王應(yīng)德,黎福海,席永明,3

(1.長(zhǎng)沙大學(xué)電子與通信工程系,湖南長(zhǎng)沙 410003;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410018;3.江西省公安廳交通警察總隊(duì),江西南昌 330006)

移動(dòng)基站電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

王應(yīng)德1,2,黎福海2,席永明2,3

(1.長(zhǎng)沙大學(xué)電子與通信工程系,湖南長(zhǎng)沙 410003;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410018;3.江西省公安廳交通警察總隊(duì),江西南昌 330006)

本文給出了一個(gè)移動(dòng)通信基站電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.方案包括以 AD I公司高性能處理器 Blackfin531為核心、以專用的電能計(jì)量芯片 ADE7754進(jìn)行電能計(jì)量和供電狀況監(jiān)測(cè)的前置終端設(shè)計(jì),服務(wù)器端和前置終端單元之間采用主從控制方式的通信協(xié)議設(shè)計(jì),以及提高電源管理系統(tǒng)抗干擾能力的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì).最后,對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)基站電源管理系統(tǒng)的未來(lái)進(jìn)行了展望.

基站;公共傳輸網(wǎng)絡(luò);ADE7754;Blackfin531;通信協(xié)議

隨著移動(dòng)通信迅速發(fā)展及通信覆蓋面的日益擴(kuò)大和普及,移動(dòng)通信基站遍布全國(guó)各地.移動(dòng)通信基站所處的大多數(shù)地區(qū),電力網(wǎng)情況并不穩(wěn)定,機(jī)房環(huán)境也比較惡劣,但在一般情況下,機(jī)房基本上都是無(wú)人值守的,所以對(duì)基站電源及運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行遙測(cè)、遙信和遙控,是降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,提高通信質(zhì)量及系統(tǒng)的管理水平,從而大幅度提高整體運(yùn)行效率的迫切要求.基站電源管理系統(tǒng)在使用過(guò)程中將遇到的問(wèn)題主要有:第一、系統(tǒng)通信可靠性問(wèn)題.無(wú)線通信模塊工作于高頻,及容易干擾其他電路,也容易受其他電路的影響[1];第二、系統(tǒng)可維護(hù)性問(wèn)題.管理系統(tǒng)必須是一個(gè)“可持續(xù)發(fā)展”的系統(tǒng),要能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)充和升級(jí).因此,為了建立一個(gè)既穩(wěn)定可靠又能滿足今后維護(hù)和升級(jí)的基站電源精細(xì)化管理系統(tǒng),需要考慮以上問(wèn)題.

1 供電電源管理系統(tǒng)組成模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為前置終端和服務(wù)器端,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.前置終端安裝于基站內(nèi)部,完成對(duì)基站用電量數(shù)據(jù)的采集、累積、保存、發(fā)送功能,同時(shí)記錄基站電源供電情況、實(shí)現(xiàn)用電異常自動(dòng)報(bào)警和基站內(nèi)空調(diào)的開(kāi)?？刂频萚2],服務(wù)器完成對(duì)上述數(shù)據(jù)的接收、統(tǒng)計(jì)、存檔、查詢功能.

1.1 系統(tǒng)前置終端功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前置終端的功能設(shè)計(jì)如圖 2所示.終端MCU采集基站蓄電池、發(fā)電機(jī)電壓和三相市電動(dòng)力信號(hào),同時(shí)采集溫度和空調(diào)參數(shù)等環(huán)境信號(hào),MCU控制器通過(guò)公共傳輸網(wǎng)絡(luò) (有線或無(wú)線)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到管理服務(wù)器,終端還包括電源模塊、顯示及按鍵、外置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和MCU最小系統(tǒng)模塊.

系統(tǒng)前置終端作為系統(tǒng)信號(hào)采集和控制執(zhí)行單元,主要功能有:

基站用電量數(shù)據(jù)采集,有功電能計(jì)量精度 0.5級(jí),可在終端查詢有功總電量、無(wú)功總電量,所查詢?nèi)盏漠?dāng)日有功電量、無(wú)功電量,所查詢?cè)碌漠?dāng)月有功電量、無(wú)功電量,并可在服務(wù)器實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的查詢.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)正常工作時(shí),可通過(guò)對(duì)供電線路上的電壓、電流等參數(shù)的檢測(cè),實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況,電壓電流傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)電能計(jì)量模塊傳送到控制器.如果出現(xiàn)開(kāi)路、短路等故障時(shí),立即告警并切斷輸出,判斷故障何時(shí)消失,若故障消失則重新啟動(dòng)后備電源,否則將一直監(jiān)測(cè)線路情況,直到故障消失為止.系統(tǒng)監(jiān)控基站電源供電狀況,包括異常情況記錄功能、告警功能、顯示功能[3].

異常情況記錄功能:三相電流上電、停電時(shí)刻記錄,斷相開(kāi)始、恢復(fù)時(shí)刻記錄,過(guò)壓開(kāi)始、恢復(fù)時(shí)刻記錄,電流異常開(kāi)始、恢復(fù)時(shí)刻記錄;發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、停止時(shí)刻記錄;蓄電池欠壓開(kāi)始、恢復(fù)時(shí)刻記錄.上述異常情況記錄均可在終端本地查詢顯示,也可以通過(guò)服務(wù)器查詢顯示.

告警功能:上述異常情況一旦發(fā)生,則系統(tǒng)終端將此異常信息發(fā)送至管理服務(wù)器,管理服務(wù)器可進(jìn)行相應(yīng)的處理操作.

顯示功能:實(shí)時(shí)顯示有功總電量、各分相有功總電量、三相線電壓、線電流、蓄電池電壓、終端運(yùn)行狀態(tài)等信息.

系統(tǒng)終端采用公共傳輸網(wǎng)絡(luò) (有線或無(wú)線)進(jìn)行通訊,正常情況下終端與管理服務(wù)器端通過(guò)公共傳輸網(wǎng)絡(luò) (有線或無(wú)線)進(jìn)行通信.

圖2 系統(tǒng)前置終端的功能設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)預(yù)留了短信 (S MS)通道作為系統(tǒng)的備份通信手段,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)短信通道完成與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信[4].

當(dāng)外界因素影響,傳輸信道或傳輸系統(tǒng)不能正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí),終端可以獨(dú)立處理信息并存于本地,待信道正常后再傳輸,克服無(wú)線終端易受環(huán)境因素影響未能正常數(shù)據(jù)傳輸工作的缺點(diǎn).

帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可由管理服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)定,終端通過(guò)與服務(wù)器進(jìn)行對(duì)操作.

帶有環(huán)境溫度采集功能,溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)器,為監(jiān)控人員了解基站內(nèi)溫度情況并控制空調(diào)溫度提供參考.

帶有空調(diào)遠(yuǎn)程控制功能,可在服務(wù)器遠(yuǎn)程控制空調(diào)溫度.

電源模塊:終端裝置供電可由三相電 /基站 48V電源 /自帶電池供電,并能根據(jù)供電情況進(jìn)行自動(dòng)切換,保證終端可靠運(yùn)行.

狀態(tài)顯示:系統(tǒng)可通過(guò)顯示與控制接口實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),查詢基站局站號(hào)、供電線對(duì)數(shù)、總電壓、總電流、各單線電流值以及系統(tǒng)相關(guān)時(shí)間等,并能對(duì)局站號(hào)、供電線對(duì)數(shù)、峰值電流等系統(tǒng)重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.可通過(guò) LED燈指示基站電源情況(市電 /蓄電池 /發(fā)電機(jī));液晶顯示可指示網(wǎng)絡(luò)連接狀況及信號(hào)質(zhì)量.

1.2 終端的硬件設(shè)計(jì)

終端硬件設(shè)計(jì)著眼于滿足當(dāng)前應(yīng)用需求,并為系統(tǒng)留有功能升級(jí)的空間.核心控制器選擇 AD I公司的 DSP——Blackfin531,該控制器性價(jià)比高,滿足當(dāng)前應(yīng)用需求,并能夠滿足將來(lái)的基站視頻監(jiān)控應(yīng)用需求的升級(jí).電能計(jì)量模塊選擇 AD I公司的ADE7754,該模塊在業(yè)內(nèi)占領(lǐng)市場(chǎng)比例高,出貨量大,計(jì)量精度高,運(yùn)行穩(wěn)定,性價(jià)比高,得到廣泛應(yīng)用.硬件組成框圖如圖 3所示:

圖3 系統(tǒng)硬件組成方框圖

2 供電電源管理系統(tǒng)通信協(xié)議與可靠性設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)器與前置終端的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

服務(wù)器端和前置終端單元間均采用了主從控制方式.服務(wù)器端為“主站”,各基站均為“從站”.由主站向從站發(fā)布命令,指揮從站的運(yùn)行,設(shè)置從站各項(xiàng)參數(shù),獲取從站的狀態(tài)信息.從站接收命令并做出響應(yīng).兩者采用了異步通信方式.

參考 ISO/OSI協(xié)議模型,兩種通信規(guī)范模型均采用分層設(shè)計(jì)方式.兩種協(xié)議結(jié)構(gòu)十分相似,模型均分為三層:應(yīng)用層、物理層、鏈路層.

(1)物理層:前置終端單元采用 RS-485/RS-232接口標(biāo)準(zhǔn).RS-485采用差分傳輸方式,提高了信號(hào)傳輸距離和傳輸速度.而使用 RS-232主要是能用Modem通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行撥號(hào)接入遠(yuǎn)端 PC.

(2)鏈路層:該層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路連接的建立、拆除,以及為數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間的傳輸,提供一條可靠的數(shù)據(jù)通路.

(3)應(yīng)用層:在應(yīng)用層上傳輸各單元實(shí)體間的交互信息.命令消息由主站發(fā)向從站,而響應(yīng)消息由從站反饋回主站.

2.2 電源管理系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

干擾信號(hào)主要通過(guò)三個(gè)途徑進(jìn)入系統(tǒng):電磁感應(yīng)、傳輸通道和電源線.系統(tǒng)的抗干擾措施主要就是要防止干擾進(jìn)裝置內(nèi)部,破壞裝置的正常運(yùn)行.硬件抗干擾主要是從消除干擾源和切斷耦合通道兩方面著手,進(jìn)行有的效隔離、屏蔽和濾波,阻斷干擾進(jìn)入裝置的路徑,同時(shí)降低保護(hù)裝置本身的電磁敏感性.

電源的抗干擾設(shè)計(jì).電源端口是最重要也是最易受到干擾的端口,電源的設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性能影響很大.本設(shè)計(jì)對(duì)電源端口的抗干擾方面注意了以下幾點(diǎn):

(1)選用穩(wěn)定性好的模塊電源,專業(yè)電源廠家的電源模塊內(nèi)部一般包含完善的保護(hù)電路和濾波電路,如果成本許可,可選用工業(yè)級(jí)甚至軍工級(jí)產(chǎn)品:

(2)進(jìn)行很好的濾波,電源部分采用了高頻扼流線圈 +鐵氧體磁珠 +旁路電容的措施[5].

(3)為有效防止浪涌等破壞性試驗(yàn)將電源模塊燒壞,應(yīng)加氧化鋅壓敏電阻和放電管來(lái)抑制過(guò)電壓.

通信端口的抗干擾設(shè)計(jì).為提高通信端口的抗干擾能力,通訊端口均需經(jīng)過(guò)隔離后才能與外界進(jìn)行通訊,常用的高速光電隔離器件如 6N1 37,TLP2630,HCPL.063等,其耐壓值均超過(guò) 1000V,具有很好的抗干擾能力.

印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì).電路板設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生直接影響,因此也是裝置抗干擾的重要一環(huán),在印刷電路板設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn).

(1)電源和地線之間加上去耦電容、盡量加寬電源和地線寬度.

(2)模擬電源與數(shù)字電源分開(kāi)供電,模擬地與數(shù)字地分開(kāi)連接,減少數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬部分的干擾;

(3)選擇合理的導(dǎo)線寬度,由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的,因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量.

(4)在器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果.

機(jī)箱與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗干擾設(shè)計(jì).機(jī)箱作為外界干擾量最直接的屏障,在設(shè)計(jì)是注意以下幾點(diǎn):

(1)機(jī)箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該合理,最好采用整體機(jī)箱;

(2)機(jī)箱整體必須具有良好的導(dǎo)電性,除前面板外,其余部位一般是金屬外殼直接裸露在空氣中,不涂任何絕緣材料;

(3)在設(shè)計(jì)布局時(shí),應(yīng)使敏感器件如 CPU、液晶顯示模塊等遠(yuǎn)離電源、模擬量輸入、開(kāi)入、開(kāi)出等模塊;

(4)機(jī)殼采用多點(diǎn)接地的方式,即每個(gè)接地點(diǎn)都應(yīng)接到距離該點(diǎn)最近的地平面上去.裝置接地不良不但對(duì)設(shè)備本身的正常運(yùn)行造成影響,而且還可能造成人身觸電等重大事故.

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)基站電源管理系統(tǒng)多數(shù)是從國(guó)外引進(jìn)的,系統(tǒng)功能有限,價(jià)格比較昂貴.這里研究設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)終端根據(jù)目前移動(dòng)基站管理模式以及需要解決的問(wèn)題進(jìn)行定制研發(fā).使用它可以提高基站的管理維護(hù)水平,從而達(dá)到節(jié)能、提高服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo).該系統(tǒng)終端具有數(shù)據(jù)傳輸中繼及接入的功能,基站中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)包可以通過(guò)本終端轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)將服務(wù)器,命令和數(shù)據(jù)也可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)送到本終端,由終端再轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的設(shè)備.此功能可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控.本系統(tǒng)終端具有高可靠性,當(dāng)公共傳輸網(wǎng)絡(luò) (有線或無(wú)線)、短信 (S MS)通道都不能正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí),終端可以獨(dú)立處理,信息存于本地,待信道正常后再傳輸,克服無(wú)線終端易受環(huán)境因素影響未能正常數(shù)據(jù)傳輸工作的缺點(diǎn).本系統(tǒng)可用于各種移動(dòng)基站,也可以用于其他需要對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)控管理的場(chǎng)合.

[1]顧海洲,等.PC電磁兼容技術(shù)——設(shè)計(jì)實(shí)踐 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2]于長(zhǎng)江,等.基于 GPRS的基站智能管理平臺(tái)終端 [J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2009,(8):199-204.

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TN91

A

1008-4681(2010)02-0032-03

2010-03-09

長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃 (批準(zhǔn)號(hào):k0803117-11)資助項(xiàng)目.

王應(yīng)德 (1965-),男,湖南長(zhǎng)沙人,長(zhǎng)沙大學(xué)電子與通信工程系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,碩士.研究方向:嵌入式系統(tǒng)、通信電源.

(作者本人校對(duì))