天線(xiàn)設(shè)備手持控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂 燚， 鄧春健， 鄒 昆

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

天線(xiàn)設(shè)備手持控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂 燚， 鄧春健， 鄒 昆

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院, 廣東 中山 528402)

隨著移動(dòng)終端的迅速普及和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化任務(wù)日益繁重，遵循AISG2.0協(xié)議的天線(xiàn)線(xiàn)上設(shè)備(Antenna Line Device，ALD)得到了廣泛的應(yīng)用。為滿(mǎn)足大量ALD安裝調(diào)試以及維護(hù)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了符合AISG2.0協(xié)議規(guī)范的手持控制終端。分析了ALD設(shè)備手持控制終端的特點(diǎn)和應(yīng)用背景，從AISG通信、電池管理和過(guò)流保護(hù)等方面詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件，并討論了AISG協(xié)議棧和電池管理等模塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法，最后完成了與不同廠(chǎng)家ALD設(shè)備的協(xié)議對(duì)接測(cè)試和耗能操作下的待機(jī)測(cè)試。測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用證明，本設(shè)計(jì)硬件上符合AISG2.0規(guī)范，協(xié)議實(shí)現(xiàn)完整，操作效率高，且具有耗能操作待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

天線(xiàn)線(xiàn)上設(shè)備； AISG協(xié)議； 電池管理； 手持終端

0 引 言

隨著移動(dòng)通信行業(yè)高速發(fā)展，用戶(hù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化提出了更高的要求，用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，為了實(shí)現(xiàn)不同廠(chǎng)家設(shè)備與基站系統(tǒng)之間的互操作性，主流天線(xiàn)設(shè)備與基站系統(tǒng)廠(chǎng)家聯(lián)合成立了AISG(Antenna Interface Standard Group)組織，并制定了AISG協(xié)議[1-3]。ALD是指AISG協(xié)議中規(guī)定的用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的天線(xiàn)相關(guān)設(shè)備，目前主要包括電調(diào)天線(xiàn)(RET)、塔頂放大器(TMA)兩大類(lèi)設(shè)備[4]，其中RET包括可以調(diào)節(jié)下傾角和方位角兩種，塔頂放大器包括固定增益式、可調(diào)增益式以及帶駐波檢測(cè)放大器等幾種類(lèi)型。

在ALD設(shè)備的安裝調(diào)試、故障排查和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過(guò)程中，需要借助PC機(jī)以及AISG通信網(wǎng)關(guān)來(lái)執(zhí)行相關(guān)功能，操作繁瑣，對(duì)施工人員要求較高，而且PC機(jī)不適合施工現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，需要交流供電，安裝調(diào)試效率較低。目前RFS、Argus等廠(chǎng)家已經(jīng)相繼研發(fā)出AISG手持終端，但是均存在不支持OOK通信方式，且電池容量小，不支持耗能操作。本文從實(shí)際需求出發(fā)，研發(fā)了支持OOK通信方式并帶有大容量電池的手持式ALD設(shè)備控制終端，完整實(shí)現(xiàn)了AISG2.0協(xié)議棧。不需要現(xiàn)場(chǎng)供電，簡(jiǎn)化了操作流程，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、優(yōu)化工作的復(fù)雜度大為降低，效率更高。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6作為控制核心，硬件上包括AISG通信、鋰電池管理、人機(jī)界面等(見(jiàn)圖1)。其中AISG通信模塊保留了OOK通信和485通信兩種方式；鋰電池管理實(shí)現(xiàn)了電池充放電保護(hù)、充電均衡和短路保護(hù)等功能；過(guò)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)被控ALD設(shè)備發(fā)生過(guò)流故障是自動(dòng)切斷其供電的保護(hù)功能；人機(jī)界面包括3×4矩陣式按鍵和液晶顯示模塊。

1.2 通信模塊

圖1 ALD設(shè)備手持終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

頻率為2.176 MHz的OOK通信兩種方式[5-7]，本系統(tǒng)中同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種接口，單片機(jī)的串口輸出接SN65HVD3082電平轉(zhuǎn)換芯片，得到485信號(hào)。同時(shí)串口和通信方向控制信號(hào)與OOK調(diào)制解調(diào)模塊相連，OOK調(diào)制解調(diào)電路如圖2所示，采用了Maxim公司的集成OOK modem芯片MAX9947，接8.704 MHz無(wú)源晶振，內(nèi)部4分頻得到載波信號(hào)。圖中BIAS端輸出1.5 V參考信號(hào)，R153和R151分壓后接RES端，其電壓決定了OOK信號(hào)輸出功率。MAX9947支持AISG協(xié)議要求的3種通信波特率，通過(guò)配置DIRMD1和DIRMD2來(lái)優(yōu)化不同波特率下的解調(diào)延遲，本系統(tǒng)采用的波特率為115.2 Kb/s。圖中C19、C25和L7構(gòu)成了OOK信號(hào)的低通濾波器，截止頻率3 MHz。C10為耐壓為2 kV的耦合電容，L2為47 μH的功率電感，隔離直流供電和OOK信號(hào)。

圖2 OOK調(diào)制解調(diào)電路

1.3 電池管理模塊

ALD設(shè)備中的RET依靠電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)天線(xiàn)下傾角和方位角，功耗較大，本系統(tǒng)中配備了6節(jié)容量為2 600 mAh的 18650鋰電池，電池管理芯片采用了TI公司的BQ77PL900，電路示意圖如圖3所示，其主要功能包括充放電保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、充電均衡以及工作電流檢測(cè)。充放電保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)主要實(shí)現(xiàn)電池在過(guò)充、過(guò)放、短路和過(guò)熱等極端情況下切斷輸出，保護(hù)電芯并防止意外發(fā)生。串連的鋰電池組由于自身特性的差異，經(jīng)過(guò)多次充放周期后出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象將嚴(yán)重影響電池容量[8-9]，本系統(tǒng)中采用了BQ77PL900自帶的耗能式被動(dòng)均衡功能，均衡效率不高，但是具有安全、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。圖3中的R1～R6為均衡電阻，充電過(guò)程中當(dāng)某節(jié)電芯電壓較高，并超過(guò)一定閾值后，便開(kāi)啟相應(yīng)均衡電阻的分流功能。圖中Rs為電流采樣電阻，采集電池組的充放電電流用于電池容量的實(shí)時(shí)計(jì)算。

1.4 過(guò)流保護(hù)電路

電池管理系統(tǒng)中已經(jīng)集成了電池放電短路保護(hù)，可以有效防止由于ALD設(shè)備短路造成的手持終端損壞，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)ALD設(shè)備短路時(shí)整個(gè)手持終端也失去電源，無(wú)法正常工作，施工人員通常會(huì)誤認(rèn)為手持控制器損壞，無(wú)法排查ALD故障，并嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。而B(niǎo)MS中集成的電流采集功能需要軟件判別，速度慢，發(fā)生短路時(shí)無(wú)法及時(shí)切斷對(duì)外供電，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件自動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能，電路如圖4所示。過(guò)流門(mén)限約為2A，P1端與單片機(jī)外部中斷相連，當(dāng)ALD設(shè)備電流超過(guò)限值時(shí)，T1導(dǎo)通，反相器輸出低電平，自動(dòng)切斷對(duì)ALD設(shè)備的供電。為了避免過(guò)流誤觸發(fā)，本電路具備自動(dòng)重試功能，切斷供電后過(guò)流現(xiàn)象消失，經(jīng)過(guò)一定的遲滯時(shí)間后會(huì)重新開(kāi)啟供電。如果ALD設(shè)備短路持續(xù)存在，單片機(jī)通過(guò)P1的下降沿可以識(shí)別，此時(shí)可通過(guò)P2輸出高電平，徹底切斷供電輸出。

2 軟件設(shè)計(jì)

ALD設(shè)備手持終端軟件主要包括3大功能模塊，分別是AISG協(xié)議棧、人機(jī)交互模塊和電池管理模塊。其中人機(jī)交互模塊在驅(qū)動(dòng)層包括液晶顯示和按鍵掃描兩部分，應(yīng)用層主要基于鏈表的LCD菜單顯示系統(tǒng)，通過(guò)按鍵事件觸發(fā)菜單的切換，實(shí)現(xiàn)在小型LCD上顯示多級(jí)信息的功能。AISG協(xié)議棧主要功能包括實(shí)現(xiàn)ALD設(shè)備的AISG通信和相關(guān)操作命令解析。電池管理模塊主要包括檢測(cè)過(guò)流和電池電量計(jì)量等功能。

2.1 AISG協(xié)議棧

AISG2.0協(xié)議定義了基站系統(tǒng)與ALD設(shè)備通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖5所示，物理層采用OOK Modem或485方式，均為半雙工通信方式。數(shù)據(jù)鏈路層遵循HDLC協(xié)議，按照HDLC協(xié)議非平衡通信方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了HDLC協(xié)議，并支持XID接口，實(shí)現(xiàn)了掃描、建立鏈接、維護(hù)鏈接和廣播復(fù)位等功能[10]，數(shù)據(jù)的收發(fā)通過(guò)單片機(jī)UART完成。AISG協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀字節(jié)之間的延遲需小于3 Byte傳輸時(shí)間，以115 200波特率為例，字節(jié)之間的時(shí)間間隔需小于260 μs，為了防止因更高優(yōu)先級(jí)中斷而導(dǎo)致字節(jié)之間間隔過(guò)長(zhǎng)，本系統(tǒng)中采用DMA發(fā)送方式，封裝好AISG數(shù)據(jù)幀之后直接啟動(dòng)DMA發(fā)送即可。數(shù)據(jù)接收也由DMA完成，UART收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)由DMA存儲(chǔ)，單片機(jī)定時(shí)查詢(xún)接收數(shù)據(jù)，這樣既保證了不會(huì)丟失接收數(shù)據(jù)也避免了大量數(shù)據(jù)通信過(guò)程中頻繁中斷CPU。應(yīng)用層由兩部分組成:① AISG命令接口，實(shí)現(xiàn)液晶菜單系統(tǒng)的命令與AISG命令與參數(shù)之間的解析；② 抽象AISG命令接口，完成AISG幀中INFO域的封裝和解析[11-12]。本協(xié)議棧的設(shè)計(jì)參考TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)模式，嚴(yán)格執(zhí)行分層設(shè)計(jì)的理念，同時(shí)層間數(shù)據(jù)采用零拷貝技術(shù)，保證了協(xié)議的執(zhí)行效率。

2.2 電池電量計(jì)量

電池電量計(jì)算采用了電流積分的方法，其工作流程如圖6所示，開(kāi)機(jī)后首先調(diào)入之前的電量數(shù)據(jù)，然后判別當(dāng)前的充放電狀態(tài)，如果是工作在充電狀態(tài)則執(zhí)行電池均衡控制，電池充電均衡控制采用了BQ77PL900芯片內(nèi)置的耗能式被動(dòng)均衡功能，首先判別6節(jié)電芯電壓的最低電壓，記住Umin，然后檢測(cè)6個(gè)電芯電壓與Umin之差是否大于某一閾值，以此決定是否開(kāi)啟均衡電阻。本項(xiàng)目中該閾值設(shè)定為0.2 V，經(jīng)過(guò)充放電200個(gè)周期的測(cè)試，證明該方案能夠有效防止長(zhǎng)期使用過(guò)程中因單體電芯電壓過(guò)低而導(dǎo)致整個(gè)電池組容量銳減的情況出現(xiàn)[13-14]。電量計(jì)算通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行積分，計(jì)算電池剩余電量[15]，采樣周期為20 ms。該方法相對(duì)于庫(kù)侖計(jì)方法存在一定的計(jì)量誤差，但是由于每次滿(mǎn)電量狀態(tài)是以電池進(jìn)入涓流充電為依據(jù)[16]，相當(dāng)于每次充滿(mǎn)電后對(duì)電量校準(zhǔn)一次，從長(zhǎng)期使用效果看完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要。如果收到關(guān)機(jī)信號(hào)，則將當(dāng)前電量狀態(tài)寫(xiě)入EEPROM，然后單片機(jī)通過(guò)IO口控制一鍵開(kāi)關(guān)機(jī)電路切斷系統(tǒng)電源。

3 系統(tǒng)測(cè)試

ALD設(shè)備手持控制器的測(cè)試主要包括AISG協(xié)議互操作測(cè)試和耗能操作工作時(shí)間測(cè)試。

3.1 AISG協(xié)議測(cè)試

AISG協(xié)議對(duì)接測(cè)試手持終端與不同廠(chǎng)家的RET、TMA等ALD設(shè)備互操作性能，我們選擇了華裕、京信、通宇、RFS、Argus和凱瑟琳等廠(chǎng)家的RET和TMA產(chǎn)品進(jìn)行互操作測(cè)試，對(duì)RET的測(cè)試項(xiàng)目包括掃描、調(diào)節(jié)下傾角、天線(xiàn)校準(zhǔn)、獲取告警以及下載配置文件等操作，對(duì)TMA的測(cè)試項(xiàng)目包括掃描、設(shè)置塔放工作狀態(tài)、獲取增益、獲取告警等。本次設(shè)計(jì)的手持控制終端可以與所有待測(cè)的ALD設(shè)備進(jìn)行互操作，且操作效率較高。最后進(jìn)行了在不同測(cè)試條件下與其他廠(chǎng)家手持終端做掃描ALD的對(duì)比測(cè)試，掃描時(shí)間如表1所示，本設(shè)計(jì)掃描速度明顯優(yōu)于華裕和Argus的同類(lèi)產(chǎn)品。

表1 ALD設(shè)備掃描時(shí)間測(cè)試 /s

3.2 耗能操作工作時(shí)間測(cè)試

在ALD設(shè)備手持控制終端支持的操作中，有一部分操作需要為RET中的電動(dòng)機(jī)提供電能，這類(lèi)操作被稱(chēng)為耗能操作，例如RET的校準(zhǔn)命令、設(shè)置下傾角命令、自檢命令等，其中由于校準(zhǔn)命令需要走完下傾角整個(gè)量程，因而耗電量最大。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和調(diào)試過(guò)程中，需要大量的耗能操作，所以手持控制終端的高負(fù)荷工作下待機(jī)時(shí)間是衡量其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)，本項(xiàng)目中通過(guò)執(zhí)行校準(zhǔn)命令來(lái)測(cè)試其待機(jī)時(shí)間，選用臺(tái)灣華裕公司和RSF公司的RET作為被測(cè)對(duì)象，在滿(mǎn)電量情況下，對(duì)華裕RET可以執(zhí)行校準(zhǔn)命令約300次，對(duì)RFS公司的RET可執(zhí)行校準(zhǔn)約340次，完全滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和優(yōu)化的日常需求，并且余量很大。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著移動(dòng)終端的日益普及和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化任務(wù)日益繁重，ALD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要設(shè)備，得到了廣泛的應(yīng)用。與普通微波設(shè)備不同，ALD設(shè)備遵循AISG協(xié)議，其安裝調(diào)試以及日常維護(hù)都需要支持AISG協(xié)議的通信主機(jī)才能完成。針對(duì)這一需求，研發(fā)了基于AISG2.0協(xié)議的ALD設(shè)備手持終端，設(shè)計(jì)了包括通信模塊、供電系統(tǒng)和人機(jī)接口的硬件電路，完成了AISG協(xié)議棧、人機(jī)界面和電源管理等軟件模塊。通過(guò)與不同廠(chǎng)家ALD設(shè)備的互操作測(cè)試以及與同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比測(cè)試，本手持終端具有操作效率高、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)，且耗能操作待機(jī)時(shí)間也優(yōu)于同類(lèi)被測(cè)產(chǎn)品。

[1] 吳 松, 葛海平, 繆金迪. 遙控電調(diào)傾角天線(xiàn)及其在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 電信科學(xué), 2007，23(4):91-94.

[2] Antenna Inter face Standards Group Standard No. AISG V2.0, Control Interface for Antenna Line Devices [S].

[3] 李文生，羅仁澤, 呂 燚, 等. 電調(diào)天線(xiàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電訊技術(shù)，2011，51(1):68-73.

[4] 呂 燚, 李文生, 鄧春健,等. 塔頂放大器中嵌入式控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J], 電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(4):70-73.

[5] 3GPP TS 25.460 V6.2.0, UTRAN Iuant interface: General aspects and principles [S] .

[6] 3GPP TS 25. 461 V6.5.0, UTR AN Iuant Inter face: Layer 1[S].

[7] 3GPP TS 25. 462 V6.3.0, UTRAN Iuant Inter face: Signalling transport[ S ] .

[8] 徐朝勝, 閆改珍, 李 進(jìn), 等. 具有均衡控制功能的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù)，2013，37(6):959-962.

[9] 李素英,竇真蘭. 智能鎳氫電池充電電路設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(7):88-92.

[10] 3GPP TS 25. 463 V6.4.0, UTRAN Iuant Interface: Remote Electrical Tilting (RET) antennas Application Par t( RETAP) Signalling[ S] .

[11] 3GPP TS 25. 466 V7.1.0, UTRAN Iuant Inter face: Application Part [S] .

[12] 李文生，鄧春健，呂 燚，等. 自適應(yīng)二叉樹(shù)電調(diào)天線(xiàn)自適應(yīng)掃描算法研究[J]. 電信科學(xué)，2011，27(5):48-53.

[13] 魏克新,陳峭巖. 基于自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波算法的鋰離子動(dòng)力電池狀態(tài)估計(jì)[J]. 中國(guó)電動(dòng)機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(3):445-452.

[14] 李司光，張承寧. 鋰離子電池荷電狀態(tài)預(yù)測(cè)方法研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012, 32(2):125-129.

[15] 劉和平，許巧巧，胡銀全，等. 自適應(yīng)卡爾曼濾波法磷酸鐵鋰動(dòng)力電池剩余容量估計(jì)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2014, 37(1):68-74.

[16] 么居標(biāo)，呂江毅，任小龍. 基于無(wú)跡卡爾曼濾波的動(dòng)力電池荷電狀態(tài)估計(jì)[J].電源技術(shù),2014, 38(9):1629-1630.

·名人名言·

生活就象海洋一樣，只有意志堅(jiān)強(qiáng)的人，才能到達(dá)彼岸。

——馬克思

Design of Portable Antenna Device Control Equipment

LüYi,DENGChunjian，ZOUKun

(Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, Guangdong, China)

With the rapid popularization of mobile phone and the development of wireless communication technology, the optimization task of wireless network becomes increasing heavy. Antenna line devices (ALDs) which conform to AISG2.0 protocol are widely used. To satisfy the installment and maintenance of vast ALDs, portable ALD control equipment was designed. The application background was analyzed first, and then system hardware scheme was discussed in the following aspects: battery management, communication interface and over current protection. The software implement method of AISG protocol stack and battery manage system were investigated in details. At last, protocol interoperation test and energy consumption measurement were conducted. Test and application results show that the proposed design preliminarily meets the electronic and protocol integrity requirement of AISG2.0, and show good performance in operation efficiency and its outstanding duration time under energy consumption operation.

antenna line device(ALD); AISG protocol; battery manage system; handheld terminal

2016-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金 (61502088)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃(Yq2013206)；中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A2FC378)

呂 燚(1981-)，男，山西大同人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)、嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)；可靠性建模，維修策略研究。

Tel.：13726010278； E-mail： lvyi913001@163.com

TP 393.04

A

1006-7167(2017)04-0119-04