（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式直放站监控系统的设计与实现.pdf

y 6 8 9 0 6 1 浙江大学硕 i - 学位论文 摘要 移动通信是现代社会步入信息时代的重要技术。目前，即将迈入第三代移 动通信时代。随着移动通信技术向纵深发展，通信网络面临着一个如何提高网 络覆盖质量的问题。直放站以低投入、低成本、相对短的建设周期和较好的网 络质量提高了网络信号的覆盖率。为保证直放站系统的可靠性和可维护性，需 要建立直放站监控系统。 直放站监控系统一般由本地监控单元、 通信信道和远程网管监控中心三部分 组成。本文设计的嵌入式直放站监控系统方案结合实际，吸取一般系统的优点， 提出了新的思路，引入嵌入式控制系统，精简了系统结构，优化了系统性能。 本文将远程监控中心划分成前端机和后台主机两部分的设计方法，提高了系统 的可靠性、实时性和灵活性。本系统方案可以实现直放站统一网管，具备了一 定的综合网管监控能力。 本系统中， 直放站设备由南京联合微波有限公司提供。目 前， 本系统己经与 直放站的核心设备功率放大器进行了对接，达到了预期功能指标和设计要求。 归纳起来，本文具体工作如下: i 、调研了国内 外直放站监控系统的发展状况，根据实际情况，设计了整个 嵌入式直放站监控系统的方案。 2 、自 行研发了直放站本地监控单元。 该单元基于嵌入式a d u c 8 1 2 数据采集 芯片，可实现对直放站多路设备性能参数的监控，具有液晶显示、上下限报警、 远程通信、智能控制等功能。本地监控单元性能高、功耗低、界面直观，是本 文的一大特点。 3 、自 行研发了直放站远程监控中心的前端机。前端机基于嵌入式 a r m 处 理器，运行在u c / o s - i i 实时嵌入式操作系统平台上，具有实时控制能力，能处 理拥有众多直放站地区的通信网重的情况。它用户界面友好，可备份后台主机 数据，并可脱离其独立工作。另外，前端机还可作为车载式移动监控机，方便 直放站系统调试和现场巡检维修。它是本文的另一大特点。 4 、 进行了基于g s m短信平台的直放站本地监控单元与远程监控中心前端机 联合调试，实现了直放站设备、本地监控单元、远程监控中心前端机、后台主 机的数据通信，构建了较为完整的嵌入式直放站监控系统。 关键词; 直放站本地监控、 远程前端机、 嵌入式a r m, u c / o s - i i 实时操作系统、 g s m短信平台 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t mo b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i s a n i m p o r t a n t t e c h n o lo g y i n m o d e r n i n f o r m a t i o n a g e . wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f m o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h i s g o i n g t o e n t e r t h e t h i r d d e v e l o p i n g s t a g e , t h e r e i s a p r o b l e m a b o u t h o w t o i m p r o v e t h e q u a l i ty o f n e t w o r k o v e r l a y . t h e r e p e a t e r i s r e q u i r e d f o r a m p l i f i c a t i o n a n d e n h a n c e m e n t o f t h e s i gna l . c o m p a r e d w i t h a b as e s t a t i o n , a r e p e a t e r h a s a d v a n t a g e o f l o w e r c o s t , s h o r te r c o n s t r u c t i n g t i m e a n d h i g h e r o v e r l a y q u a l i ty . i n o r d e r t o e n s u r e t h a t r e p e a t e r w o r k s i n h i g h r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i ty e n v i r o n m e n t , i t s e s s e n t i a l t o m o n i t o r t h e re a l - t i m e s t a t e o f t h e r e p e a t e r . t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e r e p e a t e r i s c o m p o s e d o f l o c a l m o n i t o r i n g u n it , c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l a n d r e m o t e n e t w o r k m o n it o r i n g c e n t r e . t h e e m b e d d e d r e p e a t e r m o n i t o r i n g s y s t e m , w h i c h i s d e s i g n e d i n m y t h e s i s , e x t r a c t d e s i gn e x c e l l e n c e o f o r d i n a r y s y s t e m , p u t f o r w a r d n e w c o n c e p t , i m p o r t e m b e d d e d c o n t r o l s y s t e m , s i m p l i f y t h e s t r u c t u r e o f s y s t e m , o p t i m i z e t h e f u n c t io n o f s y s t e m . r e m o t e n e t w o r k m a n a g e m e n t m o n i t o r i n g c e n t r e i s d i v i d e d i n t o f o r w a r d m o n i t o r i n g m a c h i n e a n d b a c k w a r d m o n i t o r i n g c o m p u t e r , w h i c h i m p r o v e r e l i a b i l i ty , r e a l t i m e , a n d f l e x i b i l i t y o f s y s t e m . t h e s y s t e m s o l u t i o n h a s r e a c h e d t h e l e v e l o f u n i f o r m n e t w o r k ma n a g e m e n t , a n d h a s s o m e c a p a b i l i ty o f s y n t h e t i c a l n e t w o r k m a n a g e m e n t . i n m y d e s i gn, t h e r e p e a t e r e q u i p m e n t i s p r o v i d e d b y n a n j i n g u n i t e d mi c r o w a v e l t d . w e h a v e f i n i s h e d u n i t e d d e b u g g i n g b e t w e e n t h e c o n t r o l s y s t e m a n d p a ( p o w e r a m p l i f i e r ) w h i c h i s k e rn e l e q u i p m e n t i n r e p e a t e r , a n d r e a c h t h e a n t i c i p a t e d f u n c t i o n i n c o n c l u s i o n , c o n c r e t e c o n t e n t o f m y t h e s i s i s : 1 . r e s e a r c h e d d o m e s t i c a n d o v e r s e a d e v e l o p m e n t o f t h e r e p e a t e r m o n i t o r i n g s y s t e m , d e s i gne d t h e s o l u t i o n o f e m b e d d e d r e p e a t e r m o n i t o r i n g s y s t e m b as e d o n p r a c t i c a l s i t u a t i o n 2 . i m p l e m e n t e d l o c a l m o n i t o r i n g u n it o f r e p e a t e r . t h e u n i t i s b as e d o n e m b e d d e d a d u c 8 1 2 s o c c h i p , m a y m o n it o r a n d c o n t ro l t h e m u l t i p l e x p a r a m e t e r s o f d e v i c e . i t h a s m u l t i p l e f u n c t i o n s s u c h as l c d g r a p h i c s m o d u l e d i s p l a y , k e y s w i t c h i n g , a l a r m i n g a t a b n o r m a l i n t e r v a l s , r e m o t e c o m m u n i c a t i o n , a n d i n t e l l i g e n t c o n t r o l . t h e u n i t , w h i c h h as h i g h p e r f o r m a n c e , l o w p o w e r , f r i e n d l y i n t e r f a c e , i s a c h a r a c t e r i n t h i s t h e s i s . 3 . i m p l e m e n t e d f o r w a r d m o n i t o r i n g m a c h i n e o f r e m o t e m o n i t o r i n g c e n t re . t h e m a c h i n e i s b a s e d o n e m b e d d e d a r m p r o c e s s o r h a r d w a r e p l a t f o r m , a n d r u n o n u c / o s - i i r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i o n s y s t e m ) p l a t f o r m , h a s a b i l i ty o f r e a l t i m e c o n t r o l u n d e r t h e s i t u a t i o n o f c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k c o n g e s t i o n . wh a t s m o r e , e m b e d d e d m a c h i n e i s a c t e d as d a t a b a c k u p m a c h in e o f c o m p u t e r , a n d w o r k s i n d e p e n d e n t l y . i t a l s o c a n b e u s e d t o s y s t e m d e b u g g i n g a n d l o c a l c h e c k a c t e d as m o b i l e m a c h i n e . t h e d e s i gn o f t h e e m b e d d e d f o r w a r d m a c h i n e i s a n o t a b l e c h a r a c t e r in t h i s t h e s i s . 4 . p r o c e e d e d o n u n i t e d d e b u g g i n g b e t w e e n l o c a l m o n i t o r i n g u n i t a n d r e m o t e f o r w a r d m o n i t o r in g m a c h i n e w h i c h i s b as e d o n g s m s ms ( s h o r t me s s a g e s e r v i c e ) p la t f o r m , i m p l e m e n t e d d a t a c o m m u n i c a t i o n a m o n g r e p e a t e r e q u i p m e n t , l o c a l m o n i t o r i n g u n i t , f o r w a r d m a c h i n e o f r e m o t e m o n i t o r i n g c e n t r e a n d b a c k w a r d c o m p u t e r , c o n s t r u c t e d t h e i n t e g r it e d c o m p a r a t i v e l y e m b e d d e d r e p e a t e r m o n i t o r i n g s y s t e m. k e y w o r d s : l o c a l m o n i t o r o f re p e a t e r , r e m o t e f o r w a r d m a c h i n e , e m b e d d e d a r m, u c / o s - i i r t o s , g s m s ms p l a t f o r m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本文主要研究设计用于移动通信的嵌入式直放站监控系统。 论文从介绍直放 站概况入手，系统地介绍了直放站的定义、结构，直放站监控系统的工作原理、 发展历程以及本文设计的嵌入式直放站监控系统的结构和特点， 完成的系统功能 和本文的章节安排。 夸 1 . 1直放站概述 在信息时 代的 各种信息技术中， 信息的传输即 通信起着支撑作用。 其中， 移 动通信是现代通信系统中不可缺少的重要组成部分。目 前， 移动通信已从模拟通 信发展到了数字通信阶段， 并且即将迈入第三代移动通信时代。 随着移动通信技 术向纵深发展，移动通信网络面临着一个如何提高网络覆盖质量的问题。 一般的做法是通过对现有通信网络进行系统优化， 改变基站小区天线方向和 系统参数，调整网络的覆盖范围， 提高网络覆盖效果。 但是在系统优化后，网络 覆盖很有可能仍不能满足业务需要， 此时就需要增加适量的基站或直放站来解决 覆盖问题。在网络建设中， 直放站与基站相比，具有低投入、 低运行成本、相对 短的建设周期和较好的网络质量等优点， 为提高网络信号的覆盖率， 满足大量的 小话务量用户群体提供了最佳的解决方案。目 前， 各类直放站已 成为网络建设的 重要组成部分， 应用数量越来越多， 范围越来越广， 相应的设备厂家以及设备类 型也是越来越多 1 0 t . 川直放站定义 直放站也称中继器， 属于同频放大设备，是在无线通信过程中起信号增强作 用的一种无线电发射中转设备， 是一个射频信号功率倍增器。 直放站在下行链路 中，由施主天线从现有的覆盖区域中提取信号， 通过带通滤波器对通带外的信号 进行极好的隔离， 将滤波的信号经功率放大后再次发射到待覆盖区域。 在上行链 路中， 覆盖区域内移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发 射到相应基站，从而达到基站与手机的信号传递。 浙江大学硕士学位论文 圣 1 . 1 . 2直放站分类和工作原理 移动通信直放站的种类如下: . 从传输信号来分有 g s m直放站和 c d ma直放站; . 从安装场所来分有室外型直放站和室内型直放站; . 从传输带宽来分有宽带直放站和选频直放站; . 从传输方式来分有无线射频直放站和光纤直放站两类 放站又分同频和异频两种。 光纤直放站和无线射频直放站的基本工作原理基本一致。 为例，说明一下工作过程。 其中无线射频直 以无线射频直放站 覆盖侧 基站侧 图1 - 1无线射频直放站基本工作原理图 典型的无线射频直放站的原理框图如上图1 - 1 所示。左侧的施主天线正对所 要转发的基站天线， 接收由基站发过来的下行微弱无线信号。 该信号经过双工器、 低噪声小功率放大器、 滤波、下行驱动功率放大器、 双工器后， 信号增强， 不进 行解调和调制， 由转发天线直接向无线信号盲区或微弱区 辐射， 达到增大下行覆 盖范围或提高覆盖质量的目的。 同时， 右侧的转发天线接收来自 手机的信号， 经 过类似的滤波、 放大后， 将增强的 信号再通过施主天线发向 基站天线 1 - 2 1 0 1 . 2直放站监控系统概述 直放站作为一种普遍应用的通信设备， 其稳定性、 可靠性已成为其能否持续 稳步发展的关键， 如果设备出现故障或者参数调整不当可能会对整个通信网络产 生严重影响。 因此，为保证直放站系统的可靠性和可维护性， 直放站设备在实现 浙江大学硕上学位论文 其信号覆盖效果的同时， 能否有效地实现其运行状态的日常监控， 在第一时间发 现、 应用 解决设备故障，己成为直放站设备非常重要的考核指标。 随着直放站设备的 、日常维护工作的正规化和功能需求的不断提高， 直放站监控网管系统也逐 步从原有的简单监控阶段走向成熟。 妇. 2 . 1直放站监控系统的组成原理 直放站监控系统一般由监控单元、通信信道和网管监控中心三部分组成。 监 控单元是安装在直放站设备内部的监控电路， 它的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。 一般直放站监控信号信息量少， 对信 道质量要求不高， 因此通信信道多采用方便经济的渠道。 网管监控中心完成对区 内各种直放站的配置、 数据采集、 控制以及告警信息的处理。 直放站监控系统基 本组成如下图 1 - 2 所示。 . 圈岩 国 直放站 设各 通信 模块 p s t i t gs m cdma tcp. 1 p 通信 单元 计算 机 监控单元网管监控中心 图1 - 2直放站监控系统基本组成图 典型的直放站监控系统分为三级 3 : 省级、 地区级和本地级。 省级网 管监控 中心对全省所有直放站进行数据管理， 主要提供数据查询、 统计和报表功能。 地 区级网管监控中心可直接对直放站进行远程操作 ( 包括遥测、 遥控、 站点设置和 接收报警) ， 并存储历史数据供查询， 提供历史数据报表功能和设备的维护诊断。 在直放站数量较少时， 可以只建立地区级监控网管中心。 地区级网管监控中心和 直放站之间的 通讯方式可以 采用多种方式: 电缆直连、 有线m o d e m拨号、 g s m 电路交换型数据业务、 短信。 地区级中心和省级中心之间的通讯也可以采用多种 方式，如通过拨号mo d e m, i n t e r n e t或d d n专线进行数据交换等。 1 . 2 . 2直放站监控系统的发展历程 国内 外直放站网管监控系统的发展大体相同，由 于国外有关直放站电 信资料 浙江大学硕士学位论文 公开较少， 国内文献较多， 这里主要参考国内的 情况 4 - 5 。 总的 来看， 其发展历 程大致可以分为以下四个阶段: 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，如图1 - 3 所示。这是直放站网管监控系统最基本的雏形。 本地操作 维护中心 直放站 电缆直连 图1 - 3 简单的本地调测结构示意图 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 / 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。 网管中心一般只有 1 - 2 个mo d e m通信单元，又由于数传业务的限制，能 够管理的设备数量非常有限。 具体结构如图1 - 4 所示。 远程操作 维护中心 数传业务 / 电缆直连 ! 直 放 站 ! 直 放 站 卜. 图1 - 4 基本的远程监控结构示意图 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， 诸如中国联通等运营商开始大规模建设直放 浙江大学硕 卜 学位论文 站。 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， 集中监控也日 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，如图1 - 5 所示。这一阶段的统一性主要体现在: . 多个网络统一管理 ( g s m9 0 0 / d c s 1 8 0 0 / c d ma 8 0 0 ) ; . 多种设备统一监控 ( g s m/ c d ma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) 。 网管 监控中心 g s m/ c d ma mo d e m 短信、 p s t n / g s m数传、电缆直连 g s m 直 放 站 c d m a 直 放 站日 “ 图1 - 5 统一网管结构示意图 4 、第四阶段:综合网管监控阶段 目 前， 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己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。 此外， 还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。 综合网管结构如图1 - 6 所示。 主控业务台作为整套系统的核心， 用于承载数据库、 通信能力甚至兼作we b 服务器， 一般采用较高配置的服务器放在机房; 普通业务台用于设备的远程管理 等基本业务操作， 界面与主控业务台基本相同， 由核心维护人员管理; 客户端用 于其他维护人员收发维护工单、 消息等， 类似于即时交流工具， 嵌入了维护工作 流程处理，体现了一种广泛管理的思想;we b模块用于代理公司的远程管理、 浙江大学硕十学位论文 维护人员出差时的异地管理等; 此外还可以通过主控业务台将故障信息以中文短 信形式转发到维护人员的手机，随时随地了解故障状态。 这一阶段由于采用了和短信中心直接通信的方式，通信瓶颈有了较大突破， 直放站数量大大增加， 接入的直放站厂家和类型也有所增加。 技术的突破使省级 组网结构可以方便实现，将全省设备统一、方便、快捷的集中管理。 通过灵活的组网方式和安全的权限管理， 能够保证及时采集各种信息， 使故 障能够在最短的时间内得到处理并及时准确地发现网络中存在的问题。 cdma 直放站 gs m 直放站 p hs 直放站 图 1 - 6 综合网管监控结构示意图 1 . 3本文设计的嵌入式直放站监控系统及其特点 各种类型的直放站由 各种设备类型和系统组成。 一般来说， 直放站中总包括 前向低噪声小功率放大器、前向驱动大功率放大器 ( 下行功放) 、反向低噪声小 功率放大器、 反向驱动大功率放大器 ( 上行功放) 、以及其他微波器件如混频器、 调制器、 滤波器和双工器等。 其中， 各种功率放大器的工作参数、 环境和故障情 况是最关键的，直放站监控系统主要就是对其进行监控。 本课题与南京联合微波有限公司合作开发， 该公司主要经营直放站的各种设 浙江大学硕十 学 位论文 备。本文设计的系统可与其对接，实现嵌入式直放站监控系统。 妇. 3 . 1本文设计的嵌入式直放站监控系统方案 本课题中监控的直放站数量相对较少，根据实际情况设计地区级网管监控。 地区级网管监控中心 ( 以下简称远程监控中心)和直放站之间的通信方式采用 g s m短信模式。整个系统方案图如图1 - 7 所示。 监控后台主机 图1 - 7 整个系统总体图 整个直放站监控系统的体系结构由本地级监控单元、g s m 短信通信信道和 远程网管监控中心以及移动监控端四部分组成。 其中， 远程网管监控中心中又包 含前端机和后台主机。 本地级的监控单元主要完成直放站设备各种工作参数的监控。 具有液晶数字 显示、 上下限报警、 智能控制等功能。 监控单元经短消息模块， 可发送数据信息 到远程监控中心，实现远程通信。 远程网管监控中心主要完成本地区所有直放站的配置、管理、查询、控制等 功能。可分为四个功能域: 1 、失效管理 失效管理是指网管监控中心能对直放站的问题或故障进行定位， 便于更快地 发现问题和分离间题， 达到在用户报告故障之前就发现甚至修复它， 为预防性维 护提供有力的工具。 2 ,配置管理 浙江大学硕士学位论文 配置管理是指能对网管监控系统和直放站的 配置信息提供方便的管理工具， 包括对版本、信道、用户、站点等参数的配置。 3 、安全管理 安全管理是指能控制对网管监控中心和硬件系统的信息访问权限。 包括登录 安全、数据安全、设备安全、配置安全、操作安全等。 4 、 性能管理 性能管理是指利用相关工具，以提供对直放站性能参数的方便显示。 为了实现对下级系统的实时监控， 远程中增加了前端机系统， 用户界面友好， 性能可靠。 系统内嵌实时嵌入式操作系统， 连接手机短消息模块， 经通信接口 可 在下级系统和后台主机之间进行协议转换、 数据预处理和双向传输数据。 前端机 周期性地向下级监控单元进行主动查询并取回数据， 这些数据经过前端机的实时 处理， 认为必要时向后台机发出通信申 请， 然后发给后台机作进一步处理。 后台 机向前端机发出指令， 须先向前端机发出申请， 前端机收到申请后在最近的一个 向下级监控单元通信的间隔内 发出同意后台 机发的指令， 然后收取和执行指令。 前端机的性能良 好， 可以脱离主机独立实时工作， 前端机一般都要求保存5 天左 右后台机脱机工作后的数据。 后台主机用来对整个嵌入式直放站监控系统进行管理和控制， 可以简化成一 台p c机。后台主机软件完全采用模块化结构设计， 提供良 好的人机操作界面， 并且可以集中处理各直放站系统的所有状态信息。 根据预定的工作方式将信息分 别以图形、 颜色、文字、 表格、 声音等物理量全面表达给管理者，能存储大量的 信息和用户资料， 可按管理者的要求快速、 完整地对当前的和过去足够长的一段 时间 ( 数日、数月、数年)以来的运行数据作出规范、 清晰的统计报表，并打印 输出。 所有的操作指令均可由后台主机上发出， 通过前端机发布到全直放站系统， 从而实施对系统的遥控操作。 另外，为了增加系统的灵活性，系统中还增加了移动监控端。移动监控端是 特定身份人员的手机或者移动机。 如果本地直放站设备出现故障， 一方面可通过 短消息发送到远程的监控中心， 另一方面发到或者通过远程监控中心可以转发到 维修人员的手机或者移动机上， 显示故障信息， 进行故障的实时排除， 从而实现 了直放站的远程遥控、 遥测、 遥调、 遥信。 远程监控中心前端机稍作变动可以成 浙江大学硕上学位论文 为移动机， 它可以由维修人员或者某些特定身份人员如领导、电路工程师、 维护 中心主任等携带，或作为车载式移动监控机，方便直放站系统调试和巡检维修。 夸 1 . 3 . 2本文设计的嵌入式直放站监控系统特点 本课题设计的嵌入式直放站监控系统方案吸取了一般直放站监控系统的设 计优点，并根据实际情况，精简了系统。系统采用g s m短消息作为通信信道， 简化了通信渠道， 可以实现无人值守直放站的远端监控， 以及对由 众多直放站组 成的地区级或者城市通信网集中管理控制， 达到统一网管的层面， 具备了一定的 综合网管能力。与一般的直放站监控系统相比，本系统还有以下几个特点: 1 、 本地直放站监控性能高、界面直观。本地监控单元采用高精度、 低功耗、 低成本的a d u c 8 1 2 嵌入式数据采集芯片。经过信号处理后，不仅能判别告警状 态， 而且能在液晶屏上实时数字显示直放站设备的多种工作参数、 环境和故障情 况， 分辨率高。 并可以量化调节设备参数， 显示界面直观， 操作简单， 告警灵敏。 2 、在远程监控中心后台主机前引入了前端机，增强了系统的实时性和可靠 性。 前端机以高性能的嵌入式a r m微处理器为硬件平台，以多任务实时嵌入式 操作系统为软件平台， 在这些平台上运行监控软件性能可靠性高。 前端机具有工 控机能实时处理数据的能力， 能处理拥有众多直放站地区的通信网重的情况， 但 价格相对很低。 它可以作为后台主机的数据备份， 用户界面友好， 可脱离后台主 机独立工作。 另外， 前端机还可以作为车载式移动监控机， 方便直放站系统调试 和现场巡检维修。 夸 1 . 3 . 3本文主要工作及童节安排 本文设计的嵌入式直放站监控系统方案中， 本地级监控的硬件和软件、远程 监控中心前端机硬件和软件平台、后台主机的软件、g s m 短信通信的协议、各 界面操作菜单等等都需要自行研发，因此难度大，工作量重。 总结起来， 本文实 现了整个系统方案的大部分内容， 构建了较为完整的嵌入式直放站监控系统。 具 体做了以下研究工作: 1 、调研了国内外直放站监控系统的发展状况，根据具体情况，设计了整个 嵌入式直放站监控系统的方案。 2 、自 行设计和实现了直放站本地监控单元。 该单元基于嵌入式a d u c 8 1 2 数 浙江大学硕 卜 学位论文 据采集芯片， 可实现对直放站多路设备性能参数的监控， 具有液晶显示、 上下限 报警、远程通信、智能控制等功能。完成了从系统硬件原理图、p c b版图、板 上焊接到软件编程， 系统调试和实现等。 本监控单元与南京联合微波有限公司提 供的直放站核心设备功率放大器进行了对接，达到了预定要求。 3 、自 行设计和实现了直放站远程监控中心的前端机。该前端机基于嵌入式 a r m微处理器， 移植了ac/os-ii多任务实时嵌入式操作系统， 并在其基础上 开 发了硬件的驱动软件和诸如数据采集、 数据管理和系统附加功能等应用软件。 完 成了从系统硬件原理图、 p c b版图、板上焊接到软件编程，系统调试和实现等。 4 、 制定了 通信平台的g s m短信的协议具体格式， 完成了 直放站本地监控单 元与远程监控系统前端机的g s m短信联调。 5 、与实验室人员一起规划设计了远程监控中心后台主机的网络管理控制软 件，进行了前端机和后台主机的通信调试。 由于系统的复杂性，后继者还需要进一步细化远程监控中心前端机的功能， 完善后台 主机的界面， 测试系 统的吞吐量和长期运行情况。 本文具体章节安排如下: 第一章论述了 直放站的工作原理、 直放站监控系统的组成和发展历程， 提出 了 本文设计的嵌入式直放站监控系统的方案和特点，以 及本文做的主要工作。 第二章具体阐述了直放站本地监控单元的系统框图， 各个模块的硬件电路和 软件设计流程。 第三章介绍了监控通信信道 g s m短消息的概况、命令格式、协议制定，详 细说明了具体的软件编程。 第四章详细讲述了 直放站远程监控中心前端机的系统构架， a r m 为核心的 硬件组成， u c / o s - i i 嵌入式操作系统的移植和驱动软件、 应用软件的编写，以及 最终的系统实现，期间还介绍了嵌入式系统的发展概况。 第五章简要介绍了直放站远程监控中心后台主机的功能、方案和界面等。 并 阐述了直放站设备、本地监控单元、g s m 短信、远程监控中心前端机和后台主 机等调试情况。 第六章是总结与展望。 对本论文的相关研究做了回顾总结， 并对未来的进一 步研究进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章本地监控单元的设计与实现 本章主要对基于嵌入式a d u c 8 1 2数据采集芯片的直放站本地监控系统进行 了详细的阐述。硬件电路包括核心c p u. 数据采集和处理电路、输出控制电路、 键盘和显示电路、 通信接口、电源等。 软件包括数据采集、 数据处理和控制、通 信程序等。具体给出了具体的设计原理、思路，硬件电路和软件流程图等。 2 . ，本地监控单元系统概述 本地级的监控单元主要完成直放站设备的监控。 具体实现各种模拟量和开关 量的信号采集、信号变换、数字实时处理和控制，具有液晶显示、上下限报警、 智能控制等功能。 监控单元与手机短消息模块相连， 可通过移动通信网络与远程 监控中心进行数据交换，实现远程通信。 夸 2 . 1 . 1本地监控单元参数分析 直放站中， 核心设备功率放大器主要监测的参数为 6 : 1 、功率放大器工作温度 t ; 2 、功率放大器工作电流 1 ; 3 、功率放大器工作电压u ; 4 、功率放大器输入功率p i n ; 5 、功率放大器输出功率p o u t ; 6 、功率放大器输出口 驻波比v s w r ; 7 、功率放大器有输入无输出开关量状态; 8 、功率放大器中风扇是否正常运转状态。 在这些参数中， 功率放大器的工作电压一般为2 8 v电源， 当电源电压高于或 低于额定工作电压的1 0 %时， 功率放大器就进入过欠压的保护状态。 输出功率大 于额定输出功率的3 0 %时定义输出功率过大。 功放输出口的反向功率与驻波比关 系密切，反向功率 p v s wr = p o u t x v s wr ，它的监测由驻波比替代。有输入无 输出的状态是指功放的输入信号为额定电平的检测电压， 且没有对输入电平衰减 时输出端无功率， 此时也需要进入保护状态。 风扇运转状态是指风扇开路或者异 浙江大学硕士学位论文 常时的状态。 本文中的功率放大器额定输出功率为 1 5 0 w，其监测保护点具体为表2 - 1 0 项目监测保护点 监测保护点电压 ( v) 输入功率过激励 1 5 w1 . 9 8 输出功率过大 2 0 0 w1 . 8 6 电流过大 1 6 a3 . 3 0 温度过高 8 5 0c0 . 8 5 驻波比反射过大 31 . 0 0 风扇停转开路或短路 ( 0 . 5 0 , 2 .4 0 ) 有输入无输出输入 6 到9 w, 输出 8 0 w 1 . 0 8 过欠压情况正常额定2 8 v ( 2 6 , 3 0 ) 表2 - 1 本功率放大器监测保护点 监控单元除了对以上参数监测和处理外，还需要实现: 1 、功率放大器功率显示包括瓦数和 d b m数; 2 、功率放大器输出功率可调; 3 、与远程系统通信，进行数据交换。 其中，功率的单位瓦数和 d b m数之间可通过公式转换后显示出来。输出功 率可以通过调整前级驰动模块的输入电平实现。 调整前级驱动模块的输入电平的 方式有两种:1 、 改变前级驱动模块的的可控脚电压; 2 、利用现成的数控电调衰 减器。本文采用第一种方式。 怪 2 . 1 . 2本地监控单元系统框图 本地监控单元完成对直放站设备如功率放大器等工作参数、 环境和故障情况 的实时 检测和控制 7 。 系统由a d u c 8 1 2 嵌入式单片机， 多路模拟量输入采集和 处理电路、开关量输入检测电路、模拟量输出调节电路、开关量输出控制电路、 r s - 2 3 2 c通信接口、l c d液晶显示、键盘控制电路等组成。 图2 - 1 是本地监控单元系统框图。从需要监测的参数来看，监控单元所要控 制的对象基本上为直流或变化缓慢的模拟量或开关量。 其中， 具体的模拟量输入 为输入功率、输出功率、 温度、电流、驻波比、 风扇六路电压信号。经过放大、 滤波处理后进入a d u c 8 1 2 芯片a / d转换。 同时， 还有一路过欠压开关量。 模拟 信号经数字处理后， 先判别是否达到告警闽值。 若数据正常， 则将处理后的实际 数据在液晶屏上显示， 键盘切换各通道数据。 按键也可改变d / a输出值来变换 功放前级驱动模块的可控脚电 压， 实现输出功率增减功能。 当 数据异常时， 单片 1 2 浙江大学硕十学位论文 机执行相应的告警指令，蜂鸣器报警，对应的l e d故障灯亮，同时控制继电器 将功放切到旁路直通状态， 切断供给功放的2 8 v电 压。 此外， 经r s 2 3 2 连接至 手机短消息模块实现本地监控的远程控制。 图2 - 1本地监控单元的系统框图 2 . 2本地监控单元硬件设计 互 2 . 2 . 1核心c p u a d u c 8 1 2 单片机简介 a d u c 8 1 2 是一个完整的1 2 位数据采集系统，它将高性能、自 校准、多通道 的 模/ 数转换器( a d c ) 、 双数 / 模转换器( d a c ) 和8 位可编程微控制器( 与8 0 5 1 指令 系统兼容 ) 集成在一 个芯 片 上 8 - 9 。 该芯片 还带 有加密 功能的8 k b字 节闪 速 / 电 擦 除 ( f l a s h / e e ) 程序存储器、 6 4 0字节闪速/ 电擦除用户存储器及 2 5 6字节数据 r a m，均由可编程内核控制。片内微控制器具有支持看门狗定时器、电源监控 器和a d c的d ma功能。 2 4 条可编程输入/ 输出线、8 条单输入线、i i c兼容的 s p i 和标准的 异步串 行( u a r t ) 输jn / 输出口 ，可满足多处理器通讯和扩展输沁输 出的需要。mc u内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电工作模式，有适 合于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3 v和 5 v两种规 格电 压工作器件可供选择。 该芯片采用5 2 脚扁平四 方形d q f p 塑封。 a d u c 8 1 2 浙江大学硕十学位论文 数据采集系统芯片功能框图如图2 一所示。 f unct i ona l b l ock di agr a m 内 a-丙 7 p 1 力廿. . 卜例 7p 2 月叨 卜 卜p 2 . 7 a d u c 8 1 2 的1补卜补卜 门弋!几刁lee 月附 ( 1力】 a inn d y ，1 2 3 叮 s u c c e s s i v e a p p r o mn a t i c n 、八 口 人0 亡 c o n t ro l 月n 7 ( p i a 七 ala1logicau bm iion 贴 c c o n t r o l 12 1c r 0 0 0 n i r q .l e r- 一 一 - 一 illllllllj 1胜j，1.j工 lr.ll.lf 尸1111- 2 .s vr e p 日t e m ps e n s o r m oom s flasr udata n fn dry 2a . e usmran i_l_1_. _ 0 a c 1 t d 1 p 3 . 4 ) 7 1 1 p 3 习 t 2 ( p i 川 t 2 e x ( p 1 . 1 ) 吓 肺( p 3 .2 ) 舔 价(p 3 匀 肚 p s e n 公 r e s e t 阶盯 服如 a v d d a g n d d v d d d g n d 1 i t a l x t a l r x d t i d 1 2 ( 内川 ( p 5 1 ) s c l o c k n i o s v a u s c s d a t a ( p 3 . 3 ) 图2 - 2 a d u c 8 1 2 数据采集系统芯片功能框图 互 2 . 2 . 2模拟量采集和信号处理电路 模拟量共有6路输入，分成两类。其中，电流和