运营商实 际运营模式的结合，增加了较多维护管理、工程管理、资产管理等综合性管理 的内容，引入了电子地图，将直放站与基站等主设备之间组成网络系统管理。 这一阶段的综合网管结构如图1 - 6 所示i t l 。 图1 - 6 综合网管结构示意图 1 3 2 课题研究的国内外现状 从目日订来看，国内外生产直放站的企业有很多，如武汉虹信、上海欣民、 沈阳奥维、广州京信、阿尔创等，其中广州京信生产的监控系统在功z 月* 匕l - - , 和操作 方便性方面更具特色，市场占有率也较高。虽然这些公司的直放站监控系统各 有特色，但总体来讲，大多数直放站监控系统仍采用控制终端、通信信道和远 武汉理t 大学硕士学位论文 端监控中心三部分组成模式，控制终端多采用单片机作为处理器【8 l ，也有少量用户 使用了d s p 作为处理器【9 】，监控终端采集了直放站内部其他模块的现场数据，然 后利用移动g s m 公网或公用电话网( p s t n ) 以短消息或语音数据的形式把现场信 息发送到监控中心，或者把监控中心发送的命令信息通过g s m 公网传到控制终 端，以达到对直放站的控制和监控。监控中心主要是使用v b 开发的监控应用软 件，现在也有很多厂家开始采用j t e e 开发了基于w e b 的应用软件，并且集成了 电子地图、统计分析等工具，可以说，在监控中心应用软件开发方面，技术已经 比较先进。 随着通信网络的日益庞大和用户的需求提高，采用以前的直放站监控系统随 之暴露出来一些问题，一是由于采用单片机作为处理器，以使监控系统处理事务 相对较少，容易出现突然死机的现象，难以满足现在网络的需求。二是采用短消 息形式传输数据，费用成本相对较高，并且数据流量不大，传输速度较慢。三是 由于g s m 是电路交换型数据业务，不能实现与因特网的互连，不能实现长期在线， 不能满足用户利用移动终端接入i n t e r a c t 或其它分组数据网络的需求。 1 4 本文的工作内容 在本文设计的直放站监控系统中，从监控系统终端硬件电路的设计、监控 系统终端嵌入式软件的开发、监控中心的应用软件、数据库系统的设计、到g p r s 远程通信模块软件开发以及通信协议的制定都是自主研发，实现了中国移动 直放站综合监控系统设计规范相关要求，具体所做工作如下： ( 1 ) 广泛调研国内外直放站监控系统的发展状况，根据课题情况和中国移 动直放站综合监控系统设计规范要求，进行光纤直放站监控系统的功能分析。 ( 2 ) 充分比较当f i 嵌入式控制器的资源优势和劣势，采用p h i l i p s 公司 a r m 7 系列芯片l p c 2 1 3 4 处理器，根据功能需求，设计直放站监控系统的硬件 电路，并完成调试工作。 ( 3 ) 研究g p r s 传输数据的规律，学习使用g p r s 模块丌发传输数据的技术， 采用了s i m c o m 公司s i m c o m 3 0 0 远程通信模块进行远程数据传输。 ( 4 ) 根据嵌入式软件设计要领，开发了直放站监控终端底层软件。 ( 5 ) 充分利用v c + + 6 0 开发工具设计应用软件的优势，结合当前主流数据库 系统s q l s e r v e r 2 0 0 0 ，丌发了直放站监控系统上位机软件。 6 武汉理： 大学硕十学位论文 第2 章光纤直放站监控系统需求分析和总体设计 本章将从直放站监控系统的功能需求、方案设计、处理器和远程通信模块 选型、以及所设计监控系统的技术特点等几个不同的方面对直放站监控系统进 行了总体分析和介绍。 2 1 功能需求分析 直放站监控系统是对直放站设备进行远程监控维护的管理系统，其功能需 求主要包括配置管理功能、操作维护功能、故障告警管理功能和安全管理功能 四个部分【l o l ，详述如下： ( 1 ) 配置管理功能 在新建直放站网元的情况下，能够创建网元的基本信息，创建的配置信息 应包括站点基本信息如施主小区信息、设备生产厂家、设备类型、设备编号、 电话号码站点等级、站点描述等，参见数据集等。在直放站配置信息发生变化 情况时，要求通过一定策略实现监控中心配置数据的及时更新；在直放站设备 需要被搬迁、拆除和更换情况时，能够删除其网元配置的基本信息以及与其相 关信息。 ( 2 ) 操作维护管理功能 提供对直放站设备网元所有信息的查询功能，如网元的配置信息、参数信 息、告警信息等；提供对直放站设备配置参数的数据修改功能，如对功放开关、 信道频率、增益、门限的远程控制功能；提供对包括对设备的配置参数、性能 参数、工作状态进行定时轮询并把需求信息保存到数据库中的功能。 ( 3 ) 故障告警管理功能 提供对直放站故障告警信息进行集中监视和管理。能够实现对告警数据的 实时采集和集中监视，对告警信息进行分类并能够存储告警同志，以辅助运维 人员和值班人员快速地发现网络问题和定位故障。 ( 4 ) 安全管理功能 主要是负责接入和授权管理及对全网安全起保证作用，包括创建和删除用 7 武汉理：】二大学硕十学位论文 户和用户组，修改用户和用户组的属性信息( 名称、密码等) ，对申请登录的用 户进行身份认证，管理系统访问日志、系统操作日志和定时轮询日志的记录【l 。 ( 5 ) 本地和远程通信功能 直放站监控终端需要提供本地通信和远程通信接口，使直放站设备可通过 数传、短信、g p r s 等其中一种或多种承载方式接入上级网管系统。以达到对 直放站无人职守监控的目的。 2 2 监控数据分析 根据中国移动直放站监控系统数据需求规范1 0 的要求，结合在上节中 介绍的直放站监控系统基本功能需求，对不同的直放站，如选频直放站、宽带 直放站、移频直放站等；其需要采集和监控的数据也有所不同；从本课题研究 的光纤直放站角度讲，需要监控的数据分类如下【1 2 l 。 表2 - 1 网络参数 数据类型 序号名 称备注 ( 字节数) 1 设备信息：设备类别整数( 1 ) 2 站点编号整数( 4 ) 3 设备编号整数( 1 ) 4 联系电话字符串( 2 0 )可选 5奄询设置号码 字符串( 2 0 ) 6 联系人字符串( 2 0 ) 7 监控中心i p 地址及端口号整数( 6 ) 8 上报通信方式整数( 1 ) 9 日期、时间时间可选 8 武汉理t 大学硕十学位论文 表2 2 采集参数 数据类型 序号名称备注 ( 字节数) 1检测功放反向功率有符号整数( 1 ) 2检测的功放前向功率 有符号整数( 1 ) 3功放a l c 值有符号整数( 1 )可选 4 功放驻波比有符号整数( 1 ) 5功放a t r整数( 1 ) 6 功放温度 浮点数 7 光模块发光功率有符号整数( 1 )可选 8 光模块收光功率有符号整数( 1 ) 9 低噪放a t r 值 整数( 1 ) 1 0 l n a 输出功率 有符号整数( 1 ) 1 1低噪放a l c 值 有符号整数( 1 ) 1 2模块输入功率有符号整数( 1 )可选 1 2模块输出功率有符号整数( 1 )可选 表2 3 设置参数 数据类型 序号名称备注 ( 字节数) 1 功放开关 布尔弛 2 功放过温门限 有符号整数( 1 ) 3发光告警门限浮点数 4 收光告警i j 限有符号整数( 1 ) 6 功放过功率门限 有符号整数( 1 ) 可选 7功放欠功率i 、j 限有符号整数( 1 ) 9 武汉理工大学硕十学位论文 表2 4 告警参数 序号名称数据类型备注 1 电源掉电告警 布尔型 2 电源故障告警布尔型 3 门禁告警布尔型可选 4 功放过温告警 布尔型 5 上行功放故障告警布尔型 6 下行功放故障告警布尔型 7 上行低噪放故障告警布尔型 8 下行低噪放故障告警布尔型 9 上行功放过功率告警布尔型 1 0 下行功放过功率告警布尔型 1 1 上行功放欠功率告警布尔型 1 2 下行功放欠功率告警布尔型 1 3 上行功放驻波比告警布尔裂可选 1 4 上行功放驻波比告警布尔型 1 5 光收无光告警布尔型 1 6 光发无光告警布尔型 2 3 关键技术考虑 2 3 1 嵌入式处理器选型 根据对光纤直放站监控系统的功能和监控数据的分析，在直放站监控终端 处理器的选型上，面临着以下选择：一、采用传统的单片机c f 8 0 5 1 为主控制 器，二、采用以耵公司t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 为主控制器，三、采用韩国 s a m s u n g 公司、美国a t m e l 公司、p h i l i p s 公司的a r m 7 系列微控制器作为 主控制器，下面分别从功能、性能、价格、存储起资源数量、操作系统支持、 供货稳定几个方面加以选择【1 3 j 。 从性能和价格方面考虑，当前单片机多是8 1 6 位控制器，d s p 和a r m 都 是3 2 位处理器，在处理速度上后两者显然占有无可比拟的优势，而随着芯片制 造技术的提高，成本也越来越低，单片机的以往价格优势也不在明显；从这两 方面考虑看，在处理器的选型上，我们以d s p 和a r m 为主要选择范围。 从功能角度考虑，d s p 系列处理器更偏重于对数字信号的处理和运算； 1 0 武汉理：r 大学硕士学位论文 s a m s u n g 公司a r m 系列主要面向通信产品和p d a 等应用，没有工业级芯片； 而直放站监控系统的终端多位于恶劣环境中并且处理数据容量较大，显然这两 个系列的处理器不太适合直放站监控终端的开发。而a t m e l 公司和p h i l i p s 公司的a r m 7 系列产品都有适合工业控制的芯片，并且在业界具有很高知名度， 所以在处理器的选型上，我们只能在这两个公司的产品中取舍。 从i c 资源角度考虑，a t m e l m c u 的f l a s h 通常比p h i l i p s 的容量大，但 p h i l i p s 将f l a s h 存储器与处理器核集成在同一个管芯当中，而a t m e l 将一 个单独的f l a s h 芯片与处理器集成在一个多芯片封装当中。这对存储器性能、 功耗以及价格有着很重要的影响；在a t m e l 的m c u 当中，f l a s h 接口的宽度 只有3 2 位，而不是p h i l i p s 的1 2 8 位宽度，访问时间大约1 1 0 n s ，只有p h i l i p s f l a s h 存储器速度的一半。另外p h i l i p s 的0 1 8 微米嵌入式f l a s hi 艺的另一个 优点是实现了较小的芯片，这样不但降低了功耗，减小了封装尺寸，而且降低 了成木。 从操作系统和供货方面看，a t m e l m c u 和p h i l i p s 的m c l i 都支持操系统，为以后的软 件升级提高了很好前景，但p h i l i p s 公司在中国大陆有像周立功公司这样的代理商，能够 给客户提供稳定的货源和技术支持【1 4 】。 综合以上比较，考虑到所设计直放站监控系统功能复杂、协议类型多、程 序空间预计使用量大，最终决定在直放站监控终端的设计中选用p h i l i p s 公司的 l p c 2 1 3 x 系列中片内带有较大f l a s h 和s r a m 的l p c 2 1 3 4 作为嵌入式处理器。 2 3 2 远程通信模块选型 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在 g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：通过多个g s m 时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达1 1 5 k b s ：不同的网络用户 共享同一组g p r s 信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用 信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源， 特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点； g p r s 计费方式更加灵活，可以按照数据流量来进行计费；与无线应用协议 ( w a p ) 技术不同，g p r s 能够随时为用户提供透明的i p 通道，可直接访问 i n t e r n e t 中的所有站点和资源；采用信道复用技术，每一个g p r s 用户都能够实 武汉理工大学硕士学位论文 现永远在线 另外，g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等， 而且相对于短消息等其它无线数据通信业务，g p r s 的价格优势比较明显。目 前，我国移动推出的g p r s 上网业务最高每千字节也只有3 分钱，而且用户可 以根据自己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降f 氐o p r s 通信的费用。 因此使用g p r s 实现远程数据的传送是非常经济实用的，特别是对于不易架设 有线网络的边远地区的可移动装置而言i l ”。 根据直放站监控系统中通信信道的方案规划，远程通信信道利用d p r s 网 络传输监控数据。从目前来看，能够应用g p r s 的设备大致包括以下几种情况： 一是具有g p r s 功能g s m 模块，如西门子公司的m c 3 5 i ，w a v e c o m 公司的等； 这种模块一般主要是用于语音通信或短信息收发，不带t c p i p 协议族：二是具有 t c p i p 协议族的专用g p r s 模块，如低端领域的e e n q 的模块如m 2 2 ，高端领域的 w a v e c o m 的o t m 0 6 b 、中端领域的s i m c o m 公司的s i m c o m 3 ( x h 三是g p r sd t u ， 如中兴公司的z i 踟周立功公司z l g 2 2 等。下面将从性能、价格、开发难易角度 去比较荐种g p r s 设备6 1 。 从性能和价格来考虑，国外公司的产品性能以及稳定性比国内的要好，但价格相 对较高，如w a v e c o m 公司的g p r s 模块价格。对直放站监控系统来讲必须确保 g p r s 设备即使在恶劣环境中也能稳定运行，初步以性价比来看，西门予公司的m c 3 5 i 模块和s i m c o m 公司的s i m c o m 3 0 0 性价比较高。 从开发产品难易来考虑，西门予公司的m c 3 5 i 模块不像s i m c o m 公司的 s i m c o m 3 0 0 那样带t c p i p 协议族，在开发过程中，仍需要在主控制器中移植t c p 1 p 协议，这无疑增加了开发产品的难度。 综合比较结果，最终选择使用s i m c o m 公司s i m c o m 3 0 0 模块，以该模块 作成的m o d e m 如图2 - 1 示。 ， 武汉理工大学硕+ 学位论文 2 4 光纤直放站监控系统方案设计 本节从直放站监控系统的整体设计和监控终端方案规划两个方面进行论述。 2 4 1 光纤直放站监控系统整体方案 本课题中的监控系统同样由监控终端、通信信道、监控中心三部分组成， 监控系统框图如图2 - 2 所示。 团芸 监 控 系 l 统 r 、终 端 图2 2 光纤直放站监控系统框图 监控终端包括监控主板以及远程通信模块，它安装在各个站点上，负责管 理设备信息、实时采集设备运行参数，回应命令或生成告警，提取有用信息并 组织成已定义的通信协议帧格式，进一步打包成数据包，使用监控终端的通信 模块，通过通信信道，将此数据包发送到监控中心【l 。 通信信道是为设备和网管中心的数据交换提供通道，根据中国移动直放 站监控功能规范1 o 要求，采用两种方式：一种是利用移动p c 串口通信，提 供本地监控信道：一种是利用中国移动g p r s 网络传输数据，提供远程监控功能。 监控中心实现对业务区内所有直放站及室内覆盖系统的配置管理、性能管 理、告警管理等管理功能，提供对设备远程查询、设置等操作的人机接口，提 供对设备告警的管理功能，提供各种数据的存储功能。 在光纤直放站内部设置监控系统终端模块，通过4 8 5 总线采集直放站内部 功能模块的基本信息，以及直放站运行环境信息，并根据监控中心命令执行控 制动作。 2 4 2 光纤直放站监控终端架构规划 经过对多家企业直放站设备监控终端的比较分析，本设计监控终端采用 a r m + 总线构架。该构架的原理是将整个复杂的监控任务划分为几个相对独立 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 的而且实现功能相对简单的模块分别实现。每一个射频模块均为智能模块，其 本身具有采集本模块参数的功能，每个射频模块被称为从模块；监控终端为主 模块，主模块负责把握全局，功能包括：与监控中心进行通信，按时间片轮循 从模块取得设备运行参数并储存等；从模块一般安装在各射频模块中负责采集 模块运行状态并保存以备主模块查询；主模块与从模块之间使用支持一主多从 的总线方式通信如4 8 5 总线；监控终端软件上采用前后台系统思想设计，a r m + 总线通信的构架如图2 3 示。 圈 i 中心1 一 f 薯瑟 ，魁l 信模块下彳 f 监控从1f 监控从1 模块i l 模块2 图2 3a r m + 总线架构示意图 a r m + 总线通信的构架具有如下优点：降低任务模块的相关度也就降低了 系统联调的难度；再者各个模块设计同时进行且开发技术难度较低，在系统设 计初期可减少系统开发时间；由于所用a r m 控制器为专用工业开发芯片，内 部集有看门狗。系统可靠性较高；主从模块间采用的是串行通信交换数据，使 用的通信协议为深圳国扬通信技术有限公司多年使用的协议，性能很高并且健 壮性好、实现简便。 2 5 本章小结 根据中国移动直放站监控系统数据需求规范1 0 的要求，本章主要论证 了光纤直放站监控系统的基本功能需求和数据要求，结合当前的主控制器和 g p r s 模块的类型，进行了细致的选择，确定了l p c 2 1 3 4 主控制器和 s i m c o m 3 0 0 g p r s 模块，最后，对直放站监控系统整体方案架构和监控终端的 方案进行了阐述。 1 4 武汉理：【= 大学硕+ 学位论文 第3 章光纤直放站监控终端硬件电路设计 根据第二章所述光纤直放站监控系统的功能需求分析和系统方案规划，于 是围绕监控终端微控制器l p c 2 1 3 4 选择外围元器件，并估算硬件性能，进行了 监控终端硬件电路设计。 3 1 光纤直放站监控终端硬件概述 监控终端电路主要负责对光纤直放站运行中各种模拟量的采集，对各个射 频功能模块数据信息的存储，以及负责与监控中心的通信；光纤直放站监控终 端硬件电路主要由控制器系统电路、电源管理单元、显示单元电路、模拟量采 集电路、通信接口电路、4 8 5 接口电路等模块组成，监控终端整个电路框图如 图3 1 示。 廿 i 理单元i 7 匿卜 2 1 3 4 | 显示l l p c 廿” 最小系 统电路 阱 l 号处理卜_ - i 单元i 图3 - 1 监控终端原理框图 3 2 光纤直放站监控终端硬件设计 3 2 1 控制器m c u 控制器m c u 系统电路包括l p c 2 1 3 4 控制器、震荡电路以及复位电路三部 分组成。 l p c 2 1 3 4 处理器基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装；并 带有1 2 8 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器，1 6 k b 的片内静态r a m ，1 2 8 位宽度接口 1 5 武汉理工大学硕+ 学位论文 加速器可实现高达6 0 m h z 工作频率；e m b e d d e d l c e r t 和嵌入式跟踪接口通过 片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时调试和高速跟踪：2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2 4 4 u s ；1 个1 0 位 的d a 转换器，可产生不同的模拟输出；2 个3 2 位定时别外部事件计数器( 带 4 路捕获和4 路比较通道) 、看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的 3 2 k i 屯时钟输入：包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。向量中断控制器。可配置优先 级和向量地址；小型的l o f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i 0 口f 可承受5 v 电 压l 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚【1 8 】。l p c 2 1 3 4 的电路原理如图3 2 所示。 ；霉氯躺l 产溅 霪旃囊i ； 噩融潍爨 掣必 图3 - 2 控制器原理图 振荡电路主要为整个系统的运行提供稳定的时序，本设计中采用外部 1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，使用这个频率的原因是为了使串口波特率更精确，同时能 够支持l p c 2 1 3 4 微控器芯片内部p l l 功能和i s p 功能。电路如图3 - 3 所示。 耋蓁一 篓莲莲 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 时钟电路原理图 复位电路可以使整个系统重新运行，可以在系统死机或者调试时候使用， 本监控终端硬件复位电路采用微处理器监控芯片s p 7 0 8 s ，该芯片包含一个看门 狗定时器，一个u p 复位模块，一个供电失败比较器，及一个手动复位输入模块， 有效地增强系统的可靠性及工作效率n 钔。图中信号n r s t 连接到l p c 2 1 3 4 管脚 r e s e t ，当复位键按下时候，s p 7 0 8 s 的n r s t 弓i 脚立即输出复位信号，使l p c 2 1 3 4 复 位。提高系统可靠性，电路原理图如图3 - 4 。 3 2 2j t a g 接口电路 图3 4 复位电路原理图 采用a r m 公司提出的标准的2 0 脚j t a g 仿真调试接口，j t a g 信号定义 如下图3 5 所示。 虻既3 巾1 过一：i 鞘卜吾_ ； ； 1 | 恃遵，! i 3 1i 萼l | e _ 量，岛i ； 1 7 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 武汉理工大学硕+ 学位论文 根据l p c 2 1 3 4 的应用手册说明，在r t c k 的引脚接一个4 7 k q 的下拉电 阻，使系统复位后l p c 2 1 3 4 内部j t a g 接口使能，这样就可以进行j t a g 仿真 调试。 3 2 3r s 2 3 2 接口电路 r s 2 3 2 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定的 一种串行异步传输标准接口，最大传输速率为2 0 k b p s ，最大传输距离不大于1 5 m ， 采用全双工通信方式，其物理标准接口定义为：逻辑1 对应一3 v 一1 5 v 逻辑 “0 ”对应为+ 3 v + 1 5 v 其物理接头包括2 5 针d b 2 5 和9 针d b 9 插头座两种形式 1 2 0 1 o 在本系统终端电路中，在满足通信要求的条件下，只使用了r x d 、t x d 、 g n d 三根信号线，但由于r s 2 3 2 标准所定义的高低电平信号与l p c 2 1 3 4 系统 内定义的1 r l 电平信号完全不同，故两者之间要进行信号电平的转换，在这里 采用集成电路转换芯片a d m 2 0 2 完成两种电平转换。原理图如图3 6 所示。 3 2 4r s 4 8 5 接口电路 图3 - 6r s 2 3 2 接口原理图 r s 4 8 5 标准是电子工业标准协会与1 9 8 3 年制定并发布，全称为t i a e i a 4 8 5 串行通信标准。电气特性为：逻辑“l ”以两线问的电压差+ ( 2 v 6 v ) 表示，逻 辑“o ”以两线问的电压差一( 2 v 6 v ) 表示。接口信号电平与丌l 电平兼容，可 方便与t t 此接。采用差分信号传输方式，增加了多点双向通信能力，即允许多 发送器连接到同一条总线上，并且允许一个发送器驱动多个负载设备。负载设 备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。r s 。4 8 5 标准抗干扰能力强， 传输速率高，传送距离远。采用双绞线，不用m o d e m 的情况下，在l o o k b i t s 的 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 速率下，可传送的距离为1 2 k i n ，若采用最常用的9 6 0 0 b i t s ，则传送距离可达 1 5 k i n 。 由于标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议， 在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。这就意味着和r s 2 3 2 一样，可以 在主控制芯片自带的u a r t 中添加电平转换芯片就可以实现远程r s 4 8 5 通信，即 在u a r t 0 的输入腧出端加入半双工1 t i r s 4 8 5 电平转换芯片s p 4 8 5 构成r s 4 8 5 通信的基础【2 。 本系统监控终端与直放站内各个功能模块通信采用r s 4 8 5 网络进行，r s 4 8 5 网络采用直线拓扑结构，需要安装2 个终端匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆 的特性阻抗( 一般取值为1 2 0 q ) 。终端匹配电阻安装在r s 4 8 5 传输网络的两个 端点，并联连接在两差分引脚之间。网络采用一条平衡双绞线作为总线，将各 个功能模块连接起来，主信号线采用非交叉线，从总线连到各个模块的分支线 采用交叉线，总线与交叉线之间通过t 形头连接起来i z 2 1 。r s 4 8 5 总线接入监控终 端的接头为d b 9 接口硬件原理图如图3 7 所示。 剧斗盟 醴型至等 图3 7r s 4 8 5 接口原理图 图中s p 4 8 5 r 芯片为满足r s 4 8 5 规范的半双工收发器，l p c 2 1 3 4 的标准串 行口通过r x