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崔晶 摘要 2 0 0 1 年5 月 ( 。 。 二作 中 占 、 71 a1 3c 。 ， 一 旦 。必 、 信 中 断 。 实 1 a 信 e m ik 中 ;， 是 保 1必 见 代 化 的 a f twar 正 常 运 转 的 有 效r e 丫 本课 题研究的 即 是移 动 基 站中 动 力 环境 监 控模 块的 实 现， 这 样的 局 站为 刻f 多 ， 因 此阳控 模 块的 成本 是 关 键。 本 设 计 依 r i m 本 、 高可 靠it 的 原 则， 所完 成的 工作 下: ( 1 ) 采用开 发 环境比 车 如 熟， 价 格 更 便宜 单 片 机为 监 控器的 核 , b ， 监控 器 主 体只 用一个a t 8 9 c 5 2 ， 没有夕 附 r a m . r o m ， 使可 靠性大 大 提高 采用最新的串 行工于 仁 方 式 接口 芯片 ， 与 传 统 的 并 行 接口 芯 。 诊 片 机 的 工/ 0 接 口 芯 、 片相比， 创门 引 脚数少， 体积 小，占 用的口 资 源少，因 此用a t 8 9 c 5 2 的4 个8 e m 1 / 0 口 就完成了 多 i i lk 道的 数据 采 集 控 韦 咚键 盘 、 显 示 和 报 警 等 功 能 1 没 有 扩 展 其 它工 / 0 接 口 ， 使 系 统 接 线 简 化 ， 可 靠 性 提高 一 ) ( 2 ) 单 片 机 的 开 发 使 用c - 5 1 语 言 。 c - 5 1 语 言 是 一 种 结 构 fu 涅 序 设 训 语 言 ， 它 兼 顾了 多 种高 级 语言白 洲 待 点， 并 具 备 汇编 语 言 的 功 能 用c 语言 编 写 软件， 可以 大大 缩 短 开发 周期提高 效率， 并且增 加不 9 字 的 可读it ， 便于改 进和扩充， 从而 v$ 咄夫 马 漠 更大， 性 r g t 完 备 的 系 统 。 本设计根据基站的实际清 况来选 取关键的 监控点， 既 全面反 映了设备 的 运行情况， 又避免了 系统的复杂化。 整个 设计 中 始终强 调实 用性、 可靠性， 监 控器结构紧 凑， 澎月 胜 强，有很 好的推广应用前 景。 关键词: 单片 机通信电 源监 控 硕士学位 论文移动基站动力环掩监控器的研究与实现 东北农业大学 s t u d y a n d d e s i g n e d o f d y n a m i c e n v i r o n m e n t s u p e rvi s i o n m o d u l e i n mo v a b l e s t a t i o n s ab s t r a c t p o w e r s u p p ly o f c o m m u n ic a t io n p la y s a n im p o r ta n t ro l e in c o m m u n ic a t io n s e r v i c e . o n c e p o w e r s u p p ly o f c o m m u n ic a t io n b r e a k d o w n , t h e w h o l e c o m m u n ic a t i o n d e v i c e w i ll b re a k im m e d ia t e ly . c o n c e n t r a t e d m o n it o r in g is a n e ff e c t i v e w a y o f e n s u r i n g m o d e m c o m m u n ic a t io n d e v i c e n m p ro p e r l y . m y s u b j e c t s tu d y in th e re a li z a t io n o f d y n a m ic e n v iro n m e n t s u p e r v is io n m o d u le in m o v a b le s ta t i o n s m a in ly . s u c h s ta t io n s c a n b e s e e n h e re a n d t h e re . t h e re f o re , t h e k e y p ro b l e m is t o d e c r e a s e t h e c o s t o f m o n it o r i n g m o d u le . m y s u b j e c t is d e s i g n e d o n b a s i s o f lo w e r c o s t a n d h i g h e r re li a b i li t y . i t h a s fi n i s h e d t h e f o ll o w in g j o b : 1 ) i n m y d e s i g n m i c ro p r o c e s s o r w h ic h d e v e l o p e n v iro n m e n t m a tu re l y i s th e f o c u s o f t h e m o n it o r a n d a t 8 9 c 5 2 i s t h e s u b j e c t o f th e m o n it o r . it d o e s n t e x t e n d r a m a n d r o m， in c re a s in g th e re li a b ili t y la r g e ly . m i c ro p r o c e s s o r s u o in t e r f a c e c h i p i s t h e la t e s t s e r i a l in t e r f a c e c h ip . c o m p a r i n g w ith t h e t r a d it io n a l p a r a ll e l in t e r f a c e c h ip s , t h e y h a v e f e w e r le g s , s m a ll e r v o lu m e a n d u s e f e w e r re s o u r c e s . t h e re f o re , m u l t ip l e c h a n n e l d a ta s e l e c t in g c o n t ro l , k e y b o a r d , d is p la y a n d a la r m a re r e a li z e d th r o u g h a t 8 9 c 5 2 s f o u r e ig h t - b i t 1/ o in t e r f a c e , w it h o u t e x t e n d in g o th e r u o in te r f a c e ,m a ki n g t h e s y s te m s i m p l ifi e d a n d re li a b i li t y i n c r e a s e d . 2 ) c 5 1 l a n g u a g e i s u s e d t o d e v e l o p m ic r o p r o c e s s o r . i t i s a s t ru c t u r a l p ro g r a m d e s i g n l a n g u a g e , w h ic h n o t o n ly h a s m a n y a d v a n c e d la n g u a g e s c h a r a c te r b u t a ls o o w n s a s s e m b ly la n g u a g e s f u n c t io n . c o m p i li n g s o f t w a r e w it h c la n g u a g e 崔晶 1 . 前言2 0 01 年s 月 1 .前言 1 . 1 研究的目 的 及意义 通信电 源通常 称被为 通信 设备 的“ 心 脏” ， 在通 信局 站)中 具 有无 可比 拟的 重要 圳立 。 目 前 ， 我 国 主 要 通 信 设 备 都 已 经 达 到 或 接 近 世 界 先 进 水 平 ， 通 信 网 的 总 体 规 模 也 己 经 跃 居世界 前列， 通信系 龚 妇寸 电 源 的 要求 越 来 越 高。 如果 电 源系 统的工 作不 可 靠， 就 会尚直 信中断; 如果电 源输出电压 不稳或纹波电 压过大， 就会阳1 ;通 信的 质量，甚 至 无法 正常 通信。 这样 就不能 满 足国 家 建设， 经 济文化 交 流 及 人民 生 活的需 要( q 为了 保i o n 代化的 通信 设 备 正 常 运 转， 一 方 面 通信电 源设 备 需 要 更 新换 代， 采 用性 能 优 越可靠 性高的电 源设 备。 另 一 方 面， 随 春亘 信 建设 的 发 展和 业务 两的 扩大， 还需 要 解决电 源 维沪 人员 不 足和设 备 维 护管 理 水平 落 后的问 题。 邮电 部 有 关 通信电 源的 研究 成 果认 为， 实 币 邪 s 信电 源集中 监 控 是 解 决以 上 问 题的 有 效 途径。 服胃 通信电 源 集中 监 控 就 是 对分 布的 通信局 ( 站) 的电 源和 空 调 系 统 及设 备 进行 遥 控、 遥 信 和 遥测， 实 时 监 视 其 运行参数，监测和处理故障， 记 录和 处理相关数 据， 从而实 现 通信电 锡 诩咬调设 备少人 或 无人 值守 和集中 f w 的 计som a 统(2 1 通信电 源集中 监控系 统的 结 构 如 图1 - 1 所 示， 它一 般由 监 控中 心( s c - s u p e r v i s i o n c e n t e r ) 、 监控站 ( s s - s u p e r v i s i o n s t a t i o n ) 、 监控 单 元 ( s u - s u p e r v i s i o n u n i t ) 和 监 控模 块 ( s m - s u p e r v i s i o n m o d u l e ) 组 成 (a 1 。 整 个 通信电 源 监 控系 统构 成一 个自 下 通讯端局 图 1 - 1通讯电 源 集中 监 控系 统的 结 构 f ig . 卜 1 s tr u c t u r e o f t h e c e n tr a li z e d s u p e rv i s io n 硕士学位论文移动基站动力环境监控器的研究与实现 东北农业大学 而 上 逐 级汇接的 分布 式计 算 机 控制 系统。 监 控 系统 通常 分为 两 层: 管 理 层和 采 集 层。 管 理 层包括监 控中 心和 监 控站， 作 用 是 对 所有 端 局的 4m 设备 实 施 监 控管 理 。 采 集 层由 监 控单 元和 监 控 模块细戎 ， 作 用 是 完 成 对被 控设 备数 据的 采集 和 控制。 采用 集中 监控管 理系 统 后， 利 用计 算 机及 网 络 技术、 通 信 技术 、自 动控 韦 嗽术、 新 型 传感器 技术、 监 测技 术争见 代 化 手 段， 司 将通信电 源 系 统的 维 护 管 理 提高 到 一个 新的 水平。 1 .2 国内夕 i、 研究概况 自 1 9 8 8 年广州 市电 信 局长 途 枢 纽 楼实 施电 源集 中 监 控的 十多 年 来， 不 少电 源设 各 厂家在产品智育 c, 监 控的 基石 a 上 ， 纷纷研 究开 发多 级的电 源监控系 统; 不 少 计算 机公司、 邮电 局、院校 或研究 所也加 入到 开发的 行列 h h 9 1 目 前监控网 络从结构和信息交 换方面大体 可分为两种 方式， 一种 方式 是基于 通信网 络 进行 数 据交 换监 控系 统， 另 一 种 是 基于 计 算 机网 络 平台 渊5 数 据 交 换 的 监 控 系 统。 前 一种系统以 通信网络为 基础， 利用实时多 任务 操作系统为软件平台 完成系统的 数据通 信、 数 据交换、 监 控管 理等 功能 。 后一 种 系 统 是 采 用了 比 前 一种 更高 的 平台 ， 即 计 机 网 络 系 统， 在 此基 石 逛 上 完 成 监 控 系 统 的 数 据交 换、 监 控 管 理 等 功 能 ， 现 在 采 用 这 种 方 式 构 成的 监 控系 统比 较 普遍g o t - g z l 在功h i封 二 ， 为实 现对电 源设备少 人、 无人值守的 要求，电 源监 控 系统更强调 对电 源 设 备的 胡章 事 件的 快 速响 应和 w w i 的 准确 性. 现 在电 源监 控 系统 在 对基 本 功能 如: 遥控 遥信遥测、 监 控信 息查 询 显 示 打印 等 加以 完 善 夕 卜 。 同 时 不断 扩 展 新的 功能 ， 如 监 控 系 统自 诊断、设备 现场图 象监 控等c 13 1 与国内 相比 ， 国 外的 监控 系 绷盗 控 内 容 较 少， 规模 不 大， 构 成 简 单. 监 控系 统 一 般 分为 三 部分: ( 1 ) 实 时 监 控 模块 : 从 无 人值守 基 站中 采 样各 种 数 据， 并 将 数 据报 表和 报 警信息 传 送到监 控中 心， ( 2 ) 传 输网 络: 协 调 各 无人 值守 基 站、 报 警中 心 之 间 信息 交 换 ( 3 ) 智能的监 控报 警中 心: 负 责从 各 天 汰值 守 基 站中 采 样数 据， 并 将报 警信 息 及时 通 知值班人员。 这种监控模式简便实 用， 同 时 也能及 时 和可靠 地 处理故 障与恢复系 统正常 运布 了 10 x 15 1 现在采用的电 源设备其可 靠性和 智能币 扮 窒 都很高， 在正 常运行 过 程中 ， 无需人 为 的 进行 干预。 因 此 动力 环 境 集中 监控 的 主要 任 务 在于 故 障 诊 断 和 预告 普， 很匆开 究 人员 尝 试在 盘 系 统中引 入 神 经网 络， 模 糊 控 制等 现 代 控 希 啦术以 增强 其 预 告 警 的 准 确性和 可靠幽16 x 18 。国 外设计开发的 监控 模块强调 其通用性、高 可靠性 和小型化。 监控模块 的 集 成度 较高， 除采 用单 片 机、 p l c 、 工 业总 线 技术 外， 还 将高 速的 数 字信 号 处理 器引 入 到到电 源监 控 领域， 使 动力 环 境 监 控的 水平 又 上了 一 个 新台 w1-d4, 1 . 3 对监控系统发展的思考 就监控系统智本 而 恻 于 状态、设备控制、 言， 我们 监 控的 内 容 多。 有 数 据、 表 格、 图 像、 故障告 警等; 规模大， 少则 几个局 站，多 贝 吐 百个 局 站， 监控网 崔晶 l 前言 2 0 0 1 年 5 月 络的 构成复杂。 这一切，国 外无法 相比。 但宁 铂 铮 思 考， 建立一 套规模 庞大的 监控系 统想 要达到的目 的是什么? 洲门 知道搞监 控的目 的在于: 解放劳 动力， 实现 局站的 无人 值守: 提高 动力设备 运行的 稳定 性 和 可靠 性: 提高动力、 空 调设 备 运 行的 经济 性。 后两项， 就要 求监 控系 统有更高的 智能 4 扫 度和数 据处理能力， 如采集数 据的 作用 是通过分 析处理对设 备进行预 诊断， 在事故发 生以 有 仍 吐 行 预告 警以 防患于 未 然， 变被动 维护为主动维护。 另 外， 根据负荷的 变化 和环境条件的 变化进 行 必要的设 备 运行 参 数的 调节，以 达到最佳 经济性 的 运转. 在达到以 上目 的的 前提下， 监控系 统结构 简单 、 成本 低、 维护工 作量少， 才真正体 现出 其先 进程度。 币 社 见 在a -注 系 统所花的 人力和 投资 不 是在 后两项。 z沂 以 如此， 主要因为 有几个认 i只 上 的误区: 一是摆脱不了 过去 看守 式的维 护方式， 所以 检钡 叮 点 多 ( 几乎一个不 漏) 、 报表多。 二是按过去 的老设备方式来 管理 4 .总 是不放e l i 。 现在r 备可靠性 大 大提高， 如开 关电 源， mb f 都 在1 0 万小 时以 上， 且自 身 智能化 程 度 就 很高 。 在正 常 运 行 的 过 程 中， 无需 人为的 进行 干 预。 只 要预 告 警 可 靠 准 确， 就能保 证 可靠 稳定 地 供电 。 三 是 认 为 花样多、 系 统复 杂 就 是 水平高 。 这 样 不 但 投资 大， 而 且 使 监 控 系统本 身的 维 护 工 作 量 也 要增加， 司 靠性也要阳氏 。 当 然， 侧可 事 物的 发 展往往要 纷 从 简单到复杂再到简单几个飞 跃的 过程， 才育 醚 到更理 想的 效果。 经过一 段应用的 实践后， 人们会认 i p , j e经 i1 以 上监 控目 的的 实用、 简单、 可靠的 系统才 是 最先进的 监 控系 统rw i , 1 . 4 研究对象 监 控模块 是 通 信电 源 集中 监控系 统中 剥氏 一 级计 算机 ， 与 被 控设 备 直 接 连 接， 对 被 控设 备训于 数 据采集和 控制。由 于 通 信 a x设备和空调设备种 类 繁多， 可有多 种 类型 的 s u ， 它们 是 通信电 源集中 监 控系 统 的 基础， 也 是 数 量 最多的 一 级it 。 本 课 题 研究 的 即 是 移动 基站中， 动力 环境 3 空 模 块 的 实 现。 由 于 移 动 基站的 数目 很多， 因 此 监 控 模 块 应考 虑采 用1 本的 配置。 监 控主 机 传 轴 设 备 现 场 监 控 器 电池 监 测 仪 环 境 监 测 仪 图 1 一 小 规 模 采 集设备的 框图 f ig . 1 - 2 c o n b g mz io n o f s m a ll s c a l e c o ll e c t io n 一3- 硕士学位论文移动基站动力环境监控器的研究与实现 东北农业大学 应考虑采用4 e戊 本的配置。 国内 现有的 采集设备 采用模粼拱1当 构， 每 种监控单 元 功能单 一， 虽然 可以 根 据监 控 局设 备和 测点灵 活配置， 但 在小 规 模 局站内 仍 需35 个监控 模 块， 如 图1 - 2 是 华为 公司 小 规模 采集设 备的 配置 示 意图 。 要 选 择的 监 书模 块包 括: a 场监 控 器 ( p m s系 列) 、 电 7 囱 监 a 嗽 ( b m ; ; 系列) 、 环 境 监 测 仪 ( w 系 列) 和传 输设 备(2 4 1 。 这 样的 配置 成 本 高 ， 扭 胜 绝 复杂， 难以 在实际中 推广。 根据移 动基站的 实衬 青 况， 本 论 文 设计了 一个 动 力 环 境 集中 监 控报 警器， 用 一个 模 块就 可 完成 动力、 环 *翻空 及现场 伏 态 数 据上传 的 任 务， 并目 可以 根 据环 境监 渡的 变 化 控制空调的启动停止，达到了 节能降耗的功效。 崔晶 2监控对象和内 容2 0 0 1 年 5 月 监控对象和内容 1 通信电源系统 : 0八乙 为各种通信设 备 及与 通信有 关的 建 筑负 荷供电 的各 种电 源设 备g g l戎 的 系统， 称为 通 信电 源系 统。 该系 统由 交流供电 系 统、 直 流供 电 系 统不 相应的 j 剖也 系 统 细戎ca l 交流供电 系 统包括变铆 供给的 高 e 1 4 1 氏 e, 市电、 油扫 泼电 机供 给的自 备 交流电 源 及整流器、 逆变器和 蓄电 池组 成的交 流不停电电 源、 交 流配电 屏等部 分。电 信局的电 源 一 般都由 电 网 供给， 当 市电 停电 时 ， 为 确 例恿 信电 源 不中 断，由 不间 断电 源 ( u p s ) 短 时供电， 然后启 动柴油发电 机供电， 当 市电 恢复正 常后， 油 机停电 再 将负 载 转 换到市电 。 通信设备的 直流供电 系 统由 整流器 、 蓄电 池、 直流变 换器和直流配电屏 等部分 细戎 。 整流器的 交 流电 源由 交 流配电 屏 引 入， 输出 aff i l, 直 流 配电 屏 与 蓄电 池 和 负 v ar。 当 通信 设 备需多 种不同的电 压时， 可以 采 用直 流交 换器 将基 础电 源的电 压 变换为 所需电 压。 为 提高 通信质量、 确保通信设备与 人身安 全， 通信电 源的交流和 直流供电 系 统都 必 须 有良 好的 接地装置。 接地系 统分工 作 接 地、 交 流强电 保护接地和防雷 1 y iff m也 。 2 . 2 基站电 源系统的组成 无人职守基站，通常采用交流市 电电 源与 太阳能电 源 ( 采用混合 供电 方式的电 源系统由 太阳 或风力 电池方一 发电 机) 组成的混合 供电 方 式。 如图2 - l a阵、风力发电机、低 r- 一 ， ， . - -一 ， 市电2 2 0 v / 3 8 0 v 交流劝压器 太阳电 李 也方阵 7 dc - 1 2 v ( d c -0 8 v ) 峨流器 通 信 设 备 :笼:1- - 工 r吸ij-目 r -一二-一，一气 :油 机 发 电 机 r 一 ，t 二 ，.- -一，- 一分， t，卜 交流配电屏 r 一份.-一，.-一 移动电 j 占 保 证 负 荷 . - .- 一_ t 助 发电习 【 1-.-一 j 回 。 回 口 an 洲从1 如 其 它 负 荷 空 调 图 2 - 1混 合供电 方式电 源系统二 尔 框 图 f i g . 2 - 1 d ia g r a m o f p o w e r s y s t e m in m ix e d p o w e r s u p p ly m o d e 5 硕士学位论文移动基站动力环境监控器的研究与实现 东北农业大学 压市电、 蓄电 池组、 整流配电设备 及 移动电 站 等部 分 组成。 对通信容量较大 的 无人 基站， 为了 iw氏 电 源系统的 造价， 不宜 采 用太阳能供电。目 前、普遍采 用市电 与无人值守油 衫 泼电 wil 相结合的 交流供电系 统。 应当 注意， 无 人值 守 基站大部 分处 在 远离 城市的 农 村， 通 常 市电 质 量 差、 电 压波 动 范围 较 大， 因 此 在市 电 引入立 湍 翻r a调压 器或交流稳压器。 2 . 3 动 力 环 境 监 控 系 统 2 . 3 . 1 基本劝能 电 源动力监 控主要引自巨 业 生 产的 计算机 控佑 啦术和电 站监控 技术 ， 称为 分布 式 控 制系统( dc s ) ， 即 将分布在现 场各类 设备 ( 含电 源动力设备和空调 设备 ) 由 计算 机 进 行集中 控制的 系 统 2 6 3 。 一 个 标准的 电 源 动 力 监控系 统必 须貂侈 对动 力 初 m设 备 和 环 境 参数 进行2 4 小时不间断创 控、 监测， 对被 监测设备进行 实时定点、 定位的 数 据采集、 显示和告替。当 所监 测的 参数 超出 正 常值 时 ， 系统自 动告 警。 系统 还应提供 远程 遥控 功 能 ， 使 操作员 可遥控一些开关设 备 2 . 3 . 2 监 崖 勺水 象 根据通信系统对电 源的 要求以 及目 前国内 技术水 平， 监控对象 如 下: 1 .电 源设 备:包 括高 压配电 设备、 低压 配电 设备、 整流设 备、 蓄电 池、自 动化 柴油机发电w 恻言 是指对分散 状态的开关 信号 的 数 据采样: 遥控 是 指由 盎 注 系 统送出 离 散 状态 的 控 制 命令。 监控器应根据电 源设备及 环境因素 等实际隋 况来 选取 监 控点。 正 确 选择监 控项目 对 于 建立一 个有效而 经济的 监控系 统是 十分 重要的。 监 控量太少 不能 全 面反 映设 备 的 运行 j清 况; 倒 控量也 不益太多， 刃 时 羊 需 增加相 应接口 ， 使系 统变 得复 杂， 而且 使 数 据采样 周期 加大， 影响 系 统实 时性 指 标。 另 外 监 控 量 应以 遥 测、 遥信 为 主， 遥 控为 辅。目 前， 我国 通信电 源设 备 正 在 更新 衡弋 ， 交 直流供 电系 统 均 配备了 独 立 : 的自 动控 韦 v * 统， 一 般 无需 外部 控制， 因 此 没有必 要设 置 过多 的 遥 控量 (r 1 根据以 上的 原 则， 本论 文设 计 的 监 控单 元 使 用- 4 8 v( 或 - 2 4 v ) 电 源 供电 ， 可同 时 采 集4路 模拟信 号 ( 包 括三 相 市电 电 压 和 蓄电 池组 总电 压) 、 4路 开 关 信 号 ( 包括 空 调 状 态、 烟雾、 水 浸、门 禁伏 态) 和3 路 温 度信号 ( 室内2 路、 室 外1 路) ， 输出3 路 括 纬 信号 ( 控制空调、 加热器和 报侧 降 各 ) ， 报警时 场 困或 双音频 拨号实 现b p 机报警。 崔晶 3 . 监控单元的硬件组成及功能 2 0 0 1 年 5 月 3 . 监控单元的 硬件m成 及功能 3 . 1 监控单元的 硬件配置 随 荀十 算 机 技术 的 迅速 发展， 工 业 计算 机 正向 硬件 构 成 的多 样 化、 功 能白 训 漠 块化 、 结 构 小 型 化 等 的 方向 发 展， 出 现了 多 种 形 式 的 工 业 控 市 (计 算 机 ， 因 此 在 进 1 于 fs u 的 配 置 时 可以 有多 种 选择。 例如， 采用 可编 程控 制器 ( p l c ) 和各 种 总 线 式 工 业 控 制 计 算机 等 1 田卜仁 3 0 1 随 着单 片 机 技术的 进步 与 发 展， 单 片 机在 工 业 控韦 撷域 应用 越来 越 广泛。 通信电 源 智 能设备 的 控制部分， 很多 都采 用单 片 机。 其实， p l c 、 总 线 式 工 业 控 先 晰算 机以 及其 它 一些 智能 模 块， 很多 都采用 单 片 机 技术。 与 前面 的 相比 较， 单 片 机 的 应用 开发 环 境比 较 成熟， 价 格更 便宜， 用 户可以 根 据自 己 的 需 要 开发 设 计出 更 符 合自 己 需 要的 设 备 控 制 系统。 以 往的以 单片 机为 揍心 的 监 控模 块 其 外围 都 采 用的 都是 并 行 接口 芯 片。 单片 机 的 芯 片内 纬 缄了 计算机 的 基 本功能 部 件， 己 具备 了 很 强 的 功能， 但 是在 复 杂的 系 统中 ， 采用 传统的 荆了 方式接口 芯片时， 单 片 机 的1 / 0 接口 远 不够 用， 需 要完 成 地 址存储 ， 译 码， 总 线驱动等 外围 扩展， 这就 使系 统 接 线复 杂化 ， !粼氏 了 抗干 扰 能 力13 1 1 一 13 2 1 串 行接口 芯片近几年来 发 展非常 迅 速， 几乎fv可 功能的芯 片都有串 行工 作方 式的， 串 行方 式的 芯片引 脚 数少，占 用的i / 0 口 资 源少， m 简单。 因 1 坟.受 到 单片 机 开 发 者的 做睐。 本沦 文 设 计的 移动 基 站 动 力 环境监 控 器， 其 外围 全部 采 用串 行 接口 芯 片。 其系 统框图 如图3 - 1 所 示二 报 普 显 示 a t 8 9 c5 2键 盘 控制 图3 - 1 f i g . 3 - 1 监控模块系统框图 s c h e m e o f s u p er v is i o n e m it 其主振频率为1 2 m h z ， 内 部有8 f 1e p r c m . 2 5 6 字节的r a m . 硕士学位论文移动基站动力环境监控器的 研究与实现 东北农业大学 无需 夕 扩 r a m , r o m ， 使可靠性 大 大 提 高。 串 行 接口 芯 片占 用的 1 / 0口 资 源 少， 因匕 羽 a t 8 9 c 5 2 的4 个8 位的1 / 0 口 就完 成了 多 个 澎直 的 数 据采集 、 控制、 键盘、 显示 和 报警 等功能， 不必扩 展其它1 / 0 接口， 使系 统 接线简 化。 3 . 2 监控模块的结构及功能 监控模块主 要由以 下四 部分构成: 模拟量的 数 据采集 处理部分、 开关量的 输入 / 输 出 控制部分、 双音频分组拨号 .部分 和键盘及 显示部分 。 3 . 2 . 1 系统的数据采集与处理 本系统主要对以 下模 拟量 进行 数 据采集: 交流 三相电 压、 蓄电 池总 钊玉 、 环境 温 度。 系统 通 过对 ， 匕 it 各量的 采 集 分析， 可以 判 断 被 监 控 系统 各 环 节 工 作 是 否 正 常， 若 有， 系 统将 及时 上 传各 项数 据并 发出 报警 信号 。 交流信 号 经变 压器隔离 和 整1 励蒯垢, 接 入a / d 转 换 器的 输 入 端。 这 种 采 样 方式 能 够满 足监 控 市电 电 压的 要 求， 且 硬 件电 路简 单， 采样 速 率 要 求不 高 ， 软件 数 据处 理 方 便， 阳氏 了 整个系统的成本。当a / d的 输 入中 有一 路或几 路的 输入电 压超过它的 参考电 压 + 5 v 时， 会 影响其 它通路的正常输出。 因 此我们 在a / d 的输 入 端 接上对地5 . 1 v 的 稳 压 管， 这样，当 有高于 参考电 压的 输入电 压出 现时， 利用稳压管 可以 把它 稳定 在正常范围 之内。 考虑到 采样精 度的要 求， 蓄电 池总 电 压 信号 经 回 路分 压 后 直 接 与儿 勺 转 换的 输 入 端 相连 接， 数 字澎直 部分 经光 祸 隔离 和 驱动 之 后与c p u 相 连。 该 采 样电 路 精 度高、 光隔 简 单， 列 硬模 拟 部分 与 数字 部分 实 现了 完 全 隔 离。 a / d 转 换器 采 用 t l c 2 5 4 3 , 该l 片 是 一 种单电 源串 行 控制的1 2 位 模拼专 换 器，t il 采集1 1 路 信 号。 与 单 片 机的 连 接仅占 用4 根 口 线。 采样部分的 接线如图3 - 2 : p a a v o p o 护 0 图3 - 2 f ig . 3 - 2s c h e m e o f s a m p lin g 8 崔晶 3 . . 监控单元的硬件组成及功能 2 0 0 1 年 5 月 温 度量的 采集采 用了 最 新的 单 线 式 数字 温 度传 感 器d s 1 8 2 0 。 从c p u 到d s 1 8 2 0 仅需 要连 接一 条 线 ( 和地) 。 因 为 每 一 个d s 1 8 2 0 有准 一 的 系列 号， 因 此多 个d s 1 8 2 0 可以 存 在于 同 一条单 线总 线 上。 c p u 的p 2 . 3 接一 个d s 1 8 2 0 用于 测 量 室外 温 度， c p u 的p 2 . 4 接 两片d s 1 8 2 0 用于测 量2 路 室内 温竟 。 由 于 单 线 上传 输的 是数 字 量， 因 川 狈 ( 量 距欲 河达 5 - 6 米，而不影响精度。关于t l c 2 5 4 3 和d s 1 8 2 0 的详细介绍见接口电 路部分。 3 . 2 . 2 开关毖渝材输出控制 集中 监控系 统 除了 要 采 集各 模 拟 量 之外， 还要 检 觑 9 各 个开 关 量信 号， 同 时 也 要 输出 多 种 开男 遥 己 信 号以 控 希 啪应继电 器 的 动 作。 监 测的 开 关 量 主要有 空 调的 开 关 状 态、 门 禁、 水浸、 烟雾等信号， 输出 控制有 .空调的 启停、 加热器的 投入 撤出、 报警器的 开关等。由 于 需 要 采样的 开关 量 不多， 因 此 扩 展了 两 片 并 入串 出 的8 位移位 寄 存 器7 4 h c 1 6 5 。 其中 一片 用于 采样， 另一 片 用于 设 置 控制 器 的 工 作方 式。 开 关 量 均经 光电 限离 和 施 密 特反 相 电 路后接入c p u ，以 去除了 千 扰和 共 地现象的 影响。 3 . 2 .3双 为了 基站维护人员 和监 控中b ，本监控器设置有双音频 拨号电 路， 澎丈 自 动传呼台， 实 现 b p 扫 廿 及 警， 并 将数二 封民 警 信息通 过电 话线 传 送到 监 控中 心。 双音 频拨 号 芯 片采 用 有串 行 接口 的p c d 3 3 1 1 p 。 其 接 线如 图3 - 3 : 图3 - 3拨号部分 原理图 f i g . 3 - 3 s c h e m e o f d ia l - u p 另 外， 为了 定时 上 传状态 信息， 加入了 串 行实 时 时 钟 芯片 一一 d s 1 3 0 2 e d s 1 3 0 2是 公司 w$ lj 生 产的 慢 速充电 式 时 钟芯 片。 它具 有一 个 实 时日 历时 钟 和d a l l a s 公司 研 陆 u 生 产的慢速充电 式时 钟芯 片。 它具 静态 r o m . i l$ i 丈 一个串 行接口 与 微处理 器 进i l is 讯。 3 1 个字节的 d s 1 3 0 2功耗低，并能在小于 1 m w 硕士学位论文 移动基站动力环境监控器的研究与实现 东北农业大学 的 情况下 保 存 数 据和时 钟 信 息， 其内 部 具有 充电 电 路， 可以 圃过 绷呈 实 现 慢 速充 电 。 所 以， 对时钟没 有特殊 要求的系统中， d s 1 3 0 2 是 一 种理 想的 选 择。 3 . 2 .4键9 27 袖 分及其它 由于下位扫 滥控模梦 崖 工 接安装于基站中， 根据现场的 使用要求， 常常需 要查询 某个量 ， 也常需 要 对某个参 数 进行 修 改 与 设 定， 为 此 本监 控器 设 置了4 个 按 键和4 位l e d 数码 管显 示电 路。 4 个 箱氢 接接 到c p l 的p 1 . 0p t . 3口 月屈丈 按 键 可以 完 成 对 系 统 的一些重要参数的 修改 和查询 。 显示部分则 通立m a x 7 2 1 9 来实 现。 m a x 7 2 1 9 是m a x i m公司 生 产的 一种串 行输入 / 输 出 共阴 极显 示 驱动 器。 m a x 7 2 1 9 的3 线 串 行 接口( 时钟 端c l k 、 串 行 输入 端d i n 、 装 载 端l o a d ) 分别 接到c p u 的p 0 . 0 , p 0 . 1 , p o . 4 端。 其中 时 钟 端 和输 入 端与t l c 2 5 4 3 的 复 用，以 节 省c p u 的工 / 0 端口 资 源。 这 里m a x 7 2 1 9 驱 动4 位数 字l e d 和5 个发 光 二 极 管 用 于显示数据和工作 状态。 除此 之外为了 提高 系统 的 可 靠性， 还加 入了“ 看门 狗 十 串 行 e z p r 0 1 f + 上电 复 位电 路” 一一x 2 5 0 4 5 . x 2 5 0 4 5 把 三种 常 用的 功 能: 看门 狗 定 时 器、 电 压 监 控和e p r c m 组 合 在 单 个封 装 之内 ， 可以 用 简 单 的 三 线总 线s p i 接口 和 软 件 协议 对 其 进 t 程 和 读 写 。 这 种 组 合减小了电 路板的 面积， 阳氏 了 系 统 成本。 3 . 3 串行接口 芯片 3 . 3 . l a / 1 ) 转换接口t l c 2 5 4 3 具有1 1 路输凡孟 道 的1 2 位模 数 转 换 器t l c 2 5 4 3 是 美国 德州 仪器 公 司 于 近年 推 出 的 一 种性 能 价 格比 较 优 的1 2 位确 转 换 芯 片 。 它有 三 个 控 制 端 输 入 : 片 选 。) 、 输 入 输出 时钟 ( c l k ) 以 及 地划 输入 端 ( d 工 n ) ， 可以 翅 挝一 个串 行的3态 输出 口 与 主处 理 器 或其它外围串口 通信。 ( 1 ) t l c 2 5 4 3 引脚及功自 绚 下: 人i n o ai n 7 ai n 2 人i n 3 ai n 4 人i n s 人i ii ai n 7 几i t g n d v a c e o c c l k di n d o u t c s r e f , r e f - 人i n 1 0 ai n9 月uq工口口力才月口曰凌砰j月山，工 n，人，孟，工，卜，1，1，11孟下人 12345678910 图3 - 4 引 脚排列 f i g . 3 4 s e q u e n c e o f le g 一1 0- 崔晶 3 . . 监控单元的硬件组成及功能 2 0 0 1 年 5 月 表 3 - 1 t l c 2 5 4 3 引 脚功能 t a b . 3 - 1 t l c 2 5 4 3 s le g f u n c ti o n 引脚号名称1 / 0功能 1 9 , 1 1 . 1 2 a i n o -a i n i oi模拟输入端。 1 5 ai片选端。 1 7d i n i串行数据输am 1 61 厅 0 凡 勺转换结果的串 行输出 端。 1 9 e 0 二0转换结束端。 1 8c l ki 输入尹 输出时钟端。 1 8c l ki 输n 输出时钊 端。 1 4 r e f +i 正基准电 压端。 1 3 r e f -i负基准电压端。 2 0v c c 正电 源。 注释: 串 行输出 线 d o u i : 是 推 挽串 行 数 据输出 引 脚， 读 周 期内 数据 从此引 脚上 移出 ， 数据由串 行时钟的 下降 沿同 步 输出 。 数 据刀 沙 卜 部 芯片 .到单片 机。 串 行输户 途 笼d i n : 是串 行 数 据 输 入引 脚。 通 遣 比 叻 哒 择在 此引 脚上 输入， 数 据 由串 行时 钟的 上 升 r o g存 。 数 据 从 单 片 初 侄 p 卜 部芯 片。 串 行时钟c 1 .k : 串 行时 钟 是 ) j 1 和d i n 的 同 步 脉冲， 每 个c l k 将确 定r o u t 和d i n i 线上一 位 ( b i t ) 的 传 送。 一 般c l k 由 单 片 机 发出。 快 慢由c l k 的 脉宽 决 定 。 片选 ( / c s ) :当 / c s为 高电 平时 ， d o u t 输出 处于 高 阻 状 态， / c s为 低电 平 时 选 中 该芯片。 / c s 不仅 仅 是 选 通， 而且 还 充当 起停信 号， 当 / c s 从高 到 甲 明佼 ( 下 降 沿) 时， 表 示 操 作开 始， 接下 来的 每 个c l k 脉 冲 壮 叶 诈 友1 个 有 效位( b i t ) . 当 / c s 从低到高 m 佼 ( 上升 沿) 时， 表示操作结束。 ( 2 )工作过程说明 一开始， 片选c s为高， c l k 和d i n 被 禁 止， d o u i ， 为高阻 拚伏态 。 c s刻氏 ， 形台 转换 过程， c l k 和d i n 使能， 荆吏 d o u i 脱离 高 阻 抗 状态。 输入数 据是 一个8 位数 据流， 它 包 括 一 个4 位摸 拟面茸 地 址 ( d 7 一 d 4 ) 、 一个2 位 数据长度选择 ( d 3一 d 2 ) 、一 个输出m s b 或l s b 在 前选择位 ( d 1 )以 及一个 单 极性 或 双 极性输出 的选择位 ( d o ) 。 这个 数 据流是从d i n 端 输入， 在c l k . 的上升沿存 入输 入寄 存 器。 在传送这个数据流的同时， 输入 / 输出时 钟的 下降沿也 将前一次 转换的结果从输出 数据寄 存器 移到d o u f 端。 c l k端 接 收 的 时 钟长 度 取 决于 输 入数 据寄 存 器中 的 数 据 长 度 择位， m s b 在前1 2 位时 钟传 送的 时 序图 如图3 - 5 : 硕士学位 论文 移动基站动力环境监控器的研究与实现 东北农业大学 c s d in c 7 c 6 c 5 c4 c3 c 2 c 1 c o二二- e o c 图 3 一 用c s 进行1 2 个时俐专 送以ms b导前 f ig . 3 - 5 t i m in g f o r 1 2 - c l o c k t ra n s f e r u s in g c s w ith m s b f iu s t ( 3 ) t l c 2 5 4 3 与5 1 系 列单 片 机 接口 目 前使 用的5 1 系 列单 片 机没 有s p i ( s i g n s 工 p r o c e s s i n g i n t e r f a c e ) 接口 自 助 ， 为了 与i l c 2 5 4 3 接口 。 可以 利 用 软 件合 成s p i 操 作， 完 成a / d 数 据的 采 集。 本 系 统中 t l c 2 5 4 3 与单 片 机 之间 只 用4 根 线， 转 换结 束 端e o f 未 接入 单 片 机， 这是由 于 两 个工 作 周期之间的指令时间 一般 都大 于 1 0 u s ， 转 换已 经完成， 不必 判断 e o f ; 另 夕 h ao 可以 通 过试 验或计算 指令 执行时 间的 方 法 确定 转 换 是 否 结 束， 这样 可以 省 去 一 根 接 线。 3 . 3 . 2 单线数l p m 计d s 1 8 2 0 美国d a l l