（机械电子工程专业论文）移动通讯基站天线转角的远程控制.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着移动通讯的日益普及，通讯基站的数量越来越多，密度越来越大，使得改 变基站天线定向转角的工作成为基站工作的一项主要而频繁的任务。传统的改变基 站定向天线转角的方法存在费时费力且不安全等问题。结合当前的网络控制技术。 论文研究并设计了一种基于以太网的远程控制系统。 论文从基站远程控制基本构架分析入手，设计了基于c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机和网卡 通信芯片c s 8 9 0 0 a 的通讯模块硬件电路；在深入探讨了嵌入式t c p i p 协议及其与 互联网的链接的基础上，构造了精简t c p i p 协议栈；重点研制了上、下位机控制 软件，其中包括基于v b 环境的上位机控制界面程序、基于k e i l 环境的用c 5 1 语言 编写的单片机控制程序和用汇编语言编写的网卡驱动程序以及基于h t m l 语言的网 页控制界面程序。最后，论述了数据传输的可靠性和安全性并通过实验室测试得出 了设计结论。 关键词：单片机c 8 0 5 l f ，网卡芯片c s 8 9 0 0 a ，t c p i p 协议，远程控制 a b s t r a c t w i t ht h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ne n t e r i n gi n t oo u rd a i l yl i f e ，m o r ea n dm o r e c o n l m u n i c a t i o nb s a ss t a t i o na p p e r se v e r y w h e r e t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h e t r a d i t i o n a lm e a l l so fa d j u s t i n gt l l ea n t e 肌a a n g l e ，s u c ha sw a s t i n gt i m ea n du n s a f e t y c o m b i n ew i t ht h ec u r t e n ti n t e m e tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，as y s t e mb a s e do ne t h e m e ti s r e s e a r e h e da n dd e s i g n e d t h ep a p e rs t a r t sw i t hb a s ef r a m e w o r ko ft h eb a s es t a t i o n f i r s t l y ，t h eh a r d w a r eo f c o m m u n i c a t i o nm o d u l et h a tb a s e do nm c uc 8 0 51f 0 2 0a i l di n t e m e tc o n t r o l l e r c s 8 9 0 0 ai sp r e s e n t e d ；s e c o n d ，a r e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft c p i pp r o t o c o l ，i t d i s c u s s e st h et r a n s p l a n ta n do p t i m i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o lo nt h ec o n t r o ls y s t e m ； a n dt h ed e s i g nt h ec o n t r o ls o r w a r eo ft l l eu p p e rs u b s y s t e ma n dl o w e rs u b s y s t e m ， i n c l u d i n gt h ec o n t r o li n t e r f a c ei nt h eu p p e rs u b s y s t e mb a s e do n s u a lb a s i c 、 t h em c u c o n t r o ls o r w a r et l l r o u g hc 51i nt h el o w e rs u b s y s t e mb a s e do nk i l l 、t h ed r i v e ro ft h e n e t w o r kc h i pb a s e do na s s e m b l ya n dt h ec o n t r o lw e bi n t e r f - a c eb a s e do nt h eh t m l a t l a s t ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n dt h es e c u r i t yi se 1 由o r a t e d ，a n dg o tt h ed e s i r e d c o n c l u s i o nt h r o u g ht h et e s t z h a oc h a n g y o u ( m a c h t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i n k e yw o r d s ：m c uc 8 0 5 1f i n t e r n e tc o n t r o h e rc s 8 9 0 0 a ，t c p i pp r o t o c o i ， r e m o t ec o t r o l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着移动通讯的日益普及，通讯基站的数量越来越多，密度越来越大，使得改 变基站天线定向转角的工作成为基站工作的一项主要而频繁的任务。传统的改变基 站定向天线转角的方法存在费时费力且不安全等问题。结合当前的网络控制技术。 论文研究并设计了一种基于以太网的远程控制系统。 论文从基站远程控制基本构架分析入手，设计了基于c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机和网卡 通信芯片c s 8 9 0 0 a 的通讯模块硬件电路；在深入探讨了嵌入式t c p i p 协议及其与 互联网的链接的基础上，构造了精简t c p i p 协议栈；重点研制了上、下位机控制 软件，其中包括基于v b 环境的上位机控制界面程序、基于k e i l 环境的用c 5 1 语言 编写的单片机控制程序和用汇编语言编写的网卡驱动程序以及基于h t m l 语言的网 页控制界面程序。最后，论述了数据传输的可靠性和安全性并通过实验室测试得出 了设计结论。 关键词：单片机c 8 0 5 l f ，网卡芯片c s 8 9 0 0 a ，t c p i p 协议，远程控制 a b s t r a c t w i t ht h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ne n t e r i n gi n t oo u rd a i l yl i f e ，m o r ea n dm o r e c o n l m u n i c a t i o nb s a ss t a t i o na p p e r se v e r y w h e r e t h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h e t r a d i t i o n a lm e a l l so fa d j u s t i n gt l l ea n t e 肌a a n g l e ，s u c ha sw a s t i n gt i m ea n du n s a f e t y c o m b i n ew i t ht h ec u r t e n ti n t e m e tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，as y s t e mb a s e do ne t h e m e ti s r e s e a r e h e da n dd e s i g n e d t h ep a p e rs t a r t sw i t hb a s ef r a m e w o r ko ft h eb a s es t a t i o n f i r s t l y ，t h eh a r d w a r eo f c o m m u n i c a t i o nm o d u l et h a tb a s e do nm c uc 8 0 51f 0 2 0a i l di n t e m e tc o n t r o l l e r c s 8 9 0 0 ai sp r e s e n t e d ；s e c o n d ，a r e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ft c p i pp r o t o c o l ，i t d i s c u s s e st h et r a n s p l a n ta n do p t i m i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o lo nt h ec o n t r o ls y s t e m ； a n dt h ed e s i g nt h ec o n t r o ls o r w a r eo ft l l eu p p e rs u b s y s t e ma n dl o w e rs u b s y s t e m ， i n c l u d i n gt h ec o n t r o li n t e r f a c ei nt h eu p p e rs u b s y s t e mb a s e do n s u a lb a s i c 、 t h em c u c o n t r o ls o r w a r et l l r o u g hc 51i nt h el o w e rs u b s y s t e mb a s e do nk i l l 、t h ed r i v e ro ft h e n e t w o r kc h i pb a s e do na s s e m b l ya n dt h ec o n t r o lw e bi n t e r f - a c eb a s e do nt h eh t m l a t l a s t ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n dt h es e c u r i t yi se 1 由o r a t e d ，a n dg o tt h ed e s i r e d c o n c l u s i o nt h r o u g ht h et e s t z h a oc h a n g y o u ( m a c h t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i n k e yw o r d s ：m c uc 8 0 5 1f i n t e r n e tc o n t r o h e rc s 8 9 0 0 a ，t c p i pp r o t o c o i ， r e m o t ec o t r o l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文移动通讯基站天线转角的远程控 制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：i 罄鬟基一日期：二竺掣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日 期： 趁芝 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言弟一早ji 西 随着移动通讯的日益普及，通讯基站的数量越来越多，密度越来越大，使得改 变基站天线定向转角的工作成为基站工作的一项主要而频繁的任务。目前基站工作 的普遍情况还处在当信号出现问题时采用人工方式去改变每个基站的天线转角。这 种做法费时、费力、缺乏安全性，还不能确保及时控制。因此，能否采用更经济、 更快捷、也更安全的方法对基站天线转角进行控制成为摆在我们面前的一道课题。 而采用远程控制将是解决问题的有效途径。 远程控制其实质就是网络控制。近年来，网络远程控制技术发展日新月异，它 利用网络作为控制器与被控对象之间的信号传输媒介，打破了传统控制距离的局限 性，因此应用范围越来越广。其中，以电机为被控对象的网络控制系统是其主要应 用领域之一。基于网络的电机远程控制不仅延长了传输距离、扩展了控制空间，而 且在故障诊断能力，安装维护等方面都较传统控制优越。因此，这种新型的远程电 机控制技术应用前景十分广泛【1 j 。 远程控制可以依赖多种网络方式：小到局域网l a n 、大到广域网w a n 、直到 国际互联网i n t e r n e t 。而近年来在工业自动化生产现场使用的远程控制网络基本 上是现场总线和以太网。 1 2 现场总线 现场总线是应用在工业生产现场和工程现场的一种可以在微机化测控设备之 间实现双向、串行、多节点数字通信的网络系统。现场总线是一种应用于工业系统 的数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本但却能进行实时控 制的网络。即它是在自动化最底层的控制器、智能仪表、执行机构等现场设备之间 以及这些现场控制设备和高级控制系统之间进行连接的，网线上传输的是小批量数 据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性强。现场总 线是一种开放式控制网络，它要按照公开、规范的通信协议进行数据传输与信息交 换。 按照传输数据的大小现场总线可分为三类：传感器层总线( s e n s o rb u s ) ，其数据 宽度为位( b i t ) ；设备层总线( d e v i c eb u s ) ；数据宽度为字节( b y t e ) ；数据流层现场总 线( f i e l db u s ) ，( 数据传输以b l o c k 计) 。 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，而主流现场总线大概不到十种，但 华北电力大学硕士学位论文 它们占有8 0 左右的市场份额。它们是：a s i 和s e r i p l e x 这两种总线是基于位 控制的传感器总线；i n t e r b u s 和c a n ( 控制器局域网c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 这 两种总线是基于字节控制的的设备级总线；f f ( 基金会现场总线f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 和p r o f i b u s ( 过程现场总线p r o c e s sf i e i d b u s ) 这是两种基于块的现场总线； l o n w o r k s 总线这是现场总线中唯一提供全部服务的总线，即它可以同时应用 在s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 和f i e l db u s 的任何一层。这几种现场总线各有各自的技 术特点和相对稳定的应用领域并显示出了自身的优势，同时也产生了一定影响。比 如，a s i 和s e r i p l e x 特别适合于以开关量为主的智能配线系统。c a n 总线最初曾专 用于汽车内部测试仪器与执行部件之间的数据通信协议，现在其应用领域已扩展到 机械制造、数控机床、变电站检测中，广泛用于p l c 和变频器之间的通信。f f 总 线主要应用于化工、石油、污水处理等过程自动化现场；p r o 舶u s 和l o n w o r k s 则是 加工制造过程和楼宇自动化领域的霸主【2 1 。 现场总线在应用中还存在一些技术瓶颈问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 当总线电缆断开时整个系统有可能瘫痪。用户希望这时的系统其效能可以降 低，但不能崩溃，但这一点目前许多现场总线不能保证。 ( 2 ) 本安( 本质安全) 防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线 上负载的数量，因而也就限制了现场总线本来可以节省电缆的优点的发挥。 ( 3 ) 系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多且不容易掌握，但组态参 数设定得好坏，对系统性能影响很大。 除了技术问题之外，现场总线应用的最重要的障碍是每种总线标准都有自己特 定的通信协议，要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的，但每种现场 总线都有自己最适合的应用领域。如何根据应用对象的不同来组合选择各层次的现 场总线，使之满足系统各部门应用的需求，对用户来说，仍然是比较棘手的问题。 这无疑对工业网络的应用及发展会造成一定的影响。为了加快新一代控制系统的发 展与应用，各大厂商纷纷寻找其它途径以求解决扩展性和兼容性的问题。业内人士 把目光转移到了在商用局域网中大获成功的具有结构简单、成本低廉、易于安装、 传输速度高、功耗低、软硬件资源丰富、兼容性好、灵活性高、易于与i n t e m e t 集 成、支持几乎所有流行的网络协议的以太网技术。 1 3 工业以太网 以太网e t h e r n e t 最早是由x e r o x ( 施乐) 公司创建的。确切地说它其实只是一 个符合i e e e 8 0 2 3 系列标准规范下的通信协议。当各生产厂商根据这个协议标准生 产出具有同种电气结构和数据通信结构的产品，如同轴电缆、路由器、交换机、集 2 华北电力大学硕士学位论文 线器等，再将这些产品组建起来构成网络系统时，这个系统就被称为以太网。阻古 网己成为当今应用最为广泛的局域网。 过去人们一直认为，以太网不适用于实时性与可靠性要求很高的工业自动化控 制领域，但随着网络技术的发展，以太网技术有了长足的进步。其中，交换式以太 网技术、高速以太网技术、虚拟局域网( v l a n ) 技术、全双工通信技术、i p 服务质 量( q o s ) 技术的发展都大大提高了以太网系统中信息传输的实时性、确定性。目前， 以太网的实时响应时间可以提高到低于1 m s ，从而产生了实时以太网( r e a lt i m e e t h e m e t ，简称r t e ) ；此外，实际应用中，一些厂家又积极地推出了工业级的以太 网设备，使其主干网络可采用光纤传输，而现场设备的连接则采用屏蔽双绞线。对 于重要的网段和节点的通信器件则采用冗余配置和自动无扰切换技术，在可能的情 况下再配置一个实时监控软件不断监视整个网络的通信状况以及每个节点的软硬 件工作情况，一旦发现异常，就迅速将故障节点隔离并做出相应报警。所有这些手 段都有效地提高了以太网通信的可靠性和稳定性。于是一种全新的工业以太网产生 了。这种工业以太网技术是普通以太技术在工业控制网络中的延伸。它与商用以太 网( i e e e 8 0 2 3 标准) 完全兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面却能满足 工业现场的需要，即环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方便性均适于工业现 场要求。 同现场总线相比工业以太网的优势非常明显： 具有低成本，易于组网，技术支持广泛的特点。以太网已被使用多年，具有大 量的软、硬件资源和开发设计经验。由于应用于以太网上层的t c p ，i p 协议比较成 熟，许多计算机操作系统都配备了t c p i p 协议，因而绝大多数网络产品均提供以 太网接口，因此，以太网产品价格相对较低，有丰富的软、硬件支持，有大量从事 开发和维护的技术人员。 具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽。经过近三十年的发展，以 太网传输速率从最初的仅为2 9 4 m b i t s 到近年来吉比特以太网的实用化以及与光纤 技术的有机结合而出现的“光以太网 ，其传输速率已达到1 0 g b i t s 。由于高速以 太网的帧格式不变，使之向下兼容，升级成本低，因此以太网是高性能的网络载体。 能够实现网络的无缝连接，即克服了接入网与干线网之间的瓶颈效应。在以太 网上使用t c p i p ，其可开发性能够使测控网和信息网统一起来。现场信号不仅可以 在企业的i n t r a n e t 上及时发布和共享，还可以在i n t e m e t 的任何位置对现场智能设备 进行在线控制、功能组态以及远程诊断等，实现网络控制系统真正意义上的开放性 和互操作性。真正解决了工业控制网络与管理层的数据网络无缝集成，从而使整个 企业实现管控一体化。 网络灵活。有线以太网可通过支持软件利用“自动协商 功能，实现不同工作 3 华北电力大学硕士学位论文 模式、不同工作速率、不同传输介质之间的转换，而几乎不需更改其硬件设备，这 是p d h 、s d h 、a t m 技术所无法比拟的f 3 】1 6 1 。 1 4 论文工作以及文章结构 本论文的中心任务是设计一个基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 和c s 8 9 0 0 a 的一个远程通讯模 块，该模块用于控制基站天线转角驱动电机。硬件设计主要包括电路原理图设计及 控制芯片的选型、控制电路的接线图绘制以及电路p c b 板的实现，软件主要解决 基于该硬件的并满足以太网通讯协议的精简t c p i p 协议的编写。 论文分为六章：第一章绪论，从基站天线远程控制的必要性开始，简述了采用 以太网远程控制的优势；第二章系统总体设计，主要介绍远程控制系统基本框架及 其各组成部分的作用；第三章硬件设计，详细介绍了每个芯片的功用、特点以及应 用方法；第四章嵌入式t c p i p 的研究，深入阐述了t c p i p 协议以及嵌入式系统环 境下网络通讯功能的实现，为精简t c p i p 协议栈的编写提供了理论基础；第五章 系统软件设计，分别为上位机和下位机两部分编写了控制程序，上位机是基于v b 的远程控制界面程序，功能是实现与下位机的通讯，主要是给下位机发送命令。而 下位机控制程序是基于k e i l 的c 5 l 程序，功能是控制单片机与上位机的通信及对 电机进行控制。此外还用汇编语言编写了网卡驱动程序以及用h t m l 语言编制了网 页控制界面程序；最后一章，系统测试及运行结果报告。通过实验验证了数据通讯 的可靠性和准确性。 本论文的创新点包括： ( 1 ) 以c y g n a l 公司的芯片c 8 0 5 l f 0 2 0 和c i r r u sl o g i c 公司的芯片c s 8 9 0 0 a 实 现了一套针对远程控制的精简t c p i p 协议，并设计了接口函数。 ( 2 ) 利用单片机的存储器设计了基于一个单片微机的服务器网页。 ( 3 ) 设计采用的多是通用器件，并且尽量减少电子器件的数量，使得系统成本 很低，以便更具生命力。而该系统本身就是移动通讯基站调试的一种全新的尝试。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 。1 移动通讯基站天线简介 移动通信基站，是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电波覆盖区：， 通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。 即它是移动通信系统、移动话机和蜂窝系统之间联系的纽带，起到信号传递的作用， 是移动通信网络中的关键组成部分。 天线是在无线电收发系统中，向空间辐射或从空间接收电磁波的装置。是无线 电通信系统中必不可少的部分。基站天线是移动通信网络与用户手机终端空中无线 联结的设备。移动台之所以有移动性全是因为有了基站天线。由此可见基站天线在 移动通信中的地位是非常重要的。 基站天线主要分为全向天线和定向天线两种类型，全向天线在水平方向图上表 现为在3 6 0 。范围内都能均匀辐射。这种天线适用于郊县大区制的站型，覆盖范围 大。定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围的辐射，这种天线适用于城区小 区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。使用定向天线的基站一般 都有三个或四个扇区，每一个扇区有一副到多副天线，这些天线一方面发射信号， 另一方面同时接收从手机传过来的信号。每个赢区只向某个方向发射信号，信号 也只能覆盖一定的范围。对于三个扇区的基站，其中一个扇区的天线对准正北方向， 另一个扇区天线对准东南方向，还一个扇区天线对准西南方向，它们各自覆盖范围 为1 2 0 度，这样三个扇区能对四周进行3 6 0 度全覆盖。在实际应用中，常需要根据 定向天线所需的覆盖范围、基站功率的大小和估计用户值等数据调整其机械倾角以 达到网络优化的要求。一般，在基站功率值不变的情况下，流动人员少，要覆盖的 范围就大，倾角就小；流动人员多，要覆盖的范围就小，倾角就大。而最佳下倾角 度为l 。一5 。，倾角调整的步进度数为1 。 因为天线倾角的调整是通过转动天线安装背面支架的位置来实现的。当用机械 方式调整定向天线下倾角度时就非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行 调整。 2 2 天线远程控制系统基本框架 因为人工方式改变每个基站的天线转角的做法费时、费力、缺乏安全性，还不 能确保及时控制。因此，论文设计了一种基于以太网通讯协议的远程控制系统。该 系统由上位机、交换机、控制模块、基站定向天线及电机保护单元组成。结构框架 5 华北电力大学硕士学位论文 如图2 1 所示。 图2 一l 定向天线远程控制框架 上位机：远程控制核心，由它发送电机控制命令，控制电机的正反转，从而控 制定向天线的转角；同时上位机也接受由通讯模块返回的信息，并对其进行记录等 处理。 交换机：每个通讯模块控制4 组电机，数量有限，当所要控制电机的个数大于 这个数字时，就需要一个交换机，以减少布线。 控制模块：它是本次设计的重点。有两个重要的功能，第一实现上位机和单片 机之间的数据传输，第二执行上位机的命令。 基站定向天线：它是被控机构，当控制模块发出命令时，继电器闭合，接触器 得电，从而使电机旋转，最后由千斤顶带动天线绕铰支点a 旋转( 见图2 2 ) ，完 成天线的倾角调整。 电机保护单元：包括接触器、热继电器等电机保护部件。给电机提供热保护等 功能。 2 3 定向天线机械支承及驱动结构设计 天线机械支承及驱动结构见图2 2 。天线动作原理见图2 3 。 天线机械支承及驱动结构由天线支柱、上下支架、电机、传动齿轮、剪式螺旋 千斤顶和平板天线组成：天线自身外形尺寸结构为：长幸宽幸厚= 2 2 0 0 术2 8 0 宰1 3 0 ；天 线支柱选用5 0 宰2 4 0 0 的防紫外线p v c 管；剪式螺旋千斤顶的结构尺寸：单臂长 6 华北电力大学硕士学位论文 b = 1 5 0 m m ，螺距t = 4 m m ，初装时的两侧支点距离a = 1 0 0 m m ，按照调整步长每次为 l 。计算，可得天线在支柱上的安装支点距离是2 1 2 5 m m 。 可以采用三种模式对天线倾角进行调整：首次安装或微调时，手动调整：正常 工作时在控制台( 上位机) 进行操作控制的的远距离远程自动调整和在基站室内进 行现场按钮操作( 下位机) 控制的近距离远程自动调整。手动调整利用的是剪式螺 旋千斤顶上自带的一个操作手柄，操作很费力，但可以实现微调，该方式不属于本 设计内容。远、近距离的自动调整都是通过控制电机的旋转达到控制天线转角的。 前者需要远程通信，后者是在基站天线塔下的室内，靠下位机上设置的手动按钮发 送电机调整命令，不需要远程通信，但可以免去爬杆操作。 首次安装时，丝杠轴向位置需要初调，直到丝杠项在壳体上，轴向不能移动为 止。此时限位开关动作，千斤顶处于最低位置。 。 。_ 强 璁 b 。 l喊乎板天线 爵 lk 黎 _ _ 一 一：一 一 a 支絮 匈 i l 叨 一 | r d 向 图2 2 天线机械支承及驱动结构 正常调整时，当电机接受命令开始旋转后，电机轴上的齿轮与千斤项上的丝杠 齿轮啮合，带动丝杠旋转，因为丝杠轴向已被定位，所以只转不移，因此螺母便带 7 华北电力大学硕士学位论文 动千斤顶的双臂沿丝杠轴向收缩同时向丝杠径向伸长。因为平板定向天线的下端在 a 点与支柱铰接，从而导致天线绕a 点旋转，使天线倾角得以调整。千斤顶与天线 在b 点以及千斤顶与天线支柱在c 点都需要铰接，使之适应天线的摆角大小。每次 动作丝杠应该转n = 2 圈，保证螺母轴向移动2 个螺距，其移位距离是h = t n = 8 m m 。 c 图2 3 天线动作原理图 8 b 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统硬件电路设计 3 1 硬件电路总体框架 硬件电路总体结构框图见图3 1 ，电气原理图见附录a 。 硬件电路是以c 8 0 5 1 f 0 2 0 和c s 8 9 0 0 a 为核心，围绕着精简t c p i p 协议的实现 和远程控制命令的执行为目的而设计的。系统按功能分为电机远程自动控制、以太 网接口、电机现场手动控制、系统复位、系统运行监测( 看门狗) 、电源、串口通 讯和系统程序在线调试8 个模块。 图3 1 天线转角远程控制硬件电路总体结构框图 电机远程自动控制模块是系统主要功能模块，控制指令经由c 8 0 5 1 f 的p 1 口、 光耦器件4 n 2 5 ，最后使继电器线圈动作，继而接通某个电机的正转或反转。 以太网接口电路主要由自带隔离变压器h r 9 0 1 1 7 5 a 的8 针集成片插头r j 4 5 和 以太网控制器c s 8 9 0 0 a 组成。以太网接口电路用于上下位机的远程通信，以使远程 控制命令由上位机发送给下位机以及将下位机自身信息连同现场信息送往上位机 处理。 电机现场手动控制也用于控制某个电机的正反转，只不过这是在基站天线塔下 的室内，通过c 8 0 5 1 f 上连接的手动按钮的操作来实现的，不需要远程通信，但可 9 华北电力大学硕士学位论文 以免去爬杆操作。 系统复位、系统运行监测( 看门狗) 、电源三个模块是保证系统正常工作的基 本模块。c 8 0 5 1 f 支持多种复位方式，看门狗也是其中一种，它可以使系统从死循环 中跳出，对系统的工作稳定起到保障作用。电源模块为系统提供稳定的直流电源， 本设计需要三种不同电压源，1 2 v 、5 v 和3 3 v 。1 2 v 用于驱动电机的继电器，5 v 用 于串口通信，3 3 v 用于主控制芯片。 串口通讯和系统程序在线调试模块都用于主芯片控制程序的在线调试和修改。 3 2 主要芯片选型州9 m 1 1 1 1 主要芯片包括控制系统主芯片和网卡接口芯片。 通常单片机主芯片选型的主要考虑因素是数据总线位数、程序存储器和数据存 储器容量、i o 口容量、指令执行速度等主要性能参数指标与硬件系统功能及性能 匹配与否，其次要考虑的就是尺寸结构的大小和程序调试的方便性。 如上所述本设计的硬件系统主要实现的功能是接受远程控制命令、驱动控制电 机以及现场调试。 就电机控制而言，因为在一个基站只控制四台电机，而本系统的控制行为仅仅 是电机转向，并不要求实时调速，所以采用八位机完全能满足应用需要。但因为是 远程控制，故系统还必须满足网络数据传输速率的实时性、稳定性、安全性与可靠 性以及一些远程数据传送内容的特殊要求，而普通低端八位机运行速度慢、硬件资 源少，最重要的是以太网接口及协议的设计非常复杂。而c 8 0 5 l f 系列单片机都具 有一定字节的f l a s h r a m ，可以将i p 地址、网卡物理地址和其它参数保存在里面； 不仅如此，它还配置了标准的j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 下载接口，使其可以方 便地实现应用系统自身的现场仿真调试。由此可见它非常适宜用作远程嵌入式控制 系统的主控芯片，因而本设计选择了c 8 0 5 l f 0 2 0 单片机。 以太网控制器有众多选择，如r t l 8 0 1 9 、a x 8 8 7 9 6 l 、d m 9 0 0 8 、l a n 9 1 c 1 1 1 、 c s 8 9 0 0 a 等。这些器件均符合i e e e8 0 2 3 协议，全双工数据传输，收发均可同时 达到1 0 m b i t s 的传输速率，而且都支持8 位微处理器。然而只有c i r m s 的c s 8 9 0 0 a 为用户提供了基于各种操作系统的驱动程序源代码，这就为应用开发带来了方便， 因此本设计选用c s 8 9 0 0 a 。 3 2 1c 8 0 5 1f 0 2 0 简介阻】【1 0 】 c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件是美国c y g n a l 公司推出的高性能单片机，是完全集成的混合信 号系统级m c u 芯片。它有1 0 0 个引脚，采用t q f p 封装形式，其引脚配置及引脚功 l o 华北电力大学硕士学位论文 能见图3 2 c c 8 0 5 1 f 0 2 0 不仅具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，还在众多方面有了大幅度的提 升：设置了五个1 6 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 、八个i 0 端口、2 2 个 中断源、7 个复位源。另外还增加了一个与1 2 c 总线兼容的s m b u s 串行总线以及一 个s p i 串行接口。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的程序存储器也由f l a s h 取代了r o m 或e p r o m ，而f l a s h 的最大特 点是既可作为程序存储器又可用于非易失性数据存储。应用程序可以使用m o v c 和 m o v x 两种指令对f l a s h 存储器进行读或改写操作。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 还配置了片内j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 接口和调试电路， j t a g 接口是1 9 8 5 年制定的检测p c b 板和i c 芯片的i e e e l l 4 9 1 标准，利用这个接 口，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能。边界扫描功能可以实现对器件所有 引脚及s f r 总线的控制、观察和测试。有了j t a g 接口，使八位单片机传统的仿真 调试产生了质的变化，在p c 机软件支持下，通过片内j t a g 接口可直接对安装在最 终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统仿真调 试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步、运行 和停机命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件使用s 订i c o nl a b s 的专利c i p 一5 1 微控制器内核，它是在m c s 一5 1 的基础上加以改进和提高后形成的。c i p 5 1 与m c s 一5 l 指令集完全兼容，可以使用 标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发 c i p 一5 l 与m c s 一5 l 在指令处理上的最大不同是采用了流水线结构。在这种结构 中指令译码器和指令寄存器同时工作，当指令译码器执行当前指令时，下一条待执 行指令已经被取入指令寄存器。指令执行的最小时序单位是系统时钟，而不再有机 器周期的概念。指令执行速度得以大幅度提高。 c 8 0 5 l f 单片机与m c s 5 1 的最大不同还是它的i o 口。6 4 个i o 引脚，每个都 可以作为通用i o 口，并可通过软件设置使之被配置为不同的硬件状态，如为弱上 拉输入、推挽或漏极开漏输出。这一特点改变了标准8 0 5 1 中固定的“弱上拉”状 态，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。不仅如此，p 0 p 3 口的每个引脚还 可通过独立编程而成为具有特殊功能的i o 线，即同一个引脚可以通过编程而作为 片上不同外围功能模块的信号输入输出端口。 墨i & i 篙l 衾l 芸i 譬j 夏i 譬l 譬i 美l 最l 器i 器i 豁l 器i 嚣i 葛i 嚣i 嚣i 磊i 曷i 是i 譬i 墨i = 傩 t c k t d i t d o ，r s t c p l - c p l + c p 0 c p 0 + a g n d 斟 v r 口 a g n d 垂n + v r e d v 趾下0 r 王下l a i n 0 0 a i n 0 1 a i n 0 2 a i n 0 3 a n 崎0 4 a i n 0 5 a i n 0 6 a 眦0 7 7 蛩1 3 “妊5 伊6 5 瓿】4 m ，a 卯6 石 犟15 倒哪伊6 7 营a d o d 0 伊7 0 2 a d l d 1 _ ，p 7l q a d 加加7 2 a d 3 d 3 伊7 3 a d 4 ，亡珥伊7 4 a d 5 ，d 5 伊7 5 a d 6 ，d 6 伊7 6 a d 7 d 7 伊7 7 v d d d g n d p 0 0 p 0 1 p 0 2 p 0 3 p 0 4 筋r e 伊0 5 打伊0 6 j l r r 伊0 7 a d 0 d 0 伊3 0 = a d l ，d 1 伊3 1 龟a d 2 d 2 伊3 2 吝a d 3 ，d 卯3 3 寻 凸 矗 篙l 瓮l 昌l 高i 器l 霜i 鬲i 黔i 器l 高i 篙i 是1 导o ；l 导f = l 荨l 导l 导i 导i 等i 导 图3 2c 8 0 5 1 f 0 2 0 弓l 脚图 3 2 2 网卡接口芯片c s 8 9 0 0 a 简介 c s 8 9 0 0 a 是c i r r u sl o g i c 公司生产的低功耗、性能优越的以太网控制器， 功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模 式等都能根据需要，通过内部寄存器的设置来动态调整，以适应不同的应用环境。 c s 8 9 0 0 a 内部功能模块主要是8 0 2 3 介质访问控制块( m a c ) 。8 0 2 3 介质访问 控制块支持全双工操作，完全依照i e e e 8 0 2 3 以太网标准【l3 1 。 它的主要特点是： 符合i e e e 8 0 2 3 以太网标准，并带有i s a 接口； 片内4 k 字节r a m ： 适用于i o 操作模式、存储器操作模式和d m a 操作模式； 带有传送接收低通滤波的1 0 b a s e t 、支持l o b a s e 2 ，1 0 b a s e 5 和a u i 接口： 自动生成报头，自动进行c r c 检验，冲突后自动重发： 全双工操作，支持外部e e p r o m ： ；。一一一记一一加一叩一酩一盯一：g一舒一舛一竹一眈一叭一仰一卯一诣一卯一铂一钙一舛一兜一铊一孔 口d，nii_ln芒口一 一口世一u6o口暑v，gq 卜nd，n一9 _ n d ，n n d ，c i 节n 码2 c n 咚一一吧n 鲁。一 一n d ，a 口n d ， 自z o q q d htd，叱av 口口d，凸王， 吐口每山，l 节寸山寸山夏一寸o 寸皿 一u q 口u 凸 ”n是nqnd 口咎，9 n dlr口a，口凸_，nd，仓凸oh色口g壹二d，一v，8a一nn薹一c_hd，nv，县一一 ，h d，tvj昌2 叩nd，nv，吕l q 9hd，口vg!卜hd，卜o，u点一 i n o 凸q 口口_【嚣v加一z一 i l d，av，iiz一n一d，口一v，一z一 c t _ 【世i i v，n一j、自 叶一 2 v，_一z一 卟一岛c l vn一z一u一d，o口一z一卜一是n一h三一z m 乏。乏 ，l 卜x一，i 卜k 华北电力大学硕士学位论文 另外，要实现c s 8 9 0 0 a 与主机之间的数据通讯，在电路设计时要根据具体情 况灵活选择合适的数据传输模式。c s 8 9 0 0 a 支持的传输模式有i o 模式、m e m o r y 模式和d m a 模式。其中，i o 模式访问c s 8 9 0 0 a 存储区是缺省模式，比较简单易 用。本设计亦采用i o 模式【1 4 1 f 1 5 】【16 1 。 c s 8 9 0 0 a 的基本工作原理是：在收到由主机发送来的数据报( 从目的地址域到 数据域，帧格式如表3 1 所示) 后，侦听网络线路。如果线路忙，它就等到线路空 闲为止。否则，立即发送该数据帧。发送过程中，首先，它添加以太网帧头( 包括 先导字节和帧开始标志) ，然后生成c r c 校验码，并将此数据帧发送到以太网上。 接收时，它先要把从以太网收到的数据帧进行解码、去掉帧头和地址检验，然后将 其缓存在片内。在c r c 校验通过后，它会根据初始化配置情况，通知主机c s 8 9 0 0 a 收到了数据帧。最后，用上面介绍的某种传输模式传到主机的存储区中f 1 7 】。 表3 一l8 0 2 3 帧格式 l 先导字节! i 帧开始标志! l 目的地址! l 源地址! i 数据字段长度j 数据! i 填充字段l 校验和! l c s 8 9 0 0 a 的接收过程：c s 8 9 0 0 a 开始工作后，它会自动地从网络中读取数据 包，并将包中的内容与自己的地址过滤器中的值相对应，如不满足条件则丢弃该 帧。如果帧通过过滤，则接收该帧，并判断其有效性，置位相应标志位。 c s 8 9 0 0 a 的发送过程：主机向c s 8 9 0 0 a 发送一个t x c m d ( 传输命令状态寄存 器) 命令通知芯片什么时候发送一帧以及这一帧如何发送出去，主机发送完