基于AISG協(xié)議的便攜式ALD控制器設(shè)計*

呂 燚，鄒 昆，李文生

(電子科技大學中山學院 計算機學院，廣東 中山 528402)

基于AISG協(xié)議的便攜式ALD控制器設(shè)計*

呂 燚，鄒 昆，李文生

(電子科技大學中山學院 計算機學院，廣東 中山 528402)

針對天線線上設(shè)備(ALD)安裝調(diào)試工具普遍存在效率低下、操作繁瑣的問題，提出了一種符合AISG協(xié)議要求的便攜式ALD手持控制器設(shè)計方案.該方案采用基于對數(shù)放大器的檢波方法實現(xiàn)了接收靈敏度可調(diào)節(jié)的OOK通信電路，分析了AISG協(xié)議的設(shè)備掃描方式，設(shè)計了一種區(qū)分ALD設(shè)備類型的四叉樹掃描算法，實現(xiàn)了對AISG總線上不同類型ALD設(shè)備的快速識別.結(jié)果表明，本設(shè)計方案符合AISG協(xié)議規(guī)范要求，控制功能完善，具有協(xié)議兼容性好和掃描速度快的優(yōu)點.

天線接口標準組協(xié)議；開關(guān)鍵控；天線線上設(shè)備；電池管理系統(tǒng)；遠程電調(diào)天線；塔頂放大器；過流保護；四叉掃描樹

伴隨著個人移動通訊行業(yè)的蓬勃發(fā)展，用戶量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，在不增加基站數(shù)量的情況下，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋來提高服務(wù)質(zhì)量成為網(wǎng)絡(luò)運營商提高經(jīng)濟效益的主要途徑，用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋的天線相關(guān)設(shè)備應用日益廣泛.世界知名天線廠家和基站系統(tǒng)廠商為了統(tǒng)一不同網(wǎng)優(yōu)設(shè)備與基站的通訊接口，聯(lián)合制定了AISG(antenna interface standard group)協(xié)議[1-2].天線線上設(shè)備(antenna line device，ALD)指AISG協(xié)議中規(guī)定的用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的天線相關(guān)設(shè)備，目前主要包括遠程電調(diào)天線和塔頂放大器兩大類設(shè)備，其中電調(diào)天線包括可調(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放大器等幾種類型[3-4].

在ALD安裝調(diào)試和故障排查過程中，通常需要依賴PC和AISG通信網(wǎng)關(guān)來實施，操作繁瑣，安裝調(diào)試效率低，且對施工人員要求也較高.因此，目前國外天線廠家(如RFS、Argus等)已經(jīng)相繼研發(fā)出了支持本品牌ALD的手持控制器，但測試結(jié)果表明其協(xié)議兼容性欠佳，在與其他廠家ALD的協(xié)議互操作性測試(IOT，interoperate test)中均存在掃描時間過長，控制功能不完善的缺陷；同時都未能支持OOK通信方式，且電池容量較小，耗能操作待機時間較短.本文基于此市場需求，研發(fā)了支持OOK通信方式的便攜式ALD控制器，設(shè)計并實現(xiàn)了AISG協(xié)議棧和高效掃描算法.實際測試及應用表明，該設(shè)計方案協(xié)議兼容性好，控制功能完善，掃描算法適應性強，能夠大大提高ALD安裝調(diào)試的工作效率.

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為控制核心，硬件主要包括AISG通信模塊、鋰電池管理、人機接口和過流保護等部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.其中通訊模塊采用了OOK方式的載波通訊方式，同時保留ASIG通信接口；電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)實現(xiàn)了鋰電池充放電保護、充電均衡等功能；人機接口包括矩陣式按鍵和液晶顯示模塊；過流保護功能保證了當AISG總線發(fā)生短路時手持控制器仍能正常工作；存儲模塊采用SD卡實現(xiàn)天線配置文件和固件的存儲.

圖1 ALD手持控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of portable ALD control equipment

1.2 通信模塊

AISG協(xié)議物理層支持485通信和OOK載波兩種通信方式[5].早期的ALD設(shè)備以485方式為主，基站和ALD之間用獨立的AISG線纜相連.但是，由于市場競爭和成本等原因，目前越來越多的ALD采用OOK通信方式，使AISG電源、通信信號和基站射頻信號共用射頻饋線[6]，從而顯著降低了安裝復雜度和系統(tǒng)硬件成本.本設(shè)計中保留了兩種接口電路，其中OOK調(diào)制解調(diào)電路如圖2所示.

圖2 OOK調(diào)制解調(diào)電路Fig.2 OOK modulation-demodulation circuit

圖2中RX和TX分別與單片機UART模塊的RXD和TXD相連，OOK端口為載波信號.STM32單片機的TX引腳工作在開漏模式，通過上拉電阻R1實現(xiàn)高電平輸出.U17為源晶振，調(diào)制模塊采用了射頻開關(guān)HMC349，數(shù)據(jù)發(fā)送期間，當TX為低電平時，OOK輸出2.176 MHz的載波信號，為高電平時，無載波信號輸出.信號解調(diào)采用了對數(shù)放大器AD8310，其VOUT引腳的電平狀態(tài)直接反映了OOK信號線上否有載波信號，通過開漏輸出比較器U4A與閥值檢測電壓比較檢出接收信號，最后通過施密特反相器74HC14得到接收信號RX.為了防止TX端發(fā)送的信號繞回到接收端RX，設(shè)計了由D3、D4、R13、R14和C7組成的非平衡充放電電路，當TX為低電平時，C7放電電阻小，放電速度快；TX為高電平時，C7的充電速度則要慢得多，從而在TX發(fā)送信號期間，比較器U4B的同相端電壓低于反相端，拉低其輸出信號，保證了在TX發(fā)送信號過程中RX始終為空閑狀態(tài)高電平.

1.3 過流保護電路

本系統(tǒng)BMS中已經(jīng)集成了電池放電短路保護，可以有效防止由于ALD設(shè)備短路造成的手持器電池損壞.但在實際應用中，當ALD設(shè)備短路時，BMS將切斷電池輸出，使整個手持終端也失去電源，無法正常工作，施工人員通常會誤認為手持控制器損壞，無法排查ALD故障，嚴重影響施工進度.BMS中集成的電流采集功能則需要軟件判別，速度慢，發(fā)生短路時無法及時切斷對外供電[7]，因此，本系統(tǒng)設(shè)計了硬件自動過流保護電路，電路示意圖如圖3所示.

圖3 過流保護電路Fig.3 Over current protection circuit

本設(shè)計采用LTC6101作為高邊電流檢測放大器，當輸出電流超過2 A時，V1高于反相器門限電壓，OCI為低電平，Q2關(guān)斷，自動切斷對ALD設(shè)備的供電.為了避免過流誤觸發(fā)，本電路具備自動重試功能，切斷供電后過流現(xiàn)象消失，經(jīng)過一定的遲滯時間后會重新開啟供電.如果ALD設(shè)備短路持續(xù)存在，OCI口將出現(xiàn)周期性脈沖信號，單片機據(jù)此便可判別是否發(fā)生了輸出短路故障，并通過ST端口輸出高電平，徹底切斷供電輸出，并在液晶上給出ALD短路提示信息.

2 軟件設(shè)計

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、設(shè)備掃描算法和人機交互模塊.AISG協(xié)議棧為軟件部分的基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)手持控制器與ALD設(shè)備的AISG通信和相關(guān)操作命令解析；設(shè)備掃描算法主要完成對AISG總線上ALD的自動識別，其掃描速度將直接影響系統(tǒng)工作的效率.人機交互模塊在驅(qū)動層包括液晶顯示和按鍵掃描兩部分，應用層采用基于鏈表的LCD菜單顯示系統(tǒng)，通過按鍵事件觸發(fā)菜單的切換，實現(xiàn)了在小型LCD上顯示多級信息的功能.

2.1 AISG協(xié)議棧

AISG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)鏈路層和應用層，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4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，采用非平衡通信方式，并支持XID接口，實現(xiàn)了掃描、建立鏈接、維護鏈接和廣播復位等功能[8]，數(shù)據(jù)的收發(fā)通過單片機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 bit傳輸時間，以115 200 bit/s為例，字節(jié)之間的時間間隔需小于260 μs.為了防止因更高優(yōu)先級中斷而導致字節(jié)之間間隔過長，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)后自動由DMA存儲，單片機定時查詢接收數(shù)據(jù)，這樣既保證了不會丟失接收數(shù)據(jù)也避免了大量數(shù)據(jù)通信過程中頻繁中斷CPU.應用層主要由兩部分組成，一部分是AISG命令接口，實現(xiàn)液晶菜單系統(tǒng)的命令與AISG命令參數(shù)之間的解析；另一部分為抽象AISG命令接口，完成AISG幀中INFO域的封裝和解析.本協(xié)議棧的設(shè)計參考TCP/IP協(xié)議的設(shè)計模式，嚴格執(zhí)行分層設(shè)計的理念[9]，同時層間數(shù)據(jù)采用零拷貝技術(shù)，保證了協(xié)議的執(zhí)行效率.

圖4 AISG協(xié)議棧設(shè)計模型Fig.4 Design model for AISG protocol stack

2.2 掃描算法設(shè)計

AISG協(xié)議采用了HDLC的非平衡通信模型，通訊主體有主站和從站之分，ALD屬于從站，主站則為基站、ALD控制器等設(shè)備.掃描過程是主站自動識別從站數(shù)量、類型的過程，掃描算法直接決定了ALD操作的效率，是主站設(shè)備的核心算法.AISG協(xié)議嚴格規(guī)定了掃描命令的掩碼匹配算法和主從設(shè)備之間的命令響應機制，但是對掃描算法的具體實現(xiàn)并沒有明確規(guī)定.相關(guān)廠家提出了多種實現(xiàn)方式，主要分為兩類：基于ASCII碼的序列號匹配算法及基于二叉樹的掩碼推進算法[8，10].實際測試表明，以上兩類算法針對序列號特定編碼方式的前提下能夠取得比較理想的效果，但是不同廠家的ALD掃描效率較低，甚至會發(fā)生“漏掃”的情況.本文提出了一種區(qū)分ALD類型的四叉樹掃描算法，算法具體描述如下：

1) 通過發(fā)送帶有4號字段的XID命令識別線上設(shè)備類型，并記錄設(shè)備類型.

2) 初始化掃描隊列為空，設(shè)置掩碼推進位數(shù)m為2(四叉樹)，設(shè)備類型碼d為1.

3) 根據(jù)m和d的值設(shè)置首層節(jié)點并加入到隊列中.

4) 如果隊列為非空，取出隊頭元素，根據(jù)掩碼字符串和匹配碼字符串生成XID掃描幀，并廣播發(fā)送.

5) 發(fā)送XID掃描幀后，主站根據(jù)從站的響應情況做進一步處理：

① 可讀回應.收到一個正確的回應幀，表明該節(jié)點已無未識別的ALD，將存儲回應幀中的設(shè)備Unique ID，并執(zhí)行賦地址命令.

② 沖突回應.收到CRC錯誤或無CRC字段的回應幀，說明該節(jié)點后有多個未被識別的ALD，對掩碼字符串向左推進m位，得到2m個匹配碼，生成2m個節(jié)點，入隊，并跳轉(zhuǎn)到步驟3).

③ 空閑回應.在規(guī)定時間間隔內(nèi)未收到任何回應幀，說明該節(jié)點無未識別的ALD，該節(jié)點無需繼續(xù)掃描.

6) 如果設(shè)備類型碼d為1，則設(shè)置d為2，并跳轉(zhuǎn)到步驟2).

7) 如果隊列為空，則結(jié)束掃描過程；否則跳轉(zhuǎn)到步驟3).

該掃描算法最大的特點是首先區(qū)分ALD設(shè)備類型，然后針對同一類設(shè)備采用四叉樹掩碼推進掃描方法，相較于基于ASCII碼的匹配方式，減少了空閑回應，相較于二叉樹匹配算法，降低了沖突回應的機率，從而提高了掃描效率.

3 系統(tǒng)測試

ALD手持控制器的測試主要包括硬件電氣性能測試和AISG協(xié)議互操作測試.電氣性能主要包括了OOK通信測試和能耗操作工作時間測試，OOK模塊實測解調(diào)靈敏度為-15 dBm，調(diào)制發(fā)射功率最大為12 dBm，滿足AISG規(guī)范要求，調(diào)制波形如圖5所示.圖5中上方的波形為單片機輸出的TX信號，下方的波形為OOK調(diào)制信號.

圖5 OOK調(diào)制波形Fig.5 OOK modulation waveform

在AISG協(xié)議互操作測試中，選擇了華裕、京信、通宇、RFS、Argus和凱瑟琳等廠家的RET和TMA產(chǎn)品進行互操作測試，圖6為手持控制器與6個不同廠家RET混合掃描測試情況.

對RET控制功能的測試主要包括掃描、調(diào)節(jié)下傾角、天線校準、獲取告警以及下載配置文件等操作；對TMA的測試項目包括掃描、設(shè)置塔放工作狀態(tài)、獲取增益及獲取告警等.本文設(shè)計的手持控制器完成了與所有被測ALD設(shè)備的互操作功能測試，結(jié)果表明，該便攜式控制器操作簡便、控制功能完善，且協(xié)議兼容性好.最后進行了不同條件下與其他廠家手持控制器設(shè)備掃描的對比測試，選取了實際應用中常見的4種應用場景：3個RET、6個RET、9個RET以及6個RET和6個TMA共存的情況，掃描時間測試結(jié)果如圖7所示.在這4種情況下，本設(shè)計的掃描速度優(yōu)于華裕和Argus的同類產(chǎn)品，特別當總線上同時存在來自不同廠家的不同類型ALD時，掃描速度優(yōu)勢更為明顯.

圖6 不同RET情況下的混合掃描測試Fig.6 Hybrid scanning test under different RET situations

圖7 掃描時間對比測試結(jié)果Fig.7 Results of comparison test in scanning time

4 結(jié) 論

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，終端用戶量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，網(wǎng)優(yōu)任務(wù)日益繁重.ALD設(shè)備作為增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋的有效工具，得到了廣范的應用.ALD設(shè)備的安裝調(diào)試與傳統(tǒng)微波設(shè)備不同，需要手持控制器的配合才能提高工作效率和質(zhì)量.針對這一需求，本文研發(fā)了基于AISG協(xié)議的便攜式ALD手持器，設(shè)計了包括OOK通信模塊、硬件短路保護、電池管理系統(tǒng)和人機接口的硬件電路，完成了AISG協(xié)議棧、ALD設(shè)備掃描算法、人機界面等軟件模塊.與不同廠家ALD設(shè)備的互操作測試以及與同類產(chǎn)品的對比測試結(jié)果表明，本設(shè)計協(xié)議實現(xiàn)完整，控制、保護功能完善，且具有協(xié)議兼容性好、掃描速度快的優(yōu)點.

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DesignofportableALDcontrolequipmentbasedonAISGprotocol

Lü Yi, ZOU Kun, LI Wen-sheng

(School of Computer Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institute, Zhongshan 528402, China)

Aiming at the low efficiency and complicated operation problems commonly existing in the current installation and debugging tools of antenna line device (ALD), a portable ALD control equipment design scheme conforming to AISG protocol was proposed.A demodulation method based on the logarithmic amplifier was employed to realize the OOK communication circuit with adjustable receiving sensitivity.The device scanning method of AISG protocol was analyzed, and a quaternary tree scanning algorithm for distinguishing the ALD device type was designed, which could realize the rapid identification of ALD devices with different types on the AISG bus.The results show that the proposed design scheme accords with the specification requirement of AISG protocol, exhibits the impeccable control function, and also has the advantages of good protocol compatibility and high device scanning speed.

antenna interface standard group protocol; on-off keying; antenna line device; battery management system; remote electronic tilting antenna; tower mounted amplifier; over current protection; quaternary scanning tree

2016-09-10.

國家自然科學基金資助項目(61502088)；廣東省科技計劃資助項目(2017A010101004)；中山市科技計劃資助項目(2017B1136).

呂 燚(1981-)，男，山西大同人，副教授，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)、可靠性建模和維修決策等方面的研究.

* 本文已于2017-10-25 21∶12在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20171025.2112.032.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2018.01.18

TP 393.04

A

1000-1646(2018)01-0099-05

景 勇 英文審校：尹淑英)