天線設備手持控制終端的設計與實現

呂 燚， 鄧春健， 鄒 昆

(電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402)

天線設備手持控制終端的設計與實現

呂 燚， 鄧春健， 鄒 昆

(電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402)

隨著移動終端的迅速普及和移動通信技術的發展，網絡優化任務日益繁重，遵循AISG2.0協議的天線線上設備(Antenna Line Device，ALD)得到了廣泛的應用。為滿足大量ALD安裝調試以及維護的需求，設計并實現了符合AISG2.0協議規范的手持控制終端。分析了ALD設備手持控制終端的特點和應用背景，從AISG通信、電池管理和過流保護等方面詳細介紹了系統硬件，并討論了AISG協議棧和電池管理等模塊的軟件實現方法，最后完成了與不同廠家ALD設備的協議對接測試和耗能操作下的待機測試。測試和實際應用證明，本設計硬件上符合AISG2.0規范，協議實現完整，操作效率高，且具有耗能操作待機時間長的優點。

天線線上設備； AISG協議； 電池管理； 手持終端

0 引 言

隨著移動通信行業高速發展，用戶量的爆發式增長對網絡覆蓋優化提出了更高的要求，用于網絡優化的設備應用日益廣泛，為了實現不同廠家設備與基站系統之間的互操作性，主流天線設備與基站系統廠家聯合成立了AISG(Antenna Interface Standard Group)組織，并制定了AISG協議[1-3]。ALD是指AISG協議中規定的用于網絡優化的天線相關設備，目前主要包括電調天線(RET)、塔頂放大器(TMA)兩大類設備[4]，其中RET包括可以調節下傾角和方位角兩種，塔頂放大器包括固定增益式、可調增益式以及帶駐波檢測放大器等幾種類型。

在ALD設備的安裝調試、故障排查和網絡測試過程中，需要借助PC機以及AISG通信網關來執行相關功能，操作繁瑣，對施工人員要求較高，而且PC機不適合施工現場的工作環境，需要交流供電，安裝調試效率較低。目前RFS、Argus等廠家已經相繼研發出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。本文從實際需求出發，研發了支持OOK通信方式并帶有大容量電池的手持式ALD設備控制終端，完整實現了AISG2.0協議棧。不需要現場供電，簡化了操作流程，顯著提高了網絡調試、優化工作的復雜度大為降低，效率更高。

1 硬件設計

1.1 系統總體方案

該系統選用Cortex-M3內核的STM32F103C8T6作為控制核心，硬件上包括AISG通信、鋰電池管理、人機界面等(見圖1)。其中AISG通信模塊保留了OOK通信和485通信兩種方式；鋰電池管理實現了電池充放電保護、充電均衡和短路保護等功能；過流保護實現了當被控ALD設備發生過流故障是自動切斷其供電的保護功能；人機界面包括3×4矩陣式按鍵和液晶顯示模塊。

1.2 通信模塊

圖1 ALD設備手持終端系統結構圖

頻率為2.176 MHz的OOK通信兩種方式[5-7]，本系統中同時設計了兩種接口，單片機的串口輸出接SN65HVD3082電平轉換芯片，得到485信號。同時串口和通信方向控制信號與OOK調制解調模塊相連，OOK調制解調電路如圖2所示，采用了Maxim公司的集成OOK modem芯片MAX9947，接8.704 MHz無源晶振，內部4分頻得到載波信號。圖中BIAS端輸出1.5 V參考信號，R153和R151分壓后接RES端，其電壓決定了OOK信號輸出功率。MAX9947支持AISG協議要求的3種通信波特率，通過配置DIRMD1和DIRMD2來優化不同波特率下的解調延遲，本系統采用的波特率為115.2 Kb/s。圖中C19、C25和L7構成了OOK信號的低通濾波器，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。

圖2 OOK調制解調電路

1.3 電池管理模塊

ALD設備中的RET依靠電動機調節天線下傾角和方位角，功耗較大，本系統中配備了6節容量為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、過熱保護、充電均衡以及工作電流檢測。充放電保護以及過熱保護主要實現電池在過充、過放、短路和過熱等極端情況下切斷輸出，保護電芯并防止意外發生。串連的鋰電池組由于自身特性的差異，經過多次充放周期后出現的不均衡現象將嚴重影響電池容量[8-9]，本系統中采用了BQ77PL900自帶的耗能式被動均衡功能，均衡效率不高，但是具有安全、簡單等優點。圖3中的R1～R6為均衡電阻，充電過程中當某節電芯電壓較高，并超過一定閾值后，便開啟相應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時計算。

1.4 過流保護電路

電池管理系統中已經集成了電池放電短路保護，可以有效防止由于ALD設備短路造成的手持終端損壞，但實際應用中發現當ALD設備短路時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，并嚴重影響施工進度。而BMS中集成的電流采集功能需要軟件判別，速度慢，發生短路時無法及時切斷對外供電，因此本系統設計了硬件自動過流保護功能，電路如圖4所示。過流門限約為2A，P1端與單片機外部中斷相連，當ALD設備電流超過限值時，T1導通，反相器輸出低電平，自動切斷對ALD設備的供電。為了避免過流誤觸發，本電路具備自動重試功能，切斷供電后過流現象消失，經過一定的遲滯時間后會重新開啟供電。如果ALD設備短路持續存在，單片機通過P1的下降沿可以識別，此時可通過P2輸出高電平，徹底切斷供電輸出。

2 軟件設計

ALD設備手持終端軟件主要包括3大功能模塊，分別是AISG協議棧、人機交互模塊和電池管理模塊。其中人機交互模塊在驅動層包括液晶顯示和按鍵掃描兩部分，應用層主要基于鏈表的LCD菜單顯示系統，通過按鍵事件觸發菜單的切換，實現在小型LCD上顯示多級信息的功能。AISG協議棧主要功能包括實現ALD設備的AISG通信和相關操作命令解析。電池管理模塊主要包括檢測過流和電池電量計量等功能。

2.1 AISG協議棧

AISG2.0協議定義了基站系統與ALD設備通信的物理層、數據鏈路層和應用層。其協議結構如圖5所示，物理層采用OOK Modem或485方式，均為半雙工通信方式。數據鏈路層遵循HDLC協議，按照HDLC協議非平衡通信方式設計，實現了HDLC協議，并支持XID接口，實現了掃描、建立鏈接、維護鏈接和廣播復位等功能[10]，數據的收發通過單片機UART完成。AISG協議規定數據幀字節之間的延遲需小于3 Byte傳輸時間，以115 200波特率為例，字節之間的時間間隔需小于260 μs，為了防止因更高優先級中斷而導致字節之間間隔過長，本系統中采用DMA發送方式，封裝好AISG數據幀之后直接啟動DMA發送即可。數據接收也由DMA完成，UART收到數據后自動由DMA存儲，單片機定時查詢接收數據，這樣既保證了不會丟失接收數據也避免了大量數據通信過程中頻繁中斷CPU。應用層由兩部分組成:① AISG命令接口，實現液晶菜單系統的命令與AISG命令與參數之間的解析；② 抽象AISG命令接口，完成AISG幀中INFO域的封裝和解析[11-12]。本協議棧的設計參考TCP/IP協議設計模式，嚴格執行分層設計的理念，同時層間數據采用零拷貝技術，保證了協議的執行效率。

2.2 電池電量計量

電池電量計算采用了電流積分的方法，其工作流程如圖6所示，開機后首先調入之前的電量數據，然后判別當前的充放電狀態，如果是工作在充電狀態則執行電池均衡控制，電池充電均衡控制采用了BQ77PL900芯片內置的耗能式被動均衡功能，首先判別6節電芯電壓的最低電壓，記住Umin，然后檢測6個電芯電壓與Umin之差是否大于某一閾值，以此決定是否開啟均衡電阻。本項目中該閾值設定為0.2 V，經過充放電200個周期的測試，證明該方案能夠有效防止長期使用過程中因單體電芯電壓過低而導致整個電池組容量銳減的情況出現[13-14]。電量計算通過對電流進行積分，計算電池剩余電量[15]，采樣周期為20 ms。該方法相對于庫侖計方法存在一定的計量誤差，但是由于每次滿電量狀態是以電池進入涓流充電為依據[16]，相當于每次充滿電后對電量校準一次，從長期使用效果看完全滿足實際應用需要。如果收到關機信號，則將當前電量狀態寫入EEPROM，然后單片機通過IO口控制一鍵開關機電路切斷系統電源。

3 系統測試

ALD設備手持控制器的測試主要包括AISG協議互操作測試和耗能操作工作時間測試。

3.1 AISG協議測試

AISG協議對接測試手持終端與不同廠家的RET、TMA等ALD設備互操作性能，我們選擇了華裕、京信、通宇、RFS、Argus和凱瑟琳等廠家的RET和TMA產品進行互操作測試，對RET的測試項目包括掃描、調節下傾角、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、設置塔放工作狀態、獲取增益、獲取告警等。本次設計的手持控制終端可以與所有待測的ALD設備進行互操作，且操作效率較高。最后進行了在不同測試條件下與其他廠家手持終端做掃描ALD的對比測試，掃描時間如表1所示，本設計掃描速度明顯優于華裕和Argus的同類產品。

表1 ALD設備掃描時間測試 /s

3.2 耗能操作工作時間測試

在ALD設備手持控制終端支持的操作中，有一部分操作需要為RET中的電動機提供電能，這類操作被稱為耗能操作，例如RET的校準命令、設置下傾角命令、自檢命令等，其中由于校準命令需要走完下傾角整個量程，因而耗電量最大。在實際網絡優化和調試過程中，需要大量的耗能操作，所以手持控制終端的高負荷工作下待機時間是衡量其實際應用價值的重要指標，本項目中通過執行校準命令來測試其待機時間，選用臺灣華裕公司和RSF公司的RET作為被測對象，在滿電量情況下，對華裕RET可以執行校準命令約300次，對RFS公司的RET可執行校準約340次，完全滿足網絡維護和優化的日常需求，并且余量很大。

4 結 語

隨著移動終端的日益普及和移動網絡技術的發展，移動通信網絡優化任務日益繁重，ALD設備作為網絡優化的重要設備，得到了廣泛的應用。與普通微波設備不同，ALD設備遵循AISG協議，其安裝調試以及日常維護都需要支持AISG協議的通信主機才能完成。針對這一需求，研發了基于AISG2.0協議的ALD設備手持終端，設計了包括通信模塊、供電系統和人機接口的硬件電路，完成了AISG協議棧、人機界面和電源管理等軟件模塊。通過與不同廠家ALD設備的互操作測試以及與同類產品的對比測試，本手持終端具有操作效率高、掃描速度快等優點，且耗能操作待機時間也優于同類被測產品。

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·名人名言·

生活就象海洋一樣，只有意志堅強的人，才能到達彼岸。

——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

國家自然科學基金 (61502088)；廣東省高等學校優秀青年教師培養計劃(Yq2013206)；中山市科技計劃項目(2014A2FC378)

呂 燚(1981-)，男，山西大同人，碩士，副教授，主要研究方向為智能控制技術、嵌入式系統與物聯網；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