基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现_图文

1、武汉理工大学硕士学位论文基于ARM和GPRS的光纤直放站监控系统的设计与实现 姓名:李自刚申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:聂明新20090501摘要随着通信技术飞速发展和直放站的广泛应用,直放站监控系统在实时监测 直放站的工作状态和远程控制方面发挥了重大作用,然而当前的直放站监控系 统多采用单片机作为主控制器,通过GSM网络或PSTN网络传输监控数据,随 着直放站监控系统日益复杂化,目前的直放站监控系统显得处理速度慢,处理 的任务有限,远程传输数据效率不高;为了改善当前直放站监控系统现有的这 些缺点,采用新的主控制器ARM7系列芯片,利用新的传输数据技术GPRS, 设计并实现了

2、一款光纤直放站监控系统。在充分研究当前直放站监控系统发展现状和实现技术的基础上,根据中 国移动直放站监控系统数据需求规范对监控参数和功能设置的要求,论证了 光纤直放站监控系统的整体设计方案和监控终端的实现架构,选择了PHILIPS 的ARM7芯片LPC2134作为主控制器,选择了SIMCOM300作为远程通信模 块;详细介绍了光纤直放站监控系统监控终端的硬件电路设计,阐释了监控终 端嵌入软件的设计思路流程,分析了如何把嵌入式软件开发技术和GPRS远程 数据传输的技术运用到项目实践中去,说明了监控系统中所用的通信协议,并 且利用vC+开发环境,采用SOCKET网络编程技术和ADO数据库开发技术,

3、 设计了光纤直放站监控系统监控中心应用软件。经过实验验证,该设备运行结果良好,提高了光纤直放站的稳定性和可靠 性,光纤直放站监控系统监控终端处理任务的能力得到增强,远程传输数据速 度变快,传输数据所耗费用降低,为光纤直放站系统的监控提供了一种新的设计 实现。关键词:光纤直放站直放站监控系统GPRS嵌入式系统AbstractWith the fast development of communication technology and wide application of repeater,monitor system of f repeater hastaken a important p

4、art in monitoring operating state and remote control,however,currentmonitor system of repeater usually took single chip microcomputeras main controller,transferred data by means of GSM and PSTN;with morc and morc complex function of repeater,the current monitor system of monitor also shows some disa

5、dvantage,such as slow speed of data processing and data transferring;In order to improve the disadvantage of thecurrent monitor system of repeater,based on ARM control platform and GPRS technology, the fiber-optic repeater monitoring system was designed.Based on depth investigation of developing sta

6、tus and technical realization of the current monitor system of fiber repeater,according to technical Specification of monitor system of china mobile,operating principle and integral architecture of monitoring system of fiber-optic repeater were introduced;LPC2134was used as MCU and SIMCOM300Was used

7、 as telecommunication module;its hardware system and peripheral interface circuit were analyzed,its software system and process were discussed,its application software was designed by means of VC+6.0based on SOCKET and ADO.The device operates well under examination,it has low cost of communication a

8、nd manipulates data and transfers data fast,it offers a new way for monitoring the fiber-optic repeater.Key words:fiber-optic repeater;repeater monitoring system;GPRS;Embededsystemll独创性声明本人声明,所呈交的论文是本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,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使

9、用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:压解斗日期:冱弘l 关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文, 并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定签名:导师签名:坳日期:2竺拿:墨:!武汉理工大学硕

10、士学位论文第1章 绪论绪论从直放站监控系统出现的背景着手,介绍了直放站的概念和基本组成, 分析了直放站监控系统的组成和工作原理以及发展历程,研究了当前直放站监 控系统的研究现状,进而提出本文研究的课题内容和意义。1.1课题研究背景随着计算机和通信技术的飞速发展,移动通信经历了从模拟通信向数字通 信的转变,当前又进入了3G时代,移动通信在人们的日常生活和工作中正发 挥着不可替代的作用。然而无论何种通信手段,其覆盖区域都会有信号弱区和 盲区,为了提高信号质量,通常要在这些区域来架设一组模拟或数字基站,但 是这样成本太高并且基础设施也很复杂,于是提供一种低成本、架设简单、具 有小型基站功能的经济有效

11、的设备直放站就应用而生Ill。直放站是基站(BS与移动台(MS之间的中继转发器,属于同频放大 设备,是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备, 其基本功能就是一个射频信号功率增强器【21。作为实现“小容量、大覆盖”目标 的必要手段之一,直放站可以在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖,并且 造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统;作为解决通信网络延伸覆盖能力的一 种优选方案,与基站相比它有结构简单、投资较少和安装方便等优点,被广泛 应用于信号移动盲区和弱区,如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱 乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所,直放站大大提高了通信质量, 解决了掉

12、话问题,优化了无线通信网络【31。根据信号传输方式的不同,移动通信直放站被分为无线射频直放站和光纤 直放站,其中光纤直放站组成示意如图1-1所示。武汉理:大学硕十学位论文(直放站近端机一一一图1.1光纤直放站组成示意图光纤直放站是通过射频信号和光信号的相互转换实现中继功能,它包括直 放站近端机、直放站光远端机、光纤三部分,近端机多位于基站端,通过有线 方式介入微蜂窝系统,远端机位于信号覆盖端,完成信号的接收与发送,近端 机和远端机包含有光射频转换单元、功率放大器、滤波器和低噪声放大器组成 的射频单元,远端机和近端机通过光纤连接14l。光纤直放站工作过程分上行与下行两部分,下行信号处理过程为:下

13、行电 信号以有线接入方式从微蜂窝引入,经环形双工器消除上下行信号之间的串扰、 滤波器滤波后进入近端光发盘,近端光发盘将电信号转变为强度光信号,然后 通过光缆送至各远端机;远端机的光盘将近端机传来的下行光信号变换为电信 号,电信号经功放放大后由重发天线发射至目标覆盖区域空间供移动终端接收; 上行信号处理过程与下行相似【5J。作为一种经济有效的网络覆盖设备,直放站得到了广泛的推广应用,然而, 这些直放站数量庞大、分布广泛,通信设备供应厂家众多,早期的直放站安装 到选定地点后,工程师会现场设置好设备工作参数,调试无误后交付使用,如果需 要调整工作参数,必须由工程师重新回到现场更改设置参数,更为严重的

14、问题是, 电信运营商无法掌握众多直放站的实际工作状态,如果某台直放站由于某种原 因出现故障,无法正常工作,运营商并不能及时发现,只能等到手机用户发现自 己的手机无法搜寻到网络或网络信号过于微弱而无法通信而向电信运营商提出 投诉后,电信运营商才会发现相应的直放站未能J下常运行,然后再向该直放站设 备的通信设备供应商发出故障通知,最后设备供应商派人到现场检查并修复设 备,恢复网络功能,这样的故障发现和处理方式,是以牺牲最终服务质量为代价的, 导致用户对电信运营商的无线通信服务质量不满意,从而降低了电信企业的客 户竞争力。于是在这样背景下,直放站监控系统开始被研究和设计【引。2武汉理工大学硕士学位论

15、文1.2课题研究目的和意义为了实现直放站系统的智能化,弥补当前直放站监控系统的诸如处理事务 速度慢等缺陷,丰富和完善直放站监控系统,通过与开发生产智能射频光模块 和射频功率放大器的深圳国扬通信技术有限公司合作,借助于他们在直放站配 套器件的研究方面积累了丰厚的经验,按照中国移动直放站综合监控系统设 计规范对监控参数和功能设置的要求,采用ARM7系列处理器作为主控器设 计了监控系统终端,使用GPRS网络和本地串口作为通信信道,设计了监控中 心监控应用软件,开发了一套光纤直放站监控系统。本课题的提出有现实的需求性,可以很好改善无线通信服务质量,提升我 国直放站监控的技术水平,对确保直放站的正常运行

16、和维护都有重要作用,为 更好的配合当前和未来各种移动通信系统的建设做出贡献具有突出意义。1.3课题研究的发展历程和现状直放站监控系统主要用来监控直放站内部各种射频模块工作参数、环境和 故障情况,如功率放大器、选频模块等,一般由直放站监控终端、通信信道和 监控中心组成。监控终端是安装在直放站内部的监控电路,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,监控中心完成对整个 直放站网络的监控,包括配置管理、操作维护、故障告警、性能管理和安全管 理等信息处理。一般直放站监控系统基本组成如图1.2所示。V rj天

17、线_直放站j叵窖i甸侉受图1.2直放站监控系统组成示意图监控中心直放站监控系统从产生至今发展,大致经历了以下四个阶段。3武汉理工大学硕士学位论文(1第一阶段:简单的本地调测阶段80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,这是 直放站网管监控系统最基本的雏形。如图1.3所示。l监控中心萃脚l蠕I硼喜埘直放站 图1.3简单本地调测图1.4基本远程监控示意图 (2第二阶段:基本的远程监控阶段 90年代中后期,随着越来越多直放站工程开通,需要一种

18、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9.6kbps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GSM设备。由于数传业 务的限制,能够管理的设备数量非常有限。具体结构如上图1-4所示。 (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,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,集中监控也同 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,这一阶段的统一

19、性 主要体现在:多个网络统一管理(GSM900/DCS 1800/CDMA800,多种设备统一 监控(GSM/CDMA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1。这一阶段监控系统组成如图1.5所示。4一奶一苗 甲参囱 萄武汉理工大学硕十学位论文图1.5统一监控网络管理示意图(4第四阶段:综合网管监控阶段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 的网管监控中心已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

20、组成的综合系统,并具备了典型的网络结构,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。 这一阶段的综合网管结构如图1-6所示ITl。图1-6综合网管结构示意图从目日订来看,国内外生产直放站的企业有很多,如武汉虹信、上海欣民、 沈阳奥维、广州京信、阿尔创等,其中广州京信生产的监控系统在功z月*匕l-,和操作 方便性方面更具特色,市场占有率也较高。虽然这些公司的直放站监控系统各 有特色,但总体来讲,大多数直放站

21、监控系统仍采用控制终端、通信信道和远武汉理T大学硕士学位论文端监控中心三部分组成模式,控制终端多采用单片机作为处理器【8l,也有少量用户 使用了DSP作为处理器【9】,监控终端采集了直放站内部其他模块的现场数据,然 后利用移动GSM公网或公用电话网(PSTN以短消息或语音数据的形式把现场信 息发送到监控中心,或者把监控中心发送的命令信息通过GSM公网传到控制终 端,以达到对直放站的控制和监控。监控中心主要是使用VB开发的监控应用软 件,现在也有很多厂家开始采用JTEE开发了基于Web的应用软件,并且集成了 电子地图、统计分析等工具,可以说,在监控中心应用软件开发方面,技术已经 比较先进。随着通

22、信网络的日益庞大和用户的需求提高,采用以前的直放站监控系统随 之暴露出来一些问题,一是由于采用单片机作为处理器,以使监控系统处理事务 相对较少,容易出现突然死机的现象,难以满足现在网络的需求。二是采用短消 息形式传输数据,费用成本相对较高,并且数据流量不大,传输速度较慢。三是 由于GSM是电路交换型数据业务,不能实现与因特网的互连,不能实现长期在线, 不能满足用户利用移动终端接入Interact或其它分组数据网络的需求。1.4本文的工作内容在本文设计的直放站监控系统中,从监控系统终端硬件电路的设计、监控 系统终端嵌入式软件的开发、监控中心的应用软件、数据库系统的设计、到GPRS 远程通信模块软

23、件开发以及通信协议的制定都是自主研发,实现了中国移动 直放站综合监控系统设计规范相关要求,具体所做工作如下:(1广泛调研国内外直放站监控系统的发展状况,根据课题情况和中国移 动直放站综合监控系统设计规范要求,进行光纤直放站监控系统的功能分析。 (2充分比较当fi嵌入式控制器的资源优势和劣势,采用PHILIPS公司 ARM7系列芯片LPC2134处理器,根据功能需求,设计直放站监控系统的硬件 电路,并完成调试工作。(3研究GPRS传输数据的规律,学习使用GPRS模块丌发传输数据的技术, 采用了SIMCOM公司SIMCOM300远程通信模块进行远程数据传输。(4根据嵌入式软件设计要领,开发了直放站

24、监控终端底层软件。(5充分利用VC+6.0开发工具设计应用软件的优势,结合当前主流数据库 系统SQLServer2000,丌发了直放站监控系统上位机软件。6武汉理:大学硕十学位论文第2章 光纤直放站监控系统需求分析和总体设计本章将从直放站监控系统的功能需求、方案设计、处理器和远程通信模块 选型、以及所设计监控系统的技术特点等几个不同的方面对直放站监控系统进 行了总体分析和介绍。2.1功能需求分析直放站监控系统是对直放站设备进行远程监控维护的管理系统,其功能需 求主要包括配置管理功能、操作维护功能、故障告警管理功能和安全管理功能 四个部分【lol,详述如下:(1配置管理功能在新建直放站网元的情况

25、下,能够创建网元的基本信息,创建的配置信息 应包括站点基本信息如施主小区信息、设备生产厂家、设备类型、设备编号、 电话号码站点等级、站点描述等,参见数据集等。在直放站配置信息发生变化 情况时,要求通过一定策略实现监控中心配置数据的及时更新;在直放站设备 需要被搬迁、拆除和更换情况时,能够删除其网元配置的基本信息以及与其相 关信息。(2操作维护管理功能提供对直放站设备网元所有信息的查询功能,如网元的配置信息、参数信 息、告警信息等;提供对直放站设备配置参数的数据修改功能,如对功放开关、 信道频率、增益、门限的远程控制功能;提供对包括对设备的配置参数、性能 参数、工作状态进行定时轮询并把需求信息保

26、存到数据库中的功能。(3故障告警管理功能提供对直放站故障告警信息进行集中监视和管理。能够实现对告警数据的 实时采集和集中监视,对告警信息进行分类并能够存储告警同志,以辅助运维 人员和值班人员快速地发现网络问题和定位故障。(4安全管理功能主要是负责接入和授权管理及对全网安全起保证作用,包括创建和删除用 7武汉理:】二大学硕十学位论文户和用户组,修改用户和用户组的属性信息(名称、密码等,对申请登录的用 户进行身份认证,管理系统访问日志、系统操作日志和定时轮询日志的记录【l¨。 (5本地和远程通信功能直放站监控终端需要提供本地通信和远程通信接口,使直放站设备可通过 数传、短信、GPRS等其

27、中一种或多种承载方式接入上级网管系统。 以达到对 直放站无人职守监控的目的。2.2监控数据分析根据中国移动直放站监控系统数据需求规范1.0的要求,结合在上节中 介绍的直放站监控系统基本功能需求,对不同的直放站,如选频直放站、宽带 直放站、移频直放站等;其需要采集和监控的数据也有所不同;从本课题研究 的光纤直放站角度讲,需要监控的数据分类如下【12l。表2-1网络参数数据类型序号 名 称 备注(字节数1设备信息:设备类别 整数(12站点编号 整数(43设备编号 整数(14联系电话 字符串(20 可选5奄询/设置号码 字符串(206联系人 字符串(207监控中心IP地址及端口号 整数(68上报通信

28、方式 整数(19日期、时间 时间 可选8表2.2采集参数数据类型序号 名 称 备注 (字节数1检测功放反向功率 有符号整数(12检测的功放前向功率 有符号整数(13功放ALC值 有符号整数(1 可选 4功放驻波比 有符号整数(15功放ATr 整数(16功放温度 浮点数7光模块发光功率 有符号整数(1 可选 8光模块收光功率 有符号整数(19低噪放ATr值 整数(110LNA输出功率 有符号整数(111低噪放ALC值 有符号整数(112模块输入功率 有符号整数(1 可选 12模块输出功率 有符号整数(1 可选 表2.3设置参数数据类型序号 名 称 备注 (字节数1功放开关 布尔弛2功放过温门限

29、有符号整数(13发光告警门限 浮点数4收光告警IJ限 有符号整数(16功放过功率门限 有符号整数(1 可选 7功放欠功率I、J限 有符号整数(19表2.4告警参数序号 名 称 数据类型 备注1电源掉电告警 布尔型2电源故障告警 布尔型3门禁告警 布尔型 可选4功放过温告警 布尔型5上行功放故障告警 布尔型6下行功放故障告警 布尔型7上行低噪放故障告警 布尔型8下行低噪放故障告警 布尔型9上行功放过功率告警 布尔型10下行功放过功率告警 布尔型11上行功放欠功率告警 布尔型12下行功放欠功率告警 布尔型13上行功放驻波比告警 布尔裂 可选14上行功放驻波比告警 布尔型15光收无光告警 布尔型16

30、光发无光告警 布尔型2.3关键技术考虑根据对光纤直放站监控系统的功能和监控数据的分析,在直放站监控终端 处理器的选型上,面临着以下选择:一、采用传统的单片机CF8051为主控制 器,二、采用以耵公司TMS320C2000系列DSP为主控制器,三、采用韩国 SamSung公司、美国ATMEL公司、PHILIPS公司的ARM7系列微控制器作为 主控制器,下面分别从功能、性能、价格、存储起资源数量、操作系统支持、 供货稳定几个方面加以选择【13J。从性能和价格方面考虑,当前单片机多是8/16位控制器,DSP和ARM都 是32位处理器,在处理速度上后两者显然占有无可比拟的优势,而随着芯片制 造技术的提

31、高,成本也越来越低,单片机的以往价格优势也不在明显;从这两 方面考虑看,在处理器的选型上,我们以DSP和ARM为主要选择范围。从功能角度考虑,DSP系列处理器更偏重于对数字信号的处理和运算; 10武汉理:r大学硕士学位论文Samsung公司ARM系列主要面向通信产品和PDA等应用,没有工业级芯片; 而直放站监控系统的终端多位于恶劣环境中并且处理数据容量较大,显然这两 个系列的处理器不太适合直放站监控终端的开发。而ATMEL公司和PHILIPS 公司的ARM7系列产品都有适合工业控制的芯片,并且在业界具有很高知名度, 所以在处理器的选型上,我们只能在这两个公司的产品中取舍。从IC资源角度考虑,A

32、TMELMCU的Flash通常比PHILIPS的容量大,但 PHILIPS将FLASH存储器与处理器核集成在同一个管芯当中,而ATMEL将一 个单独的FLASH芯片与处理器集成在一个多芯片封装当中。这对存储器性能、 功耗以及价格有着很重要的影响;在ATMEL的MCU当中,Flash接口的宽度 只有32位,而不是PHILIPS的128位宽度,访问时间大约110ns,只有PHILIPS Flash存储器速度的一半。另外PHILIPS的0.18微米嵌入式Flash I艺的另一个 优点是实现了较小的芯片,这样不但降低了功耗,减小了封装尺寸,而且降低 了成木。从操作系统和供货方面看,ATMELMCU和P

33、HILIPS的MCLI都支持操系统,为以后的软 件升级提高了很好前景,但PHILIPS公司在中国大陆有像周立功公司这样的代理商,能够 给客户提供稳定的货源和技术支持【14】。综合以上比较,考虑到所设计直放站监控系统功能复杂、协议类型多、程 序空间预计使用量大,最终决定在直放站监控终端的设计中选用PHILIPS公司的 LPC213x系列中片内带有较大Flash和SRAM的LPC2134作为嵌入式处理器。GPRS(General Packet Radio Service是通用分组无线业务的简称,是在 GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的GSM 比较,GPRS在数据业务的

34、承载和支持上具有非常明显的优势:通过多个GSM 时隙的复用,支持的数据传输速率更高,理论峰值达115kb/s:不同的网络用户 共享同一组GPRS信道,但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用 信道资源。这样,通过多用户的业务复用,更有效地利用无线网络信道资源, 特别适合突发性、频繁的小流量数据传输,很好地适应数据业务的突发性特点; GPRS计费方式更加灵活,可以按照数据流量来进行计费;与无线应用协议 (WAP技术不同,GPRS能够随时为用户提供透明的IP通道,可直接访问 Internet中的所有站点和资源;采用信道复用技术,每一个GPRS用户都能够实武汉理工大学硕士学位论文现永远在线另外

35、,GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等, 而且相对于短消息等其它无线数据通信业务,GPRs的价格优势比较明显。目 前,我国移动推出的GPRS上网业务最高每千字节也只有3分钱,而且用户可 以根据自己的需要,以月租、包月等多种形式进一步降f氐OPRS通信的费用。 因此使用GPRS实现远程数据的传送是非常经济实用的,特别是对于不易架设 有线网络的边远地区的可移动装置而言Il”。根据直放站监控系统中通信信道的方案规划,远程通信信道利用DPRS网 络传输监控数据。从目前来看,能够应用GPRS的设备大致包括以下几种情况:一是具有GPRS功能GSM模块,如西门子公司的MC35i,WAVECO

36、M公司的等; 这种模块一般主要是用于语音通信或短信息收发,不带TCP/IP协议族:二是具有 TCP/IP协议族的专用GPRS模块,如低端领域的eenQ的模块如M22,高端领域的 Wavecom的OTM06b、中端领域的SIMCOM公司的SIMCOM3(Xh三是GPRS DTU, 如中兴公司的zI踟.周立功公司ZLG22等。下面将从性能、价格、开发难易角度去比较荐种GPRS设备¨61。从性能和价格来考虑,国外公司的产品性能以及稳定性比国内的要好,但价格相 对较高,如WAVECOM公司的GPRS模块价格。对直放站监控系统来讲.必须确保 GPRS设备即使在恶劣环境中也能稳定运行,初步以性价

37、比来看,西门予公司的MC35I 模块和SIMCOM公司的SIMCOM300性价比较高。从开发产品难易来考虑,西门予公司的MC35I模块不像SIMCOM公司的 SIMCOM300那样带TCP/IP协议族,在开发过程中,仍需要在主控制器中移植TCP/1P 协议,这无疑增加了开发产品的难度。综合比较结果,最终选择使用SIMCOM公司SIMCOM300模块,以该模块 作成的MODEM如图2-1示。,武汉理工大学硕+学位论文2.4光纤直放站监控系统方案设计本课题中的监控系统同样由监控终端、通信信道、监控中心三部分组成, 监控系统框图如图2-2所示。团芸 监 控 系 L 统 r 、终 端图2.2光纤直放站

38、监控系统框图监控终端包括监控主板以及远程通信模块,它安装在各个站点上,负责管 理设备信息、实时采集设备运行参数,回应命令或生成告警,提取有用信息并 组织成已定义的通信协议帧格式,进一步打包成数据包,使用监控终端的通信 模块,通过通信信道,将此数据包发送到监控中心【l¨。通信信道是为设备和网管中心的数据交换提供通道,根据中国移动直放 站监控功能规范1.O要求,采用两种方式:一种是利用移动PC串口通信,提 供本地监控信道:一种是利用中国移动GPRS网络传输数据,提供远程监控功能。 监控中心实现对业务区内所有直放站及室内覆盖系统的配置管理、性能管 理、告警管理等管理功能,提供对设备远程查询

39、、设置等操作的人机接口,提 供对设备告警的管理功能,提供各种数据的存储功能。在光纤直放站内部设置监控系统终端模块,通过485总线采集直放站内部 功能模块的基本信息,以及直放站运行环境信息,并根据监控中心命令执行控 制动作。经过对多家企业直放站设备监控终端的比较分析,本设计监控终端采用 ARM+总线构架。该构架的原理是将整个复杂的监控任务划分为几个相对独立的而且实现功能相对简单的模块分别实现。每一个射频模块均为智能模块,其 本身具有采集本模块参数的功能,每个射频模块被称为从模块;监控终端为主 模块,主模块负责把握全局,功能包括:与监控中心进行通信,按时间片轮循 从模块取得设备运行参数并储存等;从

40、模块一般安装在各射频模块中负责采集 模块运行状态并保存以备主模块查询;主模块与从模块之间使用支持一主多从 的总线方式通信如485总线;监控终端软件上采用前后台系统思想设计,ARM +总线通信的构架如图2.3示。圈 I 中心1一 f薯瑟,魁 l信模块下彳f监控从1f监控从1 模块I/L模块2/图2.3ARM+总线架构示意图ARM+总线通信的构架具有如下优点:降低任务模块的相关度也就降低了 系统联调的难度;再者各个模块设计同时进行且开发技术难度较低,在系统设 计初期可减少系统开发时间;由于所用ARM控制器为专用工业开发芯片,内 部集有看门狗。系统可靠性较高;主从模块间采用的是串行通信交换数据,使

41、用的通信协议为深圳国扬通信技术有限公司多年使用的协议,性能很高并且健 壮性好、实现简便。2.5本章小结根据中国移动直放站监控系统数据需求规范1.0的要求,本章主要论证 了光纤直放站监控系统的基本功能需求和数据要求,结合当前的主控制器和 GPRS模块的类型,进行了细致的选择,确定了LPC2134主控制器和 SIMCOM300GPRS模块,最后,对直放站监控系统整体方案架构和监控终端的 方案进行了阐述。第3章 光纤直放站监控终端硬件电路设计根据第二章所述光纤直放站监控系统的功能需求分析和系统方案规划,于 是围绕监控终端微控制器LPC2134选择外围元器件,并估算硬件性能,进行了 监控终端硬件电路设

42、计。3.1光纤直放站监控终端硬件概述监控终端电路主要负责对光纤直放站运行中各种模拟量的采集,对各个射 频功能模块数据信息的存储,以及负责与监控中心的通信;光纤直放站监控终 端硬件电路主要由控制器系统电路、电源管理单元、显示单元电路、模拟量采 集电路、通信接口电路、485接口电路等模块组成,监控终端整个电路框图如 图3.1示。 廿 I 理单元I 7匿卜 2134|显示L LPC廿” 最小系统电路 阱 l号处理卜_-I单元I图3-1监控终端原理框图3.2光纤直放站监控终端硬件设计控制器MCU系统电路包括LPC2134控制器、震荡电路以及复位电路三部 分组成。LPC2134处理器基于16/32位AR

43、M7TDMI.S核,超小LQFP64封装;并 带有128kB嵌入的高速Flash存储器,16kB的片内静态RAM,128位宽度接口武汉理工大学硕+学位论文/加速器可实现高达60MHz工作频率;EmbeddedlCERT和嵌入式跟踪接口通过 片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪:2个8路10位的A/D 转换器,共提供16路模拟输入,每个通道的转换时间低至2.44us;1个10位 的D/A转换器,可产生不同的模拟输出;2个32位定时别外部事件计数器(带 4路捕获和4路比较通道、看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的 32kI屯时钟输入:包括2个16C550工业标准UAR

44、T、2个高速12C总线(400kbit/s、 SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。向量中断控制器。可配置优先 级和向量地址;小型的LOFP64封装上包含多达47个通用I/0口f可承受5V电 压l多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚【18】。LPC2134的电路原理如图3.2所示。;霉氯躺l产溅 霪旃囊 i;噩融潍爨 掣必图3-2控制器原理图振荡电路主要为整个系统的运行提供稳定的时序,本设计中采用外部 11.0592MHZ晶振,使用这个频率的原因是为了使串口波特率更精确,同时能 够支持LPC2134微控器芯片内部PLL功能和ISP功能。电路如图3-3所示。 耋蓁一 篓莲莲武汉理工大学

45、硕士学位论文图3.3时钟电路原理图复位电路可以使整个系统重新运行,可以在系统死机或者调试时候使用, 本监控终端硬件复位电路采用微处理器监控芯片SP708S,该芯片包含一个看门 狗定时器,一个uP复位模块,一个供电失败比较器,及一个手动复位输入模块, 有效地增强系统的可靠性及工作效率n钔。图中信号nRST连接到LPC2134管脚 RESET,当复位键按下时候,SP708S的nRST弓I脚立即输出复位信号,使LPC2134复 位。提高系统可靠性,电路原理图如图3-4。图3.4复位电路原理图采用ARM公司提出的标准的20脚JTAG仿真调试接口,JTAG信号定义 如下图3.5所示。 虻既3巾1过一:i

46、 鞘卜吾_.;武汉理工大学硕+学位论文根据LPC2134的应用手册说明,在RTCK的引脚接一个4.7KQ的下拉电 阻,使系统复位后LPC2134内部JTAG接口使能,这样就可以进行JTAG仿真 调试。RS.232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association制定的 一种串行异步传输标准接口,最大传输速率为20kbps,最大传输距离不大于15m, 采用全双工通信方式,其物理标准接口定义为:逻辑1对应一3V一15V逻辑 “0”对应为+3V+15V其物理接头包括25针DB25和9针DB9插头座两种形式 1201o在本系统终端电路中,在满足通信要求的条件下,只

47、使用了RXD、TXD、 GND三根信号线,但由于RS232标准所定义的高低电平信号与LPC2134系统 内定义的1rL电平信号完全不同,故两者之间要进行信号电平的转换,在这里 采用集成电路转换芯片ADM202完成两种电平转换。原理图如图3.6所示。图3-6RS232接口原理图RS485标准是电子工业标准协会与1983年制定并发布,全称为TIAEIA.485串行通信标准。电气特性为:逻辑“l”以两线问的电压差+(2V6V表示,逻 辑“O”以两线问的电压差一(2V6V表示。接口信号电平与丌L电平兼容,可 方便与TT此接。采用差分信号传输方式,增加了多点双向通信能力,即允许多 发送器连接到同一条总线

48、上,并且允许一个发送器驱动多个负载设备。负载设 备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。RS。485标准抗干扰能力强, 传输速率高,传送距离远。采用双绞线,不用MODEM的情况下,在lOOkbit/s的18武汉理工大学硕士学位论文速率下,可传送的距离为1.2kin,若采用最常用的9600bit/s,则传送距离可达 15kin。由于标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件、电缆或协议, 在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。这就意味着和RS232一样,可以 在主控制芯片自带的UART中添加电平转换芯片就可以实现远程RS485通信,即 在UART0的输入腧出端加入半双工1TI.RS

49、485电平转换芯片SP485构成RS485通信的基础【2¨。剧斗盟醴型至等图3.7RS485接口原理图图中SP485R芯片为满足RS485规范的半双工收发器,LPC2134的标准串 行口通过RXD直接连接SP485R芯片的RO引脚,通过TXD直接连接SP485R 芯片的Dl引脚。由LPC2134输出的R/D信号直接控制SP485R芯片的发送器 /接收器使能:R1/D信号为“1”,则SP485R芯片的发送器有效,接收器禁止, 此时微处理器可以向RS.485总线发送数据字节:R/D信号为“O”,则SP485R 芯片的发送器禁止,接收器有效,此时微处理器可以接收来自RS.485总线的 数据

50、字节。此电路中,任何时刻SP485R芯片中的“接收器”和“发送器”只能够 有一个处于工作状态。连接至A引脚的上拉电阻R7、连接至B引脚的下拉电阻R8用于保证无 连接的SP485R芯片处于空闲状态,提供网络失效保护,以提高RS.485节点与19武汉理工大学硕士学位论文网络的可靠性。R7,R8,R9这三个电阻要根据实际应用而改变大小,特别在用 120欧或更小终端电阻时,R9就不需要了,R7和R8应使用680欧电阻。 SP485R芯片本身集成了有效的ESD保护措施。但为了更加可靠地保护 RS.485网络,确保系统安全,我们通常还会额外增加一些保护电路。电路图中, 钳位于6.8V的TvS管V4、V5、

51、V6都是用来保护RS.485总线的,避免RS.485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌产生的高压损坏RS.485收发器【矧。功率放大器在直放站内具有至关重要作用,必须确保其供电稳定以使起工 作正常,在此设计了过压欠压检测电路,当供电电压超过或低于其额定电压的 10%时,功放就告警。正常工作时,POWER电压为28V。过压时大于30V,欠 压时小于26V。先调节R32,使LM339的5脚电压为3.OV;再调节R44,使6脚为2.6V。取POWER的1/10电压比较。当电压IF常时,运放输出端均为高电 平;过欠压时,运放输出端一低一高,运放输出级的电流吸收使得最终为低电 平。LM2901输出端接入LP

52、C2134的Po.13脚进行检测1241。电路原理图如图3.8所示。鼍f图3.8功放电压监控电路原理图报警电路由驱动电路和蜂鸣器组成,蜂鸣器使用NPN三极管Q6进行驱动, 当PO.12脚控制电平输出1时,三极管导通,蜂鸣器蜂鸣;当P0.12脚控制电平20武汉理下大学硕士学位论文输出0时,三极管截止,蜂鸣器停止蜂鸣;使用+3.3V供电,工作电流大于 28mA【矧。电路如图3-9所示。图3-9报警电路原理图当功放或远程通信模块出现问题时,需要把他们的电源关掉,电路原理图 如图3.10示意。总体电路有P沟道MOS管IRF4905Q2与三极管Q1以及隔离 光耦组成,添加光耦的目的是为了防止大电压和高频

53、信号对微控制器的冲击, 切断干扰信号信道;当SWMPl.17置高电平时,光耦工作发送光电流使三极管 开始工作,此时,P沟道MOS管的源级S电压大于栅极G端电压,于是P沟 道MOS管漏级D和源极导通,于是,功放或通信模块电源被打开;当SWMPl.17置低电平时,光耦不工作,导致三极管也不工作,P沟道MOS管的源级S电压 等于栅极G端电压,P沟道MOS管漏级D和源极截止,功放或通信模块电源 被开关闭-肺J。图3.10开关电路原理图显示电路由液晶显示模块和红绿发光二极管组成,液晶显示电路主要用柬 21武汉理工大学硕士学位论文显示直放站运行环境信息以及内部各个功能模块的参数。红绿发光二极管主要 用来标

54、示设备运行状态,绿色灯亮表示设备运行正常,红灯灯亮表示设备告警。液晶显示模块采用深圳拓普微电子LM2068R系列产品为320x240点阵的 图形显示模块,内置RA8803控制器。模块不仅可以显示单一的文本、图形,而 且可以实现双图层的(“或”、“异或”、“同或”、“与”四种逻辑关系合成显示和 四阶灰度的效果。文本模式下能够实现大小字体的混编(最大字体为64x64, 中英文自动对齐,行距设定等功能,内嵌简体中文字库(7602个汉字, 双 图层显存(2x9.6k显示存储器,可自定义16个16x16的字符。模块外接控制 引脚定义如表3.1所剥z刀。表3.1液晶模块引脚定义引脚信号名称 信号描述 1V

55、SS 地 2VDD 电源 3V0输入参考电压 4/WR 写信号(低电平有有效 5/RD 读信号(低电平有有效 6/CS 片选信号(低电平有有效 寄存器选择信号(高电平:输入显示 7/RS 数据;低电平:输入控制指令数据 8/RST复位信号 916DBO一一DB7数据信号 17BUSY忙控制信号 18VOUT升压输出 19BLA 背景灯电源正极20BLK背景灯电源负极 液晶模块接口电路和发光二级管电路原理图如图3.11所示。微控制器通 过总线的形式与液晶模块相连,通过控制引脚RS去控制输入液晶模块的是显 示数据还是控制命令。一声G U。, 墨34.R I_E3.11显示电路原理图 叠一#一 虹

56、眦 队 脚 :2岱 肋 胍 一 垒棼一一武汉理工大学硕士学位论文直放站监控终端内部需要采集的模拟量主要包括温度等运行环境信息以及 电源电压,模数转换AD采用LPC2134片内自带AD,LPC2134片内自带2个8路10位AD,测量数据范围为0"-3V,转换时间低至2.44us,转换通道、转换速率、 转换精度、起始条件软件可设。其中对温度等模拟量的采集需要用到外围温度 传感器、衰减电路和滤波电路,如图3.12所示,而对电源电压的监控是通过衰 减电路直接通入片内AD,具体看电源监控电路图3.13。?图3.12模拟量采集电路原理图图中LM35是温度传感器,其输出电压与摄氏温标呈线形关系,转

57、换公式 为:O时输出0v,每升高1,输出电压增加10mv.考虑到LM35输出电压太小, 结合LPC2134片内AD的采集范围,在温度传感器后面设计了3倍放大电路; 由于采集出来的电压信号很可能带有杂波成分,在电路的末端又增加了滤波电 路。首先是主备用电源切换电路,采用P沟道MOS管CEM9435,当正常情况下, MOS管栅级极主电源电压大于源极备用电源电压,MOS管处于截止状态,主 电源发挥作用;当主电源失效情况下,源极电压低于栅极电压,MOS管处于导絮淤 I武汉理T大学硕士学位论文通状态,备用电源发挥作用。监控系统终端主板中需要给模拟器件供电,为了降低噪声干扰和出错几率, 在电路区隔了模拟电压与数字电压,模拟地与数字地【281。图3.13电源电路原理图外围存储器电路主要用来存储系统的一些配置数据或者固定参数,当系统 启动自检时,可以从中提取信息对系统进行配置,也可以防止系统突然掉电时 固定参数的丢失【291。电路设计主要使用了EEPROM存储芯片AT24C02,使用LPC2134自带12C 总线与其连接。具体电路见图3.140