（模式识别与智能系统专业论文）户外移动基站机房监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文主要论述了户外移动基站机房监控系统的设计及实现。户外移动基站机 房平时处于无人值守的状态，为了保证其中通讯设备的安全、稳定、可靠运行， 需要一个机房龉控系统，可以实现对机房内部动力设备、空调设备及环境信息的 采集、与监控中心进行通信实现远程监控、故障检测并发送报警信息、控制机房 内部温度在一定范围之内、实现机房门控方案。 本文首先介绍了机房内部的基本情况，包括机房内部结构和己有设备的情 况，然后详细分析了系统的功能需求和需要达到的性能指标，根据这些需求信息 进行了系统的总体设计。 接着本文论述了系统的硬件设计及实现，进行了硬件电路模块划分、各部分 实现方案选择、具体电路设计及实现。硬件电路以a t 8 9 c 5 5 w d 微控制器为核 心，根据功能需求设计了外围电路，包括存储器模块、实时时钟模块、串行通信 模块、模拟量采集模块、开关量输入输出模块。 在硬件设计的基础上，本文接下来论述了系统的软件设计及实现。首先根据 功能需求设计软件的总体结构，接着详细介绍各个功能模块的实现，包括模拟量 采集模块、实时时钟模块、串行通信模块、故障检测及报警模块、短消息发送模 块、机房门控模块、机房温度控制模块。 最后，本文还对调试中遇到的几个问题及如何解决进行了详细描述。 关键词：监控系统微控制器信息采集串行通信故障检测及报警 a b s t r a c t t h ed e s i g na n di m p i e m e n t a t i o no fr o o mm o n i t o r i n gs y s t e mf 曲o u t d o o rm o b i l eb a s es t a t i o n h a v eb e e nd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n u s u a j l yt h e r ei sn op e o p l ei nt h eb a s es t a t i o n a m o n i t o “n gs y s t e mi sn e e d e df o rg u a r a n t e i n gt h es a f e t ya n dr e l i a b i i i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t i n f o r m a t j o na c q u i s i t i o no ft h ep o w e re q u j p m e n t ，a i 卜c o n d i t i o ne q u i p m e n ta n dt h e 朗v j r o 鲫即ti nm er o o mi sf u 垴l l e db ，t h es y s t e m a 】s d ，出es y s c e mc a nc o m m u n j c a f ew i t hc h e c o n 仃o lc e m e r ，d e t e c te x c e p t i o na 1 1 ds e n da l a n l lm e s s a g e ，f u m l lt e m p e r a t u r ec o n t m l i nm em o m a n dt h ed o o rc o n t r o ls c h e m e f i r s t ，t h eb a s i ci n f o n n a t i o no ft h er o o mi si n t f o d u c e di n c l u d i n gt h es t n l c 姐ta n dm e e q u i p m e n ti n s i d e t h e n ，t h er e q u i r e m e n to ff u n c t i o na n dc a p a b i i i t ya r ea na l y z e dj nd e t a _ 1b a s e d o nt h e s ei n f o r m a t j o n ，t i l ed e s i g no f t l l ew h 0 1 es y s t e mj ng e n e r a lj sp r e s e n t e d n e x t ，t h eh a r d w a r ed e s i g na 1 1 di m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e dw h i c hi n c l u d et h ei n t r o d u c 们o n o fe a c hc i r c u hm o d u l e ，m es e l e c t i o no fi m p l e m e n 协t i o ns c h e m ef o re a c hp a f ta n ds p e c m e dc i r c u i t d e s j 只nt h eh a r d w a r ec j r c u i ti sb a s e d0 na t 8 9 c 5 5 w dm i c r o c o n t r 0 1 1 e ra 1 1 di n c l u d e sm e m o r v m o d u l e ，r e a lt i m ec l o c km o d u l e ，s er j a ic o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ea 1 1 d o u t p u td r j v em o d u l e b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h es o f t 、v a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e dt h e s t r u c t u r eo fs o r w a r e | ng e n e r a l 毽d e s i g n e da c c o r d j n gt 0t h e 凡n c t i o n a ir e q u i r e m e n tt 1 1 e n ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fa 1 1 廿1 em o d u l e si si n t m d u c e di nd e t a j lw h i c hi n c l u d ea n a l o ga c q u i s i t i o nm o d u l e ， r e a l t i m ec l o c km o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e x c 印t i o nd e t e c t i o na n da l a n nm o d u l e t h e m o d u l ef o rs e n d i n gs h o r cm e s s a g e ，r o o mt e i n p e r a t u r ec o n t r 0 1m o d u l ea n dd o o rc o n t r 0 1m o d u l e a tl a s t ，s e v e r a lm a j o rp r o b l e m sm e ti nd e b u g g m e n ta n dh o wt os o l v et h e ma r es t u d i e di n d e t a 1 k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m m i c r o c o r o l l e rj n f o m l a t i o na c q u l s i t j o n s e r i a lc o m m u n i c a t i o n e x c e p t i o nd e l e c t o na n da l a n t l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：赳箍导师签名：日凝尘堕镧f f 3 哔 第一章绪论 1 1 课题研究背景川【2 l 第一章绪论 近几年来，随着移动通信业务的迅猛发展，移动通信基站的建设数量也与日俱增。尤其 是随着第三代移动通信网( 3 g ) 建设的即将启动，移动运营商对于降低基站综合成本和运 营维护成本的要求也更加迫切。随着移动通信不断发展及将来全业务发展的需要，通信机房 的数量急剧增加，对通信设备的维护管理和对基站的安防提出了越来越高的要求。这些不断 增加的通讯局站、不断提升的服务要求对运维队伍的人力资源和运维效率提出了更高的要 求，移动通信的运维力量薄弱和运维工作量大的矛盾日益突出。 为保证移动通信网的正常运行，就必须保证通讯基站内通讯设备的安全、稳定、可靠运 行。随着网络规模的不断扩大，以人工巡检的方式对分布越来越广的基站进行监控，已无法 满足及时发现和处理基站故障的要求。对通信系统中所有基站的配电设备、蓄电池、空调等 多种设各和环境进行计算机化的监视、控制和管理已经成为必然的需求。 因此要求设计一个户外移动基站机房监控系统，可做到机房无人值守、远程监控，给基 站设备提供了一个稳定可靠的工作环境。 1 2 相关技术研究现状m 】【3 1 当前市场上做类似产品的有中若通讯e - g u ”d 集中监控解决方案和艾默生网络能源公司 的动力设备、机房环境及安全监控系统。 e g u a r d 集中监控解决方案采用分布式计算机控制系统结构，以多级监控中心自下而上 逐级汇接而成，每个级别的监控中心连接成一对多的监控系统网络。系统结构可分为监控中 心、传输线路及现场监控单元。 监控中心主要功能为实时监控基站的动力设备及环境量，对基站、机房上报的各种信息 进行智能分析处理，实现告警联动。 现场监控单元，负责采集基站的动力设备及环境参量的数据并将数据定期上报监控中心 ( 告警信息实时上报) ，同时接收并执行监控中心发送来的遥控命令。现场监控单元可对高 低压配电设备、油机、整流器、蓄电池、空调、环境参量进行监控，可以转换智能油机、智 能开关电源、智能空调等智能设备的监控协议，并对其他监控系统提供透明传输接口。基站 监控单元主要由各种监控模块及通讯设备组成。 艾默生网络能源开发的动力设备、机房环境及安全监控系统适用于对通信局站内各种动 力设备( 通信电源、电池、u p s 、油机、低压配电) 、空调设备及其环境( 门禁、温度、湿度、 烟感、水浸、红外、场景) 进行实时监控、统一管理，以保障电信系统正常运行。 东南大学硕士学位论文 1 3 课题研究意义 “十一五”期间，是我国为实现电信电子强国目标奠定坚实基础的关键时期，根据中央 规划精神，未来几年随着3 g 移动网络建设的即将启动，2 0 0 8 年奥运会的召开，我国移动电 信建设将会得到更加迅猛的发展。据资料统计，至2 0 0 5 年末，我国电信用户总数已达7 2 4 亿户，其中移动用户比例t 耳5 2 3 ，同定电话用户比例为4 7 7 ，而且移动用户的增k 速度 也远远大于固定电话用户，我国g s m 移动通信刚络规模居世界首位。另外，宽带接入业务和 数据通信业务增势强劲。根据国家通信专家组对通信市场调查研究表明，未米五年内通信行 业对移动通信基站的需求量约在5 万台以上，这为户外移动基站机房监控系统提供了广阔的 市场空间。 户外移动基站机房监控系统可以对机房内各种设备信息和机房环境信息进行采集，然后 统一发送到监控中心，便于实现对机房各种信息的统一管理，避免原有设备之间各自独立、 不能有机结合的缺点。而且该系统还可以对采集到的信息进行分析处理，进行故障检测，发 现故障则及时报警，利于及时发现并排除故障。这样可咀使机房做到无人值守、远程监控， 在移动通信基站建设数量与日俱增的情况下既提高了维护效率又可以降低维护成本。 此外，户外移动基站机房监控系统不仅仅局限于在通信行业使用，其机房监控设计方案 在其他行业也可以广泛采用。有较为广阔的市场前景。 本课题既适应了无线通信和网络通信高速增长的需求，又缩短了我国在机房监控领域与 世界先进水平的差距；将来实现产品化之后以低于国外同类产品的价格进入市场竞争，为降 低我国运营商成本做出贡献。 1 4 本文研究内容和章节安排 本课题主要任务是设计一个机房监控系统，实现要求的备项功能，包括与电源系统控制 器进行串口通信，与空调系统控制器进行串口通信，采集机房环境和安全信息，对机房内直 流风机、百叶窗、门锁、照明进行控制，与监控中心进行数据传输，故障检测及报警，报警 短消息的发送，机房门控机房温度控制。完成了以a t 8 9 c 5 5 w d 单片机为核心的系统硬件 电路设计与调试，完成了单片机软件的设计与实现。 论文各章节内容如下： 第二章首先介绍了机房的基本情况、本系统需要实现的功能和需要达到的性能指标，然 后论述了系统的总体设计方案，包括各部分模块的设计。 第三章主要论述系统硬件设计及实现，首先给出了系统硬件结构框图，进行了硬件电路 模块划分，然后对各个模块具体电路设计进行了详细介绍。 第四章主要论述系统软件设计及实现，首先介绍了软件的总体结构，然后对各个功能模 块进行了详细介绍。 第五章主要针对调试中出现的几个问题及如何解决进行了详细描述。 2 第二章总体方案设计 2 1 需求分析 2 1 1 机房情况介绍 第二章总体方案设计 移动基站机房约几平方米大小，处于露天的环境之中，室外温湿度随机房地点和季节的 变化都比较大。机房平时处于无人值守的状态。机房里面包括通信主设备、动力系统( 高频 通信开关电源和蓄电池组) 、空调系统( 由2 台空调和空调控制器组成，l 台空调为备用) 、 通风系统( 2 组风机和百叶窗，包括进风扇组和出风扇组) 、电磁门锁、交流照明设备。动 力系统、空调系统均有控制器，但是各自独立，无法实现集中监控，且功能有限，无法对机 房环境数据进行采集。 图2 1 机房内部结构框图 东南_ 人学硕士学位论文 2 1 2 功能需求 该系统主要任务是对机房内部设备和环境信息进行监控，做到机房无人值守、远程监控， 给基站通信设备提供了一个稳定可靠的工作环境。 具体而言包括以下这些功能： 一 为保障设备止常运行，要求对机房动力殴符数据、空调系统数据以及环境数据进 行采集。 ( 1 )与电源控制器进行通信，采集电源系统信息( 包括蓄电池的信息) 。 ( 2 ) 与空调控制器进行通信，采集空调系统信息，并可以对空调进行控制。 ( 3 )对机房环境信息进行采集，采集机房内外温湿度信息。 ( 4 )为保证机房设备的安全，安装一些报警设备，包括红外传感器、烟雾传感器、 漏水传感器，采集这些传感器的信息。 ( 5 )为实现机房门控方案，需要采集门状态信息、出门按钮输入信息和无线遥控 模块输入信息。 二可以实现对直流风机、百叶窗、门锁、照明进行控制。 三与监控中心进行通信 要求做到机房无人值守、远程监控，使得管理人员可以实时了解各基站内的全面情况， 进行有效监控，并降低监控成本。 ( 1 )可以通过某种传输信道定期地将采集到的机房状态信息传输到监控中心，对于 故障报警信息，要做到实时传输，使操作人员以最高效率排除故障。 ( 2 )执行从监控中心r 发的各种控制命令，并返回控制结果。比如对一些参数进行 设置。 四故障检测及报警 在电源系统或空调系统出现故障情况以及报警传感器发出报警信息时，需要向监控中心 及时地发送报警信息，并且通过g s m 的短消息服务向维护人员发送中文短消息，使维护人 员以最高效率排除故障。 五机房门控 可以通过多种途径( 无线模块、开门按钮、上位机命令) 实现对门的控制，并且与红外 报警和照明保持联动。 六机房温度控制 监视机房内部温度并通过对空调和风机的控制使温度保持在一定设定范围内，保证设备 可靠运行。 七空凋切换 有一台备用空调，在当前使用空调出现故障情况下进行切换，保证室内温度不会过高， 并且还要有定时切换功能，以一定时间间隔( 几周时间) 为单位对空调使用进行切换，轮流 使用空调。 第二章总体方案设计 2 1 3 性能指标及其他要求 一响应时间 在与监控中心信息传输速率不小于1 2 0 0 b i “s 时，告警的响应时间、命 令的响应不大丁1 0 s 。 二 测量精度模拟量测量精度不大丁1 ，其他测量误差不大于3 。 三系统稳定性可靠性 ( 1 ) 监控系统硬什能在具备基础电源条件下不间断的工作。 ( 2 ) 要求避免出现误报警情况。 ( 3 ) 与监控中心通信可靠。 四监控系统不能影响被监控设备的正常工作，不能改变具有内部自动控制功能的设备 的原有功能。当监控单元故障时不影响被监控( 通信) 设备的正常丁作和人= i ：= 操作功能。 五监控系统具备便携式计算机进行现场维护操作功能，可以主动向其发送状态信息或 报警信息，也可以利用便携式计算机对监控系统进行设置。 2 2 总体方案 2 2 1 系统接口描述 一般的系统包括电源，数据采集，控制输山，通信，人机交互这些接口。 一电源 控制系统的电源由机房内高频通信开关电源提供，为4 8 v 直流。 二数据采集 基站内已有一些智能控制系统，用其内部的数据采集器件采集设备参数，具有标准通信 接口和生产商提供的设备通信协议，通过标准数据通信接口向本监控系统传输该设备的信 息，比如电源系统和空调控制系统就属于这类系统，均采用r s 2 3 2 接口。在应用的时候比 较简单，只要将其与主监控设备的标准通信接口连接即可。 门的信息可以由电磁门锁提供，电磁门锁提供一些开关量触点信号反映门状态和锁芯状 态信息。 而另一些信息的采集没有现成的设备可以使用，故需要自己加装传感器，然后将信号量 变成计算机能够接收的数字量，送到主监控设备中。比如对温湿度的采集( 温湿度传感器) 、 安全信息( 红外传感器、烟雾传感器、渊水传感器) 的采集就属于这类情况。 东南火学硕l 学位论文 三 控制输出 对直流风机、百叶窗、门锁、照明的控制均可采用开关量输出信号进行。 外部电磁门锁控制回路是+ 1 2 v ( 由控制系统供应) ，直流风机控制回路利用+ 4 8 v ( 来 自机房内部直流电源) ，百叶窗控制同路是+ 2 4 v ( 也由直流电源供应) ，照明是交流2 2 0 v 。 四通信接口 根据客户要求与上位机通信接口采用一路r s 2 3 2 串口然后再通过时隙提取殴各( 或 光端机) 接入到相关通信介质中。与监控中心通信，后一部分不属于本系统设计范围，由客 户提供解决。在现场可以利用便携式计算机通过r s 2 3 2 串口与本系统进行通信，进行调试。 短消息报警可以采用外置g s mm o d e m 的方法解决，该设备通过一路r s 2 3 2 串口与控 制器进行通信。 五人机交互接口 根据功能需求，不需要键盘利显示模块。 六总述 如上所述，系统一共有6 路开关量信号输入，4 路模拟量信号输入，4 路开关量输出，4 路r s 2 3 2 串口，此外还有与遥控无线接收模块的接口( 在硬件部分章节中详细描述) 。 ( 1 ) 开关量输入信号列表 表2 1开关量输入信号 序号含义备注 1 门状态信息来自电磁门锁，触点信号 2锁芯状态同上 3 出门按钮均为触点信号 4 红外传感器 5 烟雾传感器 6漏水传感器 ( 2 ) 模拟量输入列表 表22模拟量输入信号 序号 含义备注 1室内温度 来自温湿度传感器输出的电压 2 室内湿度 信号 3室外温度 4 室外湿度 ( 3 ) 开关量输出列表： 表23开关量输出信号 序号含义 备注 1 门锁输出需提供门锁的+ 1 2 v 电源 2照明触点信号，外部交流2 2 0 v 3直流风机触点信号步 部直流+ 4 8 v 4百叶窗触点信号，外部直流+ 2 4 v 6 第二章总体方案设计 ( 4 ) 4 路串口 表2 44 路串口说明 序号含义备注 1 接电源控制器r s 2 3 2 接口 2 接空调控制器 3接g s m m o d e m 4 接上位机 由此画出系统接口定义图如下 图2 2系统接口定义图 7 东南火学硕士学位睑文 2 2 2 总体方案设计 电源控制器空调控制器上位机g s m 通信m o d e m 图2 3 系统总体结构图 1电源模块 控制系统的电源由机房内高频通信开关电源提供，为4 8 v 直流。系统需要+ 5 v 电源， 此外门锁控制还需要一路+ 1 2 v 电源，故选择一个d c - d c 电源模块，将4 8 v 先转化成1 2 v 再利用l m 7 8 0 5 从1 2 v 电源得到5 v 电源。 2 单片机 选择8 位微控制器a t 8 9 c 5 5 w d ，其内部具有2 0 k 字节的可编程f l a s h 存储器，适合 本系统的应_ q j ，外部可以不用扩展程序存储器。 3 译码控制电路 利用外部总线扩展了一些器件，故需要进行地址译码工作。采用了利用可编程逻辑器件 g a l 进行地址译码，为总线上的器件提供片选信号。 4 存储器模块 单片机片内只有2 5 6 字节的内部r a m ，而该系统需要和电源控制器、空调控制器、g s m m o d e m 通信，实现短消息发送，需要大量的r a m 空间存放中间变量，故外扩了一片8 k 字节的s r a m 。s r a m 的片选线由g a l 提供。此外，还需要保存一些参数信息，要求掉电 不丢失，故扩展了e e p r o m ，为了便于与单片机接口，选择1 2 c 接口的e e p r o m 。 第二章总体方案设计 5 串口通信模块 采用串口复用方案，利用g a l 芯片实现串口切换，将单片机的一路u a l 玎扩展成4 路。 r s 一2 3 2 c 电气特性规定采用负逻辑，逻辑0 电平为+ 3 v + 1 5 v 之间，逻辑1 电平为1 5 v - 3 v 之间，因此与t 1 i l 电平联接时需经过电平转换。故还需要串口电平转换芯片实现r s 2 3 2 串口通信。 6 信息采集模块 分模拟量采集和开关量采集。开关量信号经过光藕后接到输入缓冲器中，单片机利用输 入缓冲器扩展输入接口实现开关量采集。模拟量信号经过信号调理电路后送入a d 转换器， 实现模拟信号测量。 7 遥控接收模块接口 需要实现与遥控接收模块的接口，使单片机可以采集该模块的信息。( 具体描述见硬什 部分) 8 输出模块 主要为开关量输出提供驱动。外部电磁门锁控制回路是+ 1 2 v ( 由控制系统供应) ，直 流风机利用+ 4 8 v ( 来自机房内部直流电源) ，百叶窗是+ 2 4 v ( 也由直流电源供应) ，照明 是交流2 2 0 v ，利用继电器进行控制。单片机利用锁存器扩展输山接口，然后通过三极管去 驱动继电器，从而控制外部设备。 开关 东南大学倾十学位论文 3 1 硬件结构图 第三章硬件设计 根据总体方案，选择8 位微控制器a t 8 9 c 5 5 w i ) 作为主控制器，同时考虑系统复位、 r o m 空间、r a m 空间、地址译码、i ，o 口的扩展、模拟量采集、开关量采集、开关量输出 驱动、系统时钟配置、串口通讯等方面的设计，硬件模块结构如下图所示 电源控制器空 j ! j | 控制器上位机 g s m 通信m o d e m 以_ 卜将对各部分模块进行介绍。 图3 1系统硬件结构图 第三章硬件设计 3 2 微控制器及外围电路 3 2 1 微控制器a t 8 9 c 5 5 w d 介绍【4 a t 8 9 c 5 5 w d 是a t m e l 公司5 1 系列中的一款微控制器，与5 1 系列单片机兼容，但是 在资源上有所增加。 特点： 1 )有2 0 k 可编程f l a s h 存储器，可进行1 0 0 0 次擦写 2 ) 工作电压范围：4 v _ 5 5 v 3 ) 2 5 6 字节内部r a m 4 ) 3 2 个可编程i o 口( 最多，当不使用总线时) 5 ) 3 个1 6 位定时计数器 6 )8 个中断源 7 ) 硬件w a t c h d o g 8 ) 双数据指针( d a t a p o i n t e r ) 由于考虑到系统需要实现g s m 短消息发送，该部分涉及到短消息格式的编码，需要占 用大量程序空间，a t 8 9 c 5 2 的8 k f l a s h 存储器已经不能满足要求。而a t 8 9 c 5 5 w d 的2 0 k 程序存储器容量足够大，可以不用扩展外部程序存储器。故选择该款m c u 。 3 2 2 时钟电路5 为单片机提供时钟信号，可以使用无源晶体或者有源品振。 1 无源晶体( c r y s t a l ) 是晶体谐振器的简称，是一种压电石英晶体器件，具有一个固 有的谐振频率，在恰当的外部激励作用下，以其固有频率振荡。在单片机内部具有振荡电路 ( o s c i l l a t o r ) ，是为晶体提供激励和检测的电路。在使用使只需要将晶体和两个振荡电容接 到x 1 i a l l 、x t a l 2 两个引脚即可。 这样做优点是电路简单，价格便宜，占p c b 面积小，缺点是驱动能力差，不可提供多 个器件使用：频率范围相对丁：有源晶振而言小：2 0 ：h z 一6 0 m h z ：使用时必须注意振荡电容， 若电容选的太大或者振荡电容坏了都无法起振。 2 有源晶振不需要单片机振荡电路的配合即可产生时钟信号，功能上相当于无源晶体、 振荡电容、振荡电路的结合，故使用起来很方便，只要提供电源即可输出稳定的时钊t 信号。 优点是电路简单、频率范同宽l h z 一4 0 0 m h z 、驱动能力强，可提供多个器件使用。缺点是 成本较高。 二种电路的接法也有区别，如图3 2 和3 3 所示。 时钟电路选择原则： 1 ) 单一时钟信号时，可选择无源晶体电路。 2 )多个同频时钟信号或者对时钟信号要求较高时选择有源品振电路。 3 ) 尽量使用处理器片内的p l l 锁相环，降低片外时钟频率，提高系统可靠性。若片 外时钟频率很高则可能对其他电路构成干扰，在p c b 设计时需要特别注意。 东南大学坝j ：学位论文 x 1 飘l h 2 e x l e r n a lc i o c kd v ec o n a g u 瑚酾 图3 2 无源晶体接法图3 3 有源晶振接法 本系统只有单片机需要提供时钟电路( 实时时钟芯片内部已包括晶振，不需外部配置晶 振，详见对应章节) ，a t 8 9 c 5 5 w d 时钟范围是o 一3 3 m h z ，故选择无源晶体电路，为了方 便串口波特率的计算，选择1 1 0 5 9 3 2 m h z 的晶体，根据a t 8 9 c 5 5 w d 的芯片资料，配置2 个3 0 p f 的振荡电容。 3 2 3 看门狗及复位电路【6 选择m a x i m 公司的m a x l 2 3 2 芯片，具有以下特点： 1 ) 在微处理器上电、掉电时，产生二个复位输出信号( r s t 信号高屯平有效、，r s t 信号低屯平有效) ，复位脉冲宽度最小为2 5 0 m s 。 2 ) 复位门限电平可配置为4 7 5 v 或4 5 v 。 3 ) 具有w a t c h d o g 电路，且看门狗定时器可配置成1 5 0 m s 、6 0 0 m s 、1 2 s 。 4 ) 手动复位输入，低电平有效。 剀3 4 看门狗电路 第三章硬件设计 1 复位电路 复位包括上电、掉电时自行对系统进行的复位，同时也包括在单片机陷入死循环的情况 下，由看门狗电路控制的系统复位。m a x l 2 3 2 的复位引脚在系统上电、掉电时可以自行产 生复位输出信号；同时通过设置其看门狗电路，在单片机陷入死循环状态时也可以产生复位 输出。 系统中一共有2 个器件需要复位信号：a t 8 9 c 5 5 w d 和实时时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 。前者 需要高电平复位信号，后者需要低电平复位信号。故需要可以同时提供高电平平低电平复位 信号的芯片。m a x l 2 3 2 可同时提供高电平复位信号r s t 和低电平复位信号r s t ，且复位脉 冲宽度最小为2 5 0 m s ，可以满足d s l 2 c 8 8 7 的至少2 0 0 m s 复位脉冲宽度要求。 在使用瓜s t 时需要注意，其输出是开漏输出，而d s l 2 c 8 8 7 一侧的瓜s t 无内部上拉电 阻，故需要外部接一个上拉电阻，保证在不复位时为高电平。 该芯片可以通过对t o l ( t o l e r a n c ei n p u t ) 引脚对复位门限电平进行配置，接g n d 表示 5 的t 0 l e r a n c e ，即复位门限电平为4 7 5 v ；接v c c 表示l o 的t 0 l e r a n c e ，即复位门限电 平为4 5 v 。若复位门限电平过高，则电源电压的波动可能会造成不必要的复位，故选择将 该脚经电阻上拉至v c c ，复位门限电平为4 5 v 。 2 看门狗电路 a t 8 9 c 5 5 w d 自带硬件看门狗，而m a x l 2 3 2 内建看门狗电路，选择使用m a x 】2 3 2 的 看门狗电路。 单片机程序正常工作时，使用i ，o 引脚定期( 周期 看门狗溢出周期) 改变m a x l 2 3 2 s t 输入端的电平。每当m a x l 2 3 2 检测到s t 引脚发生一次高到低的改变，w 越c h d o g 就复位一 次，这样w a t c h d o g 永远不会发出复位信号。如果当单片机由于受到某种干扰或发生某种故 障时，程序跑飞，从而无法定期改变s t 的电平，那么w a t c h d o g 电路就会在一定时间后产 生复位信号，使单片机复位。待2 5 0 m s 复位脉宽后，单片机复位结束，程序重新开始执行， 保证了系统的正常运转。 m a x l 2 3 2 的看门狗溢出周期也可以通过t d ( t j m ed e l a ys e t ) 引脚进行配置。将) 脚 接o v ，则周期是1 5 0 m s ；将t d 脚浮空，周期6 0 0 m s ：1 d 脚接v c c ，周期1 2 s 。考虑到尽 茸把程序处于非正常状态的时间缩短，故选择最小的看门狗溢出周期1 5 0 m s 。 3 手动复位 无需手动复位的功能，故将p b 脚接v c c ( 低电平有效) 。 3 2 4 单片机引脚分配情况7 】 1p o p 2 口 本系统需要扩展s r a m 、实时时钟、i o 接口，故需要利用外部总线。 p 0 p 2 口作为单片机的外部总线，数据线宽度是8 位，地址线是1 6 位，故寻址空间是 6 4 k 字节。p o 口对应a d o a d 7 ，是地址数据复用总线口在外部还需要7 4 h c 3 7 3 地址锁 存器，实现地址、数据总线的分时复用。p 2 口是高8 位地址总线，对应a 8 a 1 5 。 从这里可以看出，由丁使蚪j 了总线，剩下的i o 口数肇不够，故系统需要进行| ，o 扩展。 东南大学硕士学位论文 2p l 口 用作系统外围设备的控制信号，作为t ，o 线来使用。 表3 1p 1 口各位的控制功能 序号名称内容 输入输出方向 p 10a d c s a d 器件s p i 接口的片选线 o p 11a d c l k a d 器件s p j 接口的时钟线 o p 1 2a d d i o a d 器什s p i 接口的数据线 i o p 1 3 r ss e t l 串口通道切换的选择o p 1 4 r ss e t 2 串口通道切换的选择 o p 1 5s c l i i c 总线时钟信号 o p 1 6s d a i i c 总线数据信号 i 0 p 1 7w d i 提供看门狗电路的刷新信号 o 注：p 1 o 、p 1 1 、p 1 2 构成单片机的s p i 接口，用于和a d 器件t l c 0 8 3 8 进行通信。是 利用单片机的i o 口模拟s p i 的时序进行通信的。 一共有四路串口通道需要进行切换，故至少需要2 根选择线r ss e t l 和r ss e n 。 p 1 5 和p 1 6 构成i i c 接口，用于和e e r p o m 进行通信，也是利用i ，o 接口来模拟i i c 的时序。 3p 3 口 p 3 口是准双向i o 口，也可作为单片机的特殊功能引脚。 表3 2p 3 口各位的控制功能 序号 名称内容输入输出方向 p 3 o r x d 串行通信数据接收 i p 3 1t x d 串行通信数据发送 o p 32i n t 0 外部中断o i p 3 3，i n t l外部中断1l p 3 4备用i o p 3 5备用i o p 3 6 ，w r 总线写信号 o p 3 7粕 总线读信号 o 注： i n t o 接时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 的i r q 引脚，可使单片机响应时钟芯片的中断请求。 ，i n t i 用于单片机和遥控接收模块进行接口，若接收到数据则向单片机请求中断。 均配置成跳变触发方式，即该引脚电平的一个负跳变将触发一次中断。 4 第三章硬件设计 3 2 5 系统地址分配 总线器件包括s r a m 6 2 6 4 、时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 、2 个输入接口7 4 h c 2 4 5 、输出接口 7 4 h c 3 7 4 。 地址译码的实现详见可编程逻辑器件使用部分。 表33 系统地址分配 器件地址范围 s r a m6 2 6 4o x 0 0 x 1 f f f d s l 2 c 8 8 70 x 2 0 0 0 一0 x 3 f f f 7 4 h c 3 7 4 ( 扩展开关量输出接口)o x 4 0 0 0 一0 x 5 f f f 7 4 h c 2 4 5 ( 扩展开关量输入接口)o x 6 0 0 0 0 x 7 f f f 7 4 h c 2 4 5 ( 无线模块输入接口) o x 8 0 0 0 o x 9 f f f 注：7 4 h c 3 7 4 、7 4 h c 2 4 5 实际只占用列出地址范同的一个地址，在软件中使用地址： o x 4 0 0 0 、0 x 6 0 0 0 、0 x 8 0 0 0 。 d s l 2 c 8 8 7 只使用1 2 8 个地址( 由低8 位地址线决定) ，软件中使用从o x 2 0 0 0 开始 的1 2 8 个地址。 3 3 开关量i 0 接口扩展 如前所述，系统需要采集6 路开关量，输出4 路开芙量，另外还需要设计遥控接收模块 的接口，也是开关量。而由于使用了单片机总线，l o 口数量不够，故必须进行i o 扩展。 i ，o 扩展的方案考虑：”“” 可以分为总线扩展方法和串行口扩展方法。 1 ) 总线扩展方法是通过单片机的总线米扩展接口，扩展的并行口i o 芯片，其并行 数据线与单片机总线的数据线连接，该芯片与总线上的其他器件一样分配有地址，通过该地 址可以实现l o 接口的读写操作。这种扩展方法只分时占用总线，并不影响总线与其他芯片 的连接，不会造成单片机硬件的额外开支。 2 ) 串行口扩展方法这是利用m c s 5 1 单片机串行口在方式o ：i ：作状态下所提供的 i o 扩展功能。串行口方式。为移位寄存器工作方式外部接上串入并出的移位寄存器 7 4 l s l 6 4 时可以扩展并行输出口，而接上并入串出移位寄存器7 4 l s l 6 5 时可以扩展并行输入 口。这种方法只需要占用串行口，而且通过移位寄存器的级联方法可以扩展多数量的并行 i o 。 由于本系统需要使用串行口迸干亍串口通信，故采用总线扩展方法。 具体而言，可以采用通用j o 芯片如8 2 5 5 8 1 5 5 或者锁存器、缓冲器之类的芯片进行扩 展。 1 ) 8 2 5 5 为可编程三端口并行i o 接口芯片，具有4 0 个引脚，可以通过方式控制宇的 设置选择三个端口各自的工作方式，各端口具有i o 锁存和缓冲。8 1 5 5 功能更强大，内部具 有2 5 6 个字节r a m ，2 个8 位、1 个6 位的可编程i o 口和1 个1 4 位计数器。 2 ) 采用锁存器、缓冲器作为1 ，o 扩展芯片，也是单片机系统经常采用的方法。与前述 的通用i o 芯片相比，这些芯片具有体积小、成本低的优点，在扩展单个8 位输入或输出口 时十分方便。可以使用的有7 4 h c 3 7 3 、7 4 h c 3 7 4 、7 4 h c 2 4 4 、7 4 h c 2 4 5 等。在实际电路中根 据芯片特点及输入、输出量的特征选择合适的扩展芯片。 结台本系统的实际情况，选择采用锁存器、缓冲器作为i o 扩展芯片。 东南大学硕i 学位论文 3 3 1 开关量采集电路设计 开 妒 光 展 苴 输片 耦 入 机 接 u 量输入 图3 5开关量采集电路结构图 如表2 1 所述，系统一共有6 路开关量输入：门状态信息、锁芯状态、出门按钮、红外 传感器、烟雾传感器、漏水传感器。 如上图，开关量输入经光耦t l p 5 2 1 隔离后再送入扩展输入接口7 4 h c 2 4 5 ，单片机通过 总线访问7 4 h c 2 4 5 实现开关量采集。 一光电隔离电路【1 o 】 本系统中的开关量信号均为无源触点信号，光耦电路设计如下 土j 圭醚圭立璺：耋童：鳞盐崩主 赫进隧链醪土嵩= = l i 兰i 曼二 w n 自tl 主= i ! ! 强| h | 赫毯hh | | 一 i + 斗一i 童萝参矧鼍 _ | 卜 持h ll r 王舅= - _ - ij 捌h 删，| t ；一1 鼍薯一i 并彳甲翻麓r r r l m l t 。 1 啊 王整塞 ：= 出：! 型型：盎避谢jh 粉= 带 = = l 醚，l 受 j _ ，”；臀。浮_ “ ； i - i j h ；i ；曩! ；争 图3 6光耦部分电路 注：光耦的5 脚接2 2 k 的上拉电阻至1 2 v ，1 2 脚接4 7 k 的上拉电阻至5 v 。电路中使 用了排阻，上图中术包括这些部分。 分析： 1 ) 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。光电耦合器是以光为媒介的传输信号的器件。 其输入端配置发光源( 发光二极管) ，输出端配置受光器( 光敏三极管) ，因而输入与输山在 电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器之后，由于光电耦合器的隔离作用， 使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧， 此外，还可起到很好的安全保护作用，因为光电耦合器的输入回路和输出回路之间有很 高的耐压值。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号直接耦合，而是以光为媒介进 行间接耦合，故具有较高的电气隔离和抗干扰能力。 光电耦台器输入端( 5 脚) 接的电阻起限制发光二极管正向电流的作用。发光二极管工 作电流一般在几个毫安到十几毫安之间，此处取为5 毫安，则上拉电阻的阻值为1 2 v 5 m a = 2 4 k 欧姆，实际取为2 2 k 。 2 ) 光电耦合器输出端( 1 2 脚) 接+ 5 v 电源和一个4 7 k 的上拉电阻。若外部触点闭合， 则光耦6 脚为o v ，发光二极管导通，光敏三极管也导通输出为低电平( 0 v ) ；若外部触 点断开，光敏三极管不导通，由于上拉电阻的作用，输出为高电平( 略小丁- + 5 v ) 。经这样 处理后把外部的触点信号转化成电压范围是0 5 v 的信号，可以提供给后面的7 4 h c 2 4 5 进 1 6 第三章硬件设计 行采集。 输出端上拉电阻阻值的选取主要是根据发光二极管正向电流和光耦的传输比决定的，保 证光敏三极管处于截止饱和导通的状态。 二扩展输入接口【1 1 图3 7扩展输入接口部分电路 选择双向数据缓冲器7 4 h c 2 4 5 ，d m 引脚接v c c ，用于控制数据传输方向为从端口a 到端口b ，即端口a 接输入的数据，端口b 接单片机的数据总线。 将7 4 h c 2 4 5 接入总线关键在于对厄n a b l e 引脚的控制。该引脚低电平有效，有效时端口 a 的数据到达端口b ，无效时二者不通，端口b 输出处于高阻状态。 图中的2 4 5 一c s l 信号是地址译码信号c s 2 4 5 与r d 信号的或，接到e n a b l e 引脚。 即e = 2 4 5c s l = c s 2 4 5 + ，r d( 表示低电平有效) ( 注：该部分由g a l 芯片实现，2 4 5c s l 由g a l 产生) 这样，只有当地址译码信号和，r d 信号均为低时7 4 h c 2 4 5 使能，外部信号可以输入到 总线上，即在单片机总线上出现有效数据，等r d 信号的上升沿时单片机将该有效数据读入。 这样可以满足a t 8 9 c 5 2 总线的时序要求，实现输入接口扩展。 7 东南人学硕士学位论文 3 3 2 遥控接收模块接口电路设计 图3 8 遥控接收模块接口电路 对遥控接收模块的说明：遥控接收模块通过j 1 2 连接到板子上来，无按键按下，v t 脚 和d 0 d 7 脚均为0