（系统工程专业论文）基站换风监控系统硬件设备开发.pdf

摘要 摘要 目前，电信、移动、联通通讯基站数量庞大。通讯基站内存放着大量精密通 讯设备，这些设备对基站内部环境要求较高，需要恒温、恒湿、恒压、低噪声、 低粉尘环境。基站一般安置在密封的房间内，通过空调长年运行来维持温度和湿 度。由于处于密封环境，基站热源主要来自内部设备，基站外部环境( 如雨水， 阳光等) 对其影响较小。故基站空调一年四季2 4 小时都处于运行状态。耗能巨大， 同时说明节能空间巨大。 本文研制了一种基站换风监控终端设备，该终端设备以p 8 9 v 5 1 r c 2 为主控器， 实现对风机开关状态、空调运行电压、电流等开关量和模拟量的检测控制，通过 新风冷却技术对机房降温，从而有效降低对机房设备的温度控制能耗。该设备设 计有带l e d 的人机接口界面，使用户可以现场更直观地查询室内外温湿度、系统 运行状况等。另外，对主控器的串口进行了扩展，实现了有线以太网或g p r s 无线 远程通讯功能，使用户在监控中心就可以了解到现场状况，便于发现异常时及时 采取应对措施。 本文第一章首先简要概述了课题的背景和研究意义、国内基站节能的现状和 发展以及本人的主要工作；第二章结合基站换风监控系统应具有的功能和设计原 则，确定了换风监控终端设备的总体设计方案；第三章详细阐述了基站换风监控 设备的硬件设计；第四章分析了基站换风监控设备软件的整体架构及具体实现方 法；第五章对监控中心的配置方案及实现的功能进行了初步的研究；第六章介绍 所设计的基站换风监控设备的实现；第七章对本文进行了总结。 关键词：基站监控；新风冷却；g p r s a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h i n am o b i l e ，c h i n at e l e c o ma n dc h i n au n i c o r nh a v el a r g en u m b e r o fb a s es t a t i o n s a m o u n t so fs o p h i s t i c a t e dm e m o r yc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sa r e p l a c e dt h e r e t h ee q u i p m e n t sd e m a n dah i f g hl e v e li n t e r n a le n v i r o n m e n tt h a tn e e d s c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , c o n s t a n t - v o l t a g e ，l o wn o i s e ，l o w - d u s t b a s es t a t i o n s a r eg e n e r a l l yf o u n d e di nt h el o o ms e a l e d ，m a i n t a i n i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yb y r u n n i n gt h e a i rc o n d i t i o n i n ga l lt h ey e a rr o u n d 。h e a tm a i n l yc o m e sf r o mt h ee q u i p m e n t s f o rt h er o o mi ss e a l e d ，s oe x t e r n a le n v i r o n m e n t ( s u c ha sr a i n ，s u n l i g h t ，e t e ) a f f e c t e d l e s s t r e m e n d o u se n e r g yi sw a s t i n gf o rt h el o n gy e a ru s eo fa i rc o n d i t i o n i n g ，a n dt h e r e i sah u g ee n e r g y - s a v i n gs p a c eo nt h eo t h e rh a n d t h ep a p e rd e v e l o p sab a s es t a t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a ld e v i c e m c uo ft h e t e r m i n a li sp 8 9 v 5 1r c 2 ，a c h i e v i n gt h ed e t e c t i o nc o n t r o lo ff r e s h a 扫m a c h i n e ， a i r - c o n d i t i o n i n g h u g ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sr e d u c e db yo p e r a t i n gt h e 触s ha i r m a c h i n ei n s t e a do fa i r - c o n d i t i o n i n g w i t ht h ed e s i g no fl e di n t e r f a c e ，u s e r sc a nq u e r y m o r ed i r e c t l ya b o u tt h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dt h es y s t e mo p e r a t i o n f u r t h e r m o r e ， u s e r sc a nd e t e c ta n dc o n t r o lt h eo p e r a t i n go fb a s es t a t i o n sa tt h ec o n t r o lc e n t e rb yt h e r e a l i z a t i o no ft h ew i r e de t h e r n e to rg p r sw i r e l e s sr e m o t ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s ， a n d t i m e l ym e a s u r e sc a nb ea d o p t e dw h e na b n o r m a lr e s p o n s e i nt h i sp a p e r , t h ef i r s tc h a p t e rd e s c r i b e st h eo v e r v i e wo fb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h s i g n i f i c a n c ef o rt h ei s s u e s ，t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to f t h ed o m e s t i cb a s es t a t i o na n d m ym a i nw o r k t h es e c o n dc h a p t e rd e s i g n st h ew h o l ep r o g r a mo ft h et e r m i n a lb yt h e f e a t u r e sa n dt h ep r i n c i p l e st h a tt h et e r m i n a ls h o u l dh a v e t h et h i r dc h a p t e ri nd e t a i l i n t r o d u c e dh a r d w a r ed e s i g no ft h eb a s es t a t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a l i nt h ef o u r t hp a r t , d e t a i li n t r o d u c e ds o f t w a r er e a l i z a t i o nm e t h o do ft e r mi n a l t h ef i f t hc h a p t e rc o n d u c t sa p r e l i m i n a r ys t u d yo ft h ec o n f i g u r a t i o ns c h e m ea n df u n c t i o n so fc e n t e rm o n i t o rs o f t w a r e 。 t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no ft h et e r m i n a le q u i p m e n t t h el a s tc h a p t e r , t h e r ei sas u m m a r i z a t i o no ft h i sp a p e r 薹( e yw o r d s ：m o n i t o ro f b a s es t a t i o n ；f r e s ha i rc o o l i n g ；g p r s 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：汤沪丛 沙严佣日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：易i 兰也 m 够年6 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题产生的背景和研究意义 十一五期间，我国政府提出2 0 的节能目标，节能减排已经作为我国的一个 基本国策，是我国政府一项长期的重要战略任务。不加快调整经济结构、转变增 长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只 有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温 室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工 作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。为此，提高全 民族的节约意识，在全社会倡导节俭、文明、适度、合理的消费理念，对建设节 约型社会有着重要的意义。 目前，电信、移动、联通通讯基站数量庞大。通讯基站内存放着大量精密通 讯设备，这些设备对基站内部环境要求较高，需要恒温、恒湿、恒压、低噪声、 低粉尘环境【l 】- 【2 1 。基站一般安置在密封的房间内，通过空调长年运行来维持温度 和湿度。由于处于密封环境，基站热源主要来自内部设备，基站外部环境( 如雨 水，阳光等) 对其影响较小。故基站空调一年四季2 4 小时都处于运行状态。耗能 巨大，同时说明节能空间巨大。 近年来，计算机技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大的推 动了社会发展。借助于计算机、通信等先进技术，开发研制一套自动化程度高、 运行可靠、高效节电、使用维护方便的基站节能监控设备正是本课题要解决的问 题。 本论文采用新风冷却控制原理【3 】以后，基站的节能状况将得到极大的提升。 同时通过无线g p r s 或者有线以太网通讯模块，用户在监控中心可以实时巡检各联 网基站的运行情况，包括基站内部温湿度、当前空调运行电压、电流以及新风机 的开关状态等。当站点出现故障的时候，信息能够很快反映到监控中心进行报警 处理，从而使得故障能够尽快得到处理，保证基站设备处于良性状态【4 】- 【6 1 。该系 统可以大大减小管理人员劳动强度，降低物资消耗，延长空调使用寿命，减少电 能消耗，降低通信行业对电力的需求，进而减少火力发电过程中所产生的环境污 基站换风监控系统硬件设备开发 染，因而具有很高的经济价值和社会效益。 1 2 国内基站节能降耗的现状和发展 据统计，基站耗电主要是主设备耗电和配套中的空调耗电。基站节能降耗的 措施可以从主设备、配套两个方面进行考虑。基站主设备方面：未来的发展趋势 是高集成度、全i p 化、多载频、高效率数字功放、模块化，这些特征将使新一代 基站更省电。譬如采用数字预失真技术，可以提高功放效率及功放的线性特性， 减少基站的发热量。功放稳定性增强、集成度增加，并且支持更宽的信号频带， 配合高集成度的射频器件，为基站收发信机实现多载频技术创造了条件，使基站 功能模块变得更小，也使多载频功放的实现成为可能。采用高集成度的设计和低 功耗的芯片，能够降低基站占用空间，减少机柜数量，达到降低功耗的目的。现 在有多个g s m 厂家推出双密度载频。有些公司推出多密度载频设备，譬如华为公 司的设备可以支持6 密度载频【7 j 。 其次通过基站设备耗电的组成可以看出，随着业务信道载频负荷的变化，基 站系统耗电波动很大。运营商通过采用软件控制的闲时载频关断技术、时隙关断 技术以及业务量分配优化等措施能够降低能耗。在g s m 系统中，应把主b c c h 载频 设置为优先级最高，有话务量的时候把t c h 优先指配到主b c c h 载频上，提高主b c c h 载频利用率，先使用优先级比较高的载频，其他载频可以处于关断状态，可以按 照时间段在闲时定时关闭载频，也可以根据业务量变化，采用一定的算法智能进 行载频的开启及关闭。在载频关断的基础上，还可以在更细的粒度上进行时隙的 关断，达到更精确的控制。这些技术一般适用于新一代的基站，对于已经部署的 基站，部分可以通过软件升级的方式实现。还有一种方式是在业务量小的时候， 可以让一些载频处于待机模式，类似于个人电脑的待机激活模式。在保证基站正 常工作的情况下，尽量减少能耗、减少热量的产生。 再次目前比较成熟的分布式基站技术，是把基站分为基带和射频两部分， 用光纤代替传统的馈线将射频部分拉远，可以减少由馈线导致的损耗约3 d b ，基站 消耗的功率将大幅降低。拉远单元可以采用自然散热技术，能够节省温控能耗， 占地面积小、安装快捷，可广泛应用于室内覆盖、城区站址困难区域、热点覆盖 等场景。 第一章绪论 最后综合考虑基站新技术及成熟程度，运营商应结合实际在网络规划中采用， 做到满足网络覆盖、业务需求的情况下，减少基站数量，降低基站发射功率。随 着城市建设及人员迁徙的变化，对无线通信覆盖的需求也会发生变化，通过网络 优化可以提高网络资源的利用率，提高业务服务质量。因此，通过合理的网络规 划优化可以降低基站数量，降低设备发射功率，提高设备利用率，从而达到降低 基站能耗的目的【8 】【l o 】。 本论文设计的基站节能方式属于基站配套节能，基站温湿度检测模块与新风 系统、空调控制系统，形成基站换风节能系统，智能开启或者关断新风系统或者 空调，可达到省电的目的。运营商通过对基站进行智能通风改造、引入新风系统， 当室外空气温度比室内低一定程度时，采用直通风、自然散热等方式，将机房内 的热量带走，实现室内散热，达到降低机房内部温度的目的。这样就能减少基站 空调的运转时间，从而达到节能的目的1 1 1 1 。 1 3 本人的主要工作 参与了整个基站监控节能系统总体方案的设计，并负责整个换风监控终端设 备软硬件的具体实现，制定终端设备与监控中心的通信机制，开发出一套基于有 线以太网或者g p r s 无线通讯技术的基站换风监控终端设备。 在前期调研的基础上，研究了国内基站监控节能系统的现状，确定了该终端 设备所要实现的功能和具有的创新点。通过对国内现有产品节能方式优点和不足 之处的比较，确定了该系统采用新风冷却技术，并研究了有线以太网和g p r s 无线 通讯技术的基本原理、技术优势等方面的内容。 具体设计并实现了分站点终端设备( 下位机) 。其中，鉴于整个系统对经济性、 可靠性、可操作性和可维护性等方面的要求，以及基站监控系统自身的特点，本 课题中选用p h i l i p s 公司的p 8 9 v 5 1 r c 2 型单片机作为下位机的主控制器，选用周 立功z n e 一1 0 模块为核心的有线以太网通讯模块和s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 模块为核 心的g p r s 无线通讯模块。该终端设备具有信号测量、完成控制命令、执行键盘操 作、l e d 显示以及通讯等功能。对终端设备的测控、现场操作及通讯等功能进行了 实际的调试，解决了调试过程中出现的各种问题，最终使得下位机系统能够正常、 稳定、准确、可靠地运行。 基站换风监控系统硬件设备开发 同时该产品已经成功推向市场。最后总结了本课题的工作情况和课题现有工 作所取得的成果，并指出了下一步工作的重点和方向。 第二章基站换风监控终端设备的总体设计方案 第二章基站换风监控终端设备总体设计方案 2 1 总体设计方案 2 1 1 终端设备设计所遵循的原则1 1 2 1 ( 1 ) 经济性要求：由于该设备是为实际工程需要所设计的，所以必须考虑经 济性指标。为了获得较高的性价比，设计时不应该盲目追求复杂高级的方案，在 满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，从而节省工程的实际开支。 ( 2 ) 可靠性要求：可靠性是监控系统的重要指标，也是设备技术水平的主要 体现，终端设备在设计上增加了各种防范措施和纠错方案，具有良好的电磁兼容 性和异常情况下的后备处理能力，确保系统和设备能经受高低温、电磁干扰、冲 击耐压、静电辐射、振动等恶劣环境的考验，确保基站系统正常运作。 ( 3 ) 操作和维护要求：该设备必须具备很强的可操作性，应该使工作人员能 够简单方便的进行现场操作。从维护要求上说，设备必须具备一定的故障诊断能 力。 ( 4 ) 实时性要求：系统以无线通信网络或有线以太网为传输信道，各监控终 端时刻保持在线，确保监控中心命令能够迅速及时下达执行，监控终端的数据、 状态及各种异常报警信息能够立即传送至监控中心，为管理人员迅速反应提供技 术保障。 2 1 2 终端设备的功能设计需求 终端设备要有现场自动设定功能。通过键盘、l e d 显示器，可以现场数字显示， 便于现场的安装调试和维护、维修，并可控制该点的空调、新风机等，其显示的 内容如下： ( 1 ) 室外温度和室外湿度； ( 2 ) 室内温度和室内湿度； ( 3 ) 网络连接状态： ( 4 ) 空调运行状态： ( 5 ) 新风机运行状态； ( 6 ) 可通过在线编程修改设置工作参数。 基站换风监控系统硬件设备开发 2 1 3 系统总体构成 基站换风监控系统是一个典型分散式测控、集中式管理的系统，可对运营商 辖区内的所有基站进行监视、控制和管理【l3 1 。基站换风监控系统主要由四部分构 成：一是直接用于控制基站设施的终端控制器；二是用于节能的新风系统：三是 用于远程无线通信处理任务的通讯模块；四是位于管理处的监控中心的监控软件， 实现对整个辖区基站的远程监控、管理等功能。系统整体如下图所示。 图2 1 系统总体架构图 图2 2 系统组成图 第二章基站抉凡监控终端设备的总体设计方案 2 2 系统工作原理 现场设备终端控制器通过室内外温、湿度传感罂进行温、湿度测量，并根据 相应的控制算法，在保证基站温、湿度和空气洁净度满足要求的前提下，开启新 风系统并关闭分体空调，以减少空调运行时间。又由于新风系统的工作功率远小 于空调功率，从而获得很大的节电空间。其工作原理如图2 3 所示： 吸 入 冷 空 气 图2 3 工作原理示意圈 捧 出 热 空 气 终端控制器在运行期间宴时比较基站室内外温、湿度，其工作流程“ 1 1 ”有以 下几点： 1 ) 当室外温度低于室内温度若干度对进入新风节电状态，关闭空调，风机工 作加速新风循环。当室外温度高于室内温度时进入非新风状态，关闭新风 系统，封锁新风口减少室外温度对室内的影响。 2 ) 在新风节电状态下，当检测室内湿度超标时，开窟空调除湿。同时检测除 湿效果，当除湿效果不明显时关闭新风节电状态，封锁新风口，防止雨天 大量湿气对室内的影响。 3 ) 当温、湿度超标越界，进入非新风状态同时开启跟踪监测功能。当超过有 纂瑟换蔑监控系统硬髂设各辩发 效跟踪时间时，室内温湿度仍达不到标准，则向监控中心报警。 4 ) 分体空谲控制模式：根据基站的现场情况，空调控制模式分为同控模式和 异控摸式两种。当基站蠹寄两台或鼹台以上分体空调时，如果一台空调运 作就满足要求的情况下，系统可设定为异控工作模式，即当第一台空调工 作几个小时后自动切换到第二台空调工作几个小时，以此类推循环工作， 从而延长了空调的工作寿命。 终端控制器在运行期间可通过有线以太网或者g p r s 无线网络主动连接监控中 心。当确认连接后，终端控制器便可接收监控中心下发的控制指令，以及上传现 场的实时信息数据。 2 3 本章小结 本章结会基站换风监控系统应具有的功麓和设计原则，确定了整个系统的总 体设计方案。该系统主要由现场终端设备及监控软件组成，终端设备通过有线以 太网或者g p r s 无线网络与监控中心通信。用户可以在监控中心实时巡检各联网基 站的运行情况，包括基站室内外温湿度、当前空调运行状态以及新风机的开关状 态等。当站点出现故障的时候，信息能够很快反映到监控中心进行报警处理，从 而使得故障能够尽快得到处理，保证基站设备处于良性状态。 第三章基站换风监控终端设备的硬件设计 第三章基站换风监控终端设备的硬件设计 3 1 设备硬件总体构成 终端控制器主要包括：电源电路、人机接口、通信模块、数据采集单元、开 关量控制等部分。电源电路不仅要给主控器供电，而且，需要给i o 模块的数字 电路部分供电。人机接口功能较简单，用于手动控制开关、查询现场状态，显示 有关检测模拟量的数值等。通信模块实现设备的联网功能。除此之外，终端控制 器设备还预留了相应的开关量和r s 4 8 5 通讯接口，以完成烟感、门禁等辅助监控 功能。按照终端设备的功能实现情况，以模块化的形式设计本终端监控器设备的 硬件电路。它主要包括7 个模块：主控器m c u 模块、电源模块、人机接口模块、 开关量控制模块、开关量检测模块、通讯模块、传感器模块。设备硬件模块构成 示意图如图3 1 所示： 图3 1 设备硬件结构框图 3 2m c u 及外部r a h 扩展 考虑到实用性设计原则，本设计选用p 8 9 v 5 1 r c 2 作为m c u ，p 8 9 v 5 1 r c 2 单片机 是p h i l i p s 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含3 2 kb y t e s 的可 反复擦写的f l a s h 只读程序存储器和1 0 2 4 * 8 b y t e s 的随机数据存储器( r 删) ，器 件采用p h i l i p s 公司的高密度，j # 易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令系 基站换风监控系统硬件设备开发 统。功能强大的p 8 9 v 5 1 r c 2 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活 应用于各种控制领域【1 6 1 。 3 2 1p 8 9 v 5 1 r c 2 简介 ( 1 ) 性能及特点： ( 1 ) 与m c s - 5 1 微控制器产品系列兼容。 ( 2 ) 片内有3 2 k b 可在线重复编程的快闪擦写存储器( f l a s hm e m o r y ) 。 ( 3 ) 存储器可循环写入擦除1 0 0 0 次。 ( 4 ) 存储数据保存时间为1 0 年。 ( 5 ) 宽工作电压范围：v c c 可为2 7 v 、6 v 。 ( 6 ) 全静态工作：可从o h z 到4 0 m h z 。 ( 7 ) 程序存储器具有3 级加密保护。 ( 8 ) 1 0 2 4 事8 位内部r a m 。 ( 9 ) 3 2 条可编程i o 线。 0 0 ) 三个1 6 位定时器计数器。 q d 中断箜塑具有8 个中断源和4 个优先级。 可编程全双工串行通道，i s p 编程模式。 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 ( 2 ) 片内快闪存储器( f l a s hm e m o r y ) 由于e p r o m 具有在线改写，并且在掉电状态保存存储数据的特点，可为用户的特 殊应用提供便利。但是擦除和写入对于要求数据高速吞吐的应用还显得时间过长， 这是e p r o m 芯片的主要缺陷。 ( 3 ) 引脚说明： v c c ：供电电压 g n d ：接地。 p 0 口：p o 口为一个8 位漏级开路双向i o 口，每脚可吸收8 t t l 门电流。当p 1 口 的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。p 0 能够用于外部程序数据存储器，它 可以被定义为数据地址的第八位。在f i a s h 编程时，p 0 口作为原码输入口，当 f i a s h 进行校验时，p 0 输出原码，此时p 0 外部必须被拉高。 第三章基站换风监控终端设备的硬件设计 p 1 口：p l 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i o 口，p 1 口缓冲器能接收输出 4 t t l 门电流。p 1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p 1 口被外部下 拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在f l a s h 编程和校验时， p l 口作为第八位地址接收。 p 2 口：p 2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 口缓冲器可接收，输出4 个t t lf - j 电流，当p 2 口被写“l ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时，p 2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的 缘故。p 2 口当用于外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器进行存取时，p 2 口输出地址的高八位。在给出地址“1 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位 地址数据存储器进行读写时，p 2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p 2 口在f l a s h 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p 3 口：p 3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向i o 口，可接收输出4 个t t l 门电 流。当p 3 口写入“1 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平，p 3 口将输出电流( i l l ) 这是由于上拉的缘故。 p 3 口也可作为p 8 9 v 5 1 r c 2 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚备选功能 p 3 0r x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2 i n t o ( 外部中断0 ) p 3 3 i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 记时器0 外部输入) p 3 5t 1 ( 记时器l 外部输入) p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器读选通) p 3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 r s t ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持r s t 脚两个机器周期的高电平时间。 a l e p r o g ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在f l a s h 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，a l e 端以不变的频 率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1 6 。因此它可用作对外部输出的 蒸热换葳釜控系统硬 辛设备羿发 脉冲或用于定时嚣的。然丽要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一 个a l e 脉冲。如想禁止a l e 的输出可在s f r 8 e h 地址上置0 。此时，a l e 只有在执 行m o v x ，m o v c 指令是a l e 才起作用。另乡 ，该引脚被略微拉离。如果微处理器在 外部执行状态a l e 禁止，置位无效。 p s e n ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次p s e n 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的p s e n 信号将不出 现。 e a v p p ：当e a 保持低电平时，羹 j 在此期闯外部程序存储器( 0 0 0 0 h f f f f h ) ，不 管是否有内部程廖存储器。注意加密方式量时，双将内部锁定为r e s e t ；当e a 端保持嵩电平时，此间内部程序存储器。在f l a s h 编程期间，此芬l 脚也用于旌加 1 2 v 编程电源( v p p ) 。 x t a l l ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 x t a l 2 ：来自反向振荡器的输出。 ( 4 ) 振荡器特性 x t a l l 和x t a l 2 分别为反尚放大器的输入和输_ 漱。该反向放大器可以配置为片 内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。妇采用外部时钟源驱动器件，x t a l 2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信 号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3 。2 2 外部湖扩展 6 2 6 4 是8 k x 8 位静态随机存储器。因6 2 6 4 是8 k 容量的r 删，故要用到1 3 裰地址线( a o - a 1 2 ) 。6 2 6 4 扩展电路如图3 2 1 所示： 第三章基站换风监控终端设备的硬件设计 1 9 1 3 1 7 1 6 1 5 l - | 1 3 1 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 6 2 5 幸 嫩 e s 2 2 s 2 6 图3 2 1 外部i 洲扩展图 本接口方案采用地址完全译码设计。使用了7 4 l s l 3 8 译码器为扩展的存储器 分配地址空间。给6 2 6 4 数据存储器分配惟一的地址空间是：0 0 0 0 h i f f f h 。 3 2 3 复位电路设计 采用c a t 8 1 0 是微控制器监控电路，用来监控数字系统的电源。在工业级温度 范围的应用中可直接代替m a x 8 1 0 。c a t 8 1 0 产生一个复位信号，这个信号在电源电 压低于预置的阈值时和电源电压上升到该阈值后的1 4 0 m s 内有效。由于c a t a l y s t 半导体运用了底层浮动闸( f l o a t i n gg a t e ) 技术a e 2 t m ，因此器件可以提供任何 特定的复位阈值。7 个工业标准的阈值可支持+ 5 0 v 、+ 3 3 v 、+ 3 0 v 和+ 2 5 v 的 系统。c a t 8 1 0 的r e s e t 也是推挽输出( 高有效) 。电源的快速瞬态变化可忽略， 当v c c 低至1 0 v 时输出可保证仍处于正确状态。c a t 8 1 0 可工作在整个工业级 温度范围内( 一4 0 + 8 5 ) ，包含3 脚s o t 2 3 和s c 7 0 两种封装形式，本设计 采用s o t 2 3 封装，应用电路如图3 2 2 所示： | 萎一阱一 渤一姒胜髓一默一鼢一；妻 夏一 n一也一协一。一撕一”一据一挎一 h 堡篦器蒌娶誉和 v l 2 一l 越舭忿越：毳笳筋鲥 髓弦洲越能 一i 3 一一一一 靴一黜一怒一黔一mj誊一麟一；主一垭一 黜一趴一黔一瞄一辫一搿一 i 塞一黝 基站换风监控系统硬件设备开发 3 3 电源模块 图3 2 2 复位电路图 本终端控制器可以接现场i o 模块( 现场i o 模块分为数字i o 及模拟i o ) ， 因此，设计电源时需充分考虑电源的驱动能力。电源不仅要给通信适配器供电， 而且，需要给i o 模块的数字电路部分供电。本设计采用高效的开关电源设计1 1 7 】， 可满足8 个扩展i 0 模块的驱动能力。 通信适配器中，不同的芯片采用的所要求的供电电压是不一样的。$ 3 c 2 4 1 0 需要的供电电压有：3 3 v 的数字电压及模拟电压、1 8 v 的数字电压及模拟电压、 1 8 v 的p l l 源电压；s r a m 、n a n df l a s h 、i o 采用3 3 v 电压；j t a g 、以太网控制 其采用5 v 电压供电。工业以太网现场提供2 4 v d c 电源，因此，设计的电源模块必 须提供把2 4 v d c 转换成5 v 、3 3 v 及1 8 v 的能力。 3 3 15 v 电源电路原理设计 采用n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的单开关电源转换芯片l m 2 5 9 6 一a d j 把 2 4 v d c 电源转换成5 v 电源。此款芯片由如下特点：输入电压范围：1 2 v 3 7 v ， 所以也适用于1 2 v d c 供电的使用场合，同时，它的峰值供电电压为3 7 v ，在2 4 v d c 的情况下应用可靠性高；可提供3 a 的驱动电流，满足我们的设计要求；最 少只需要4 个外围辅助原件，简化了电路设计：转换效率可达8 0 ；可提供 3 3 v 、5 v 、1 2 v 电压输出，其中a d j 型号可根据需要调整数出电压m 1 。 l m 2 5 9 6 - - a d j 的典型应用如图3 3 1 ： 第三章基站换风监控终端设备的硬件设计 图3 3 1l 忱2 5 9 卜 d j 的典型应用电路图 具体设计步骤如下： v o u t = 5 v ：v i n = 2 4 v ：i m a x = 3 a ：v r e f = - 1 2 3 v 。 电阻r 1 、r 2 的选择 r 1 选择1 艘，精度为1 的电阻。那么 r 2 = 丽v o u t _ 1 ) = 1 艘幸( 品_ 1 ) = 3 0 6 艘 选择电感l 1 值 a 计算电感的e * t 常量 e t = ( v i n 一踟撕一纷口f ) 幸瓦再v o i u t 丽- i d幸等( 矿芦)所，z 一眙甜+ 肘1 5 0 、 。 其中，v s a t = 1 1 6 v ，v d = 0 5 v 。 得， e t 一( 2 4 5 一1 1 6 ) 幸孬_ 1 0 0 可0 ( y 芦) _ 2 2 9 3 ( y 芦) b i m a x = 3 a c 从电感选择指示图3 3 2 中，e - t 值为2 2 9 3 ( v , p s ) 的水平线，及i m a x = 3 a 的 垂直线的交叉点电感值为3 3 u h ，电感号为l 4 0 。 - 1 5 选择输出电容c o u t a 从快速设计参照表3 。l 中，在o u t p u tv o l t a g e 这一列选择最接近输出电压的那 一行，根据5 v 输出电压，可以选择6 v 这一行。表中有两类的电容可以应用：插 针型铝电解电容、贴片型钽电容，这些电容分别源于4 个不同的生产厂商。针对 5 v 的应用，我们可以选择以下电容：4 7 0 u f 2 5 v 的p a n a s o n i c 或者n i c h i c o n 的电 容。 因此c o u t = 4 7 0 u f 2 5 v b 。一般来说，输出端的电容耐压值( 针对铝电解电容丽言) 应该是输邈电蘧的 1 2 l 。5 倍或者更褰，选择一个合适的即可。因此，针对5 v 的输出电压，2 5 v 的 耐压值已经足够。 表3 1 快速设计参照表 l m 2 5 9 6s e r i e sb u c kr e g u l a t o rd e s i g np r o c e d u r e a d j u s t a b l eo u t p u t ) o u t p u tt h r o u g hh o l eo u t p u tc a p a c i t o f s u r f a c em o u n to u t p u tc a p a c i t o r v o r a g ep a n a s o n i cn 1 c h | c 0 1 1p lf e e d f o r w a r da v x t p s s p r a g u f e e d f o r w a r d 瀚 h f qs e r i e s s e n e s c a p a c i t o rs 幸撙e s5 拿5 ds e r i e s c a p a c i t o r l p 阿、， ( p f v ) l p f 0l p f n ) 28 2 豁3 5 8 2 ，3 s3 3n f 3 3 0 1 6 34 7 0 1 4 3 3n f 45 6 秘3 54 7 0 1 3 51 0n f3 3 0 玛33 9 i o ，63 1 0n f s4 7 0 2 5 4 7 0 2 53 3n f 2 2 0 ， 03 3 0 i t 0 3 3n f 孽3 ：；镒53 3 0 , 2 51 5r t f 1 68 甜褥 1 5 n f 123 3 甜2 53 3 g ，2 51n f0 0 ， 6 1 8 0 ， 61n f 52 2 搿3 52 2 0 ，3 5 6 8 0 p f馘2 01 2 0 理眩 6 8 0 p f 2 2 2 0 3 5 1 5 0 3 55 6 0p f 3 3 眨53 秘2 52 2 0p f 28 o y 5 0 1 x 5 0 3 9 0 p f 1 掰3 51 髫s o 2 2 0p f 第三章基始换风监控终端设备的硬件设计 反馈电容c f f 的选择 表3 1 已经包含了反馈电容选择的推荐值，5 v 的输出使用3 3 0 f 的反馈电容 即可满足要求。 嚣此c f f = 3 3 0 f 反囱二极管d l 的选择 首先，d l 的额定电流值必须) = 1 3 i m a x ，如果电源的设计要能够经受连续 的过载或者短路输出，d 1 的额定电流值必须大于l m 2 5 9 6 的极限输出电流值。由 于i m a x 一3 a ，所以d l 的额定电流应该) = 3 9 a ；其次，d l 的反向额定电压应 = 1 2 v o u t = 6 v ；同时，d l 需为快速恢复二极管，因为l m 2 5 9 6 的开关频率1 5 0 k h z ， 通常应用酶1 n 4 0 0 1 系列二极管是没有办法满足的。表3 2 描述了一些常餍的快速 恢复二极管的参数。 表3 2 二极管选型表 帐 3 a d 轴d s4 a - 1 6 ad 如帕 s 翻嚏箔m o u m t h r o u g h 黼 s 讲妇0 毫辩o u n t t h m u g hh o l e 靶i i c 啦时 u i 智af a s t s c i o m y u l i r af 鑫蚍 靴揪啦i y u l t r af a s t s c h o t t k y u l 留af a s t r e c o v e r yr e c o v e r y藏舶嘲y r e c o r d 2 wa ho f仆娲8 2 0 a j o f a l l 讲s r 5 0 2a 特o f s k 3 2 # 艘 s r 3 0 2 期筠em e s e 1 n 5 8 2 3 l l 艳s e a l 。o e s 聪b r 3 2 0 镬o 融s氆0 随s s 8 5 2 0 氆0 睫 3 0 v洲q 0 3 骶 1 n 5 8 2 1 骶笛ea 陀 馆驰畦t or a 自e d t o托髓d t om t e a t o s ( 3 3耘b r 3 3 05 ( 期的0 3s r s 0 3 a t 艳a 蛙 3 1 d 0 1 0 3 a i ；e 硬a l 轻寂 采l 淄 泓5 8 v 5 a v n 5 8 2 4 5 0 v 1 n 5 8 2 2s 8 5 3 0 4 辩s l ( 鬻 s r 3 6 45 0 摊q 鑫毒s r 5 g 毒 m 8 r s 3 4 0憾r 3 柏 n 5 8 2 5 3 。w o 泓 t j r s 3 2 蝣3 1 0 q 8 4i 菔敬3 2 q城藏s 6 约 s b 5 轴u r 6 2 0 5 ws k 3 3 0 w f i os i q 3 0 55 c 解一oh e 黼 o fm b r s 3 6 0 聃b r 3 5 05 0 v v q 0 5s 8 5 5 0 m o l e瓮瞒麟3 d q 0 5鬟 s q 铡8 从表3 2 中根据我们的需要，选择d 1 = 1 n 5 8 2 3 。 输入电容c i n 的选择 输入电容的最重要两个参数是电容的额定电压及r m s 电流值。输入电容c i n 的额定电压值至少为输入电压的1 5 倍，对于2 4 v d c 的输入，c i n ) = 1 5 2 4 v = 3 6 v ；高于3 6 v 的下一个电容耐压值为5 0 v ，因此，选择c i n 的耐压值为5 0 v