基于MCU的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

李方健

(重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401331)

現(xiàn)代移動通信已經(jīng)是國民生產(chǎn)及人民生活中必不可少的環(huán)節(jié)，而隨著移動通信用戶人數(shù)不斷增多，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也在不斷地擴大，而通信基站作為通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其工作的穩(wěn)定性直接關(guān)系通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

通信電源是通信基站的動力心臟。據(jù)不完全統(tǒng)計，通信基站80%的故障都來自于電源系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定性，因此，加強通信電源工作的可靠性和穩(wěn)定性是提高通信網(wǎng)絡(luò)整體傳輸質(zhì)量，降低故障率的關(guān)鍵。

要實現(xiàn)以上的目標，就要實現(xiàn)對通信電源及其運行環(huán)境的監(jiān)控功能。而隨著傳感器技術(shù)及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對移動通信基站的電源進行遠程的實時監(jiān)測已成為可能。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體功能分析

基站中的通信設(shè)備用電大多采用直流電，主要分為兩種，一種是直流±48 V，另一種是直流±24 V[2]。目前國內(nèi)基站大多采用－48 V/50 A 電源模塊組成100～600 A 的基于PWM 模式的開關(guān)電源。監(jiān)控的內(nèi)容包括三相電的電壓、電流、無功、有功、頻率等質(zhì)量指標；還有斷相、過壓、電流異常等故障指標；低壓配電、蓄電池電壓、發(fā)電機發(fā)電情況及環(huán)境的溫度和濕度等數(shù)據(jù)[1]。

通信基站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)主要由三部分組成：通信電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠程傳輸系統(tǒng)、遠端管理中心。其中通信電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用電流互感器、電壓采集電路、溫度傳感器、濕度傳感器等對各項數(shù)據(jù)進行采集，采集的數(shù)據(jù)通過A/D 轉(zhuǎn)換接口送入MCU 控制器的串口，數(shù)據(jù)在MCU 中進行簡單處理之后，通過基站的通信功能發(fā)射出去，經(jīng)遠端管理中心的接收端進行信號接收后，進行進一步的數(shù)據(jù)處理、分析、統(tǒng)計，并按照標準運行數(shù)據(jù)的范圍確定出設(shè)備的運行狀態(tài)，發(fā)出控制指令，控制指令經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)返回至基站MCU 單元的輸入端，MCU 的輸入端經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器或直接連接執(zhí)行機構(gòu)，從而起到遠程控制的目的。

圖1 通信基站電源監(jiān)控體系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型分析

電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件以單片機為核心元件，并設(shè)計了相應(yīng)的外圍電路以實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能、執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行、信號的輸入及輸出等功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

作為整個電源監(jiān)控系統(tǒng)下位機的核心，MCU 通過總線、控制線和串行線來訪問所有外圍模塊器件，承擔著信號的采集、數(shù)據(jù)的運算與上傳的主要任務(wù)，同時還要對整個監(jiān)控系統(tǒng)的各部分模塊的工作進行控制和協(xié)調(diào)。為了完成以上功能，本設(shè)計的主控單元選用STC12C5410AD 芯片，該芯片除具有中央處理器、Flash (程序)、512Byte 的 RAM (數(shù)據(jù)存儲器)、EEPROM 功能之外，還具有定時/ 計數(shù)器、I/O 接口、異步串行UART 接口和中斷系統(tǒng)、同步通信SPI 接口、高速A/D 轉(zhuǎn)換模塊、PWM(或捕捉/比較單元)以及硬件看門狗、電源監(jiān)控、片內(nèi)RC 振蕩器等模塊。因此STC12C5410AD 單片機基本包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可以很容易地構(gòu)造相應(yīng)的測控系統(tǒng)。

硬件的第二部分是采樣處理模塊的構(gòu)建。在本系統(tǒng)中，需要進行采樣的數(shù)據(jù)主要有市電的電壓、電流，蓄電池的電壓、電流、溫度，發(fā)電機的電壓、電流等，同時還要對電源運行的環(huán)境的溫度與濕度等參數(shù)進行記錄和分析。這些參數(shù)大多都是模擬量，由于STC12C5410AD 芯片上集成了8 路10 位精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊，所以可以不外接A/D 器就可以保證數(shù)據(jù)采集的精度。

市電三相電電流的采集采用諾德威牌的LRB 貫穿式電流互感器來完成，輸入輸出比設(shè)定為20 A(100)/10 mA，為了減小輸入誤差，電流采樣采用差分輸入方法，電路如圖3 所示。

發(fā)電機的電流采樣也采用和三相市電電流采集相同的方式，所不同的是采用變壓器將發(fā)電機的輸出電壓由220 V 轉(zhuǎn)換成12 V，這樣起到隔離高壓、減少外界干擾的目的。

蓄電池的電流及電壓采用電壓與電流傳感器來采集。采集后的數(shù)據(jù)與發(fā)電機、市電的采集數(shù)據(jù)一同傳入電能計量芯片ATT7022B 進行各路電能的測量與計算。

ATT7022B 是一款七路電能專用計量芯片，其中三路用于三相電壓采樣、三路用于三相電流采樣，最后一路用于零線電流的計算。

圖3 電流采樣電路

所有的采集信號利用6 對12 條信號線輸入至ATT7022B芯片。在ATT7022B 芯片中進行電能信息的處理后輸入至單片機中。ATT7022B 芯片利用SPI 接口與STC12C5410AD 單片機相連，連接時會使用到6 條連線，其中4 條是SPI 口接線DIN、DOUT、CS、SCLK 及一條 ATT7022B 復(fù)位線和一條信號線SIG。

此外，系統(tǒng)還提供了環(huán)境溫度與濕度信息的采集，基站直流電壓信號的采集，這些信號的采集均利用溫度與濕度傳感器、電壓傳感器來完成，采集的信號輸入至單片機中進行處理。

底層數(shù)據(jù)采用CAN 總線進行傳輸，輸入和輸出采用按鍵和液晶顯示儀完成，各繼電器通過異步串行通信進行控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)上位機說明

上位機程序包括主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸入輸出處理模塊、控制模塊及通信模塊等。

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成采集數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計、分析的任務(wù)，而后將分析的結(jié)果傳送給控制模塊；

控制模塊接收了來自于數(shù)據(jù)處理模塊的分析結(jié)果，生成對應(yīng)于下位機的控制命令，同時采用遠程通信的方式將控制命令下達至單片機，實現(xiàn)遠程操控；

輸入輸出處理模塊、通信模塊用來完成構(gòu)建監(jiān)控層的人機交互及遠程通信功能。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了以MCU 為主控方式的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5410AD 芯片為核心，以各種傳感器為數(shù)據(jù)采集方式，以繼電器作為執(zhí)行控制端。

各路傳感器所采集的數(shù)據(jù)采用了三級處理方式：第一級為利用ATT7022B 進行電能的計算；第二級利用單片機處理后上傳至遠程數(shù)據(jù)處理中心；第三級的處理在遠程處理中心，對所有數(shù)據(jù)進行進一步的分析和統(tǒng)計，從而保證了數(shù)據(jù)的準確性。

[1]梁強.基站通信電源及其監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].天津：天津大學，2007：1-2.

[2]崔恒源.移動通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學，2009：9-10.