天线设备手持控制终端的设计与实现

吕 燚， 邓春健， 邹 昆

(电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)

天线设备手持控制终端的设计与实现

吕 燚， 邓春健， 邹 昆

(电子科技大学 中山学院, 广东 中山 528402)

随着移动终端的迅速普及和移动通信技术的发展，网络优化任务日益繁重，遵循AISG2.0协议的天线线上设备(Antenna Line Device，ALD)得到了广泛的应用。为满足大量ALD安装调试以及维护的需求，设计并实现了符合AISG2.0协议规范的手持控制终端。分析了ALD设备手持控制终端的特点和应用背景，从AISG通信、电池管理和过流保护等方面详细介绍了系统硬件，并讨论了AISG协议栈和电池管理等模块的软件实现方法，最后完成了与不同厂家ALD设备的协议对接测试和耗能操作下的待机测试。测试和实际应用证明，本设计硬件上符合AISG2.0规范，协议实现完整，操作效率高，且具有耗能操作待机时间长的优点。

天线线上设备； AISG协议； 电池管理； 手持终端

0 引 言

随着移动通信行业高速发展，用户量的爆发式增长对网络覆盖优化提出了更高的要求，用于网络优化的设备应用日益广泛，为了实现不同厂家设备与基站系统之间的互操作性，主流天线设备与基站系统厂家联合成立了AISG(Antenna Interface Standard Group)组织，并制定了AISG协议[1-3]。ALD是指AISG协议中规定的用于网络优化的天线相关设备，目前主要包括电调天线(RET)、塔顶放大器(TMA)两大类设备[4]，其中RET包括可以调节下倾角和方位角两种，塔顶放大器包括固定增益式、可调增益式以及带驻波检测放大器等几种类型。

在ALD设备的安装调试、故障排查和网络测试过程中，需要借助PC机以及AISG通信网关来执行相关功能，操作繁琐，对施工人员要求较高，而且PC机不适合施工现场的工作环境，需要交流供电，安装调试效率较低。目前RFS、Argus等厂家已经相继研发出AISG手持终端，但是均存在不支持OOK通信方式，且电池容量小，不支持耗能操作。本文从实际需求出发，研发了支持OOK通信方式并带有大容量电池的手持式ALD设备控制终端，完整实现了AISG2.0协议栈。不需要现场供电，简化了操作流程，显著提高了网络调试、优化工作的复杂度大为降低，效率更高。

1 硬件设计

1.1 系统总体方案

该系统选用Cortex-M3内核的STM32F103C8T6作为控制核心，硬件上包括AISG通信、锂电池管理、人机界面等(见图1)。其中AISG通信模块保留了OOK通信和485通信两种方式；锂电池管理实现了电池充放电保护、充电均衡和短路保护等功能；过流保护实现了当被控ALD设备发生过流故障是自动切断其供电的保护功能；人机界面包括3×4矩阵式按键和液晶显示模块。

1.2 通信模块

图1 ALD设备手持终端系统结构图

频率为2.176 MHz的OOK通信两种方式[5-7]，本系统中同时设计了两种接口，单片机的串口输出接SN65HVD3082电平转换芯片，得到485信号。同时串口和通信方向控制信号与OOK调制解调模块相连，OOK调制解调电路如图2所示，采用了Maxim公司的集成OOK modem芯片MAX9947，接8.704 MHz无源晶振，内部4分频得到载波信号。图中BIAS端输出1.5 V参考信号，R153和R151分压后接RES端，其电压决定了OOK信号输出功率。MAX9947支持AISG协议要求的3种通信波特率，通过配置DIRMD1和DIRMD2来优化不同波特率下的解调延迟，本系统采用的波特率为115.2 Kb/s。图中C19、C25和L7构成了OOK信号的低通滤波器，截止频率3 MHz。C10为耐压为2 kV的耦合电容，L2为47 μH的功率电感，隔离直流供电和OOK信号。

图2 OOK调制解调电路

1.3 电池管理模块

ALD设备中的RET依靠电动机调节天线下倾角和方位角，功耗较大，本系统中配备了6节容量为2 600 mAh的 18650锂电池，电池管理芯片采用了TI公司的BQ77PL900，电路示意图如图3所示，其主要功能包括充放电保护、过热保护、充电均衡以及工作电流检测。充放电保护以及过热保护主要实现电池在过充、过放、短路和过热等极端情况下切断输出，保护电芯并防止意外发生。串连的锂电池组由于自身特性的差异，经过多次充放周期后出现的不均衡现象将严重影响电池容量[8-9]，本系统中采用了BQ77PL900自带的耗能式被动均衡功能，均衡效率不高，但是具有安全、简单等优点。图3中的R1～R6为均衡电阻，充电过程中当某节电芯电压较高，并超过一定阈值后，便开启相应均衡电阻的分流功能。图中Rs为电流采样电阻，采集电池组的充放电电流用于电池容量的实时计算。

1.4 过流保护电路

电池管理系统中已经集成了电池放电短路保护，可以有效防止由于ALD设备短路造成的手持终端损坏，但实际应用中发现当ALD设备短路时整个手持终端也失去电源，无法正常工作，施工人员通常会误认为手持控制器损坏，无法排查ALD故障，并严重影响施工进度。而BMS中集成的电流采集功能需要软件判别，速度慢，发生短路时无法及时切断对外供电，因此本系统设计了硬件自动过流保护功能，电路如图4所示。过流门限约为2A，P1端与单片机外部中断相连，当ALD设备电流超过限值时，T1导通，反相器输出低电平，自动切断对ALD设备的供电。为了避免过流误触发，本电路具备自动重试功能，切断供电后过流现象消失，经过一定的迟滞时间后会重新开启供电。如果ALD设备短路持续存在，单片机通过P1的下降沿可以识别，此时可通过P2输出高电平，彻底切断供电输出。

2 软件设计

ALD设备手持终端软件主要包括3大功能模块，分别是AISG协议栈、人机交互模块和电池管理模块。其中人机交互模块在驱动层包括液晶显示和按键扫描两部分，应用层主要基于链表的LCD菜单显示系统，通过按键事件触发菜单的切换，实现在小型LCD上显示多级信息的功能。AISG协议栈主要功能包括实现ALD设备的AISG通信和相关操作命令解析。电池管理模块主要包括检测过流和电池电量计量等功能。

2.1 AISG协议栈

AISG2.0协议定义了基站系统与ALD设备通信的物理层、数据链路层和应用层。其协议结构如图5所示，物理层采用OOK Modem或485方式，均为半双工通信方式。数据链路层遵循HDLC协议，按照HDLC协议非平衡通信方式设计，实现了HDLC协议，并支持XID接口，实现了扫描、建立链接、维护链接和广播复位等功能[10]，数据的收发通过单片机UART完成。AISG协议规定数据帧字节之间的延迟需小于3 Byte传输时间，以115 200波特率为例，字节之间的时间间隔需小于260 μs，为了防止因更高优先级中断而导致字节之间间隔过长，本系统中采用DMA发送方式，封装好AISG数据帧之后直接启动DMA发送即可。数据接收也由DMA完成，UART收到数据后自动由DMA存储，单片机定时查询接收数据，这样既保证了不会丢失接收数据也避免了大量数据通信过程中频繁中断CPU。应用层由两部分组成:① AISG命令接口，实现液晶菜单系统的命令与AISG命令与参数之间的解析；② 抽象AISG命令接口，完成AISG帧中INFO域的封装和解析[11-12]。本协议栈的设计参考TCP/IP协议设计模式，严格执行分层设计的理念，同时层间数据采用零拷贝技术，保证了协议的执行效率。

2.2 电池电量计量

电池电量计算采用了电流积分的方法，其工作流程如图6所示，开机后首先调入之前的电量数据，然后判别当前的充放电状态，如果是工作在充电状态则执行电池均衡控制，电池充电均衡控制采用了BQ77PL900芯片内置的耗能式被动均衡功能，首先判别6节电芯电压的最低电压，记住Umin，然后检测6个电芯电压与Umin之差是否大于某一阈值，以此决定是否开启均衡电阻。本项目中该阈值设定为0.2 V，经过充放电200个周期的测试，证明该方案能够有效防止长期使用过程中因单体电芯电压过低而导致整个电池组容量锐减的情况出现[13-14]。电量计算通过对电流进行积分，计算电池剩余电量[15]，采样周期为20 ms。该方法相对于库仑计方法存在一定的计量误差，但是由于每次满电量状态是以电池进入涓流充电为依据[16]，相当于每次充满电后对电量校准一次，从长期使用效果看完全满足实际应用需要。如果收到关机信号，则将当前电量状态写入EEPROM，然后单片机通过IO口控制一键开关机电路切断系统电源。

3 系统测试

ALD设备手持控制器的测试主要包括AISG协议互操作测试和耗能操作工作时间测试。

3.1 AISG协议测试

AISG协议对接测试手持终端与不同厂家的RET、TMA等ALD设备互操作性能，我们选择了华裕、京信、通宇、RFS、Argus和凯瑟琳等厂家的RET和TMA产品进行互操作测试，对RET的测试项目包括扫描、调节下倾角、天线校准、获取告警以及下载配置文件等操作，对TMA的测试项目包括扫描、设置塔放工作状态、获取增益、获取告警等。本次设计的手持控制终端可以与所有待测的ALD设备进行互操作，且操作效率较高。最后进行了在不同测试条件下与其他厂家手持终端做扫描ALD的对比测试，扫描时间如表1所示，本设计扫描速度明显优于华裕和Argus的同类产品。

表1 ALD设备扫描时间测试 /s

3.2 耗能操作工作时间测试

在ALD设备手持控制终端支持的操作中，有一部分操作需要为RET中的电动机提供电能，这类操作被称为耗能操作，例如RET的校准命令、设置下倾角命令、自检命令等，其中由于校准命令需要走完下倾角整个量程，因而耗电量最大。在实际网络优化和调试过程中，需要大量的耗能操作，所以手持控制终端的高负荷工作下待机时间是衡量其实际应用价值的重要指标，本项目中通过执行校准命令来测试其待机时间，选用台湾华裕公司和RSF公司的RET作为被测对象，在满电量情况下，对华裕RET可以执行校准命令约300次，对RFS公司的RET可执行校准约340次，完全满足网络维护和优化的日常需求，并且余量很大。

4 结 语

随着移动终端的日益普及和移动网络技术的发展，移动通信网络优化任务日益繁重，ALD设备作为网络优化的重要设备，得到了广泛的应用。与普通微波设备不同，ALD设备遵循AISG协议，其安装调试以及日常维护都需要支持AISG协议的通信主机才能完成。针对这一需求，研发了基于AISG2.0协议的ALD设备手持终端，设计了包括通信模块、供电系统和人机接口的硬件电路，完成了AISG协议栈、人机界面和电源管理等软件模块。通过与不同厂家ALD设备的互操作测试以及与同类产品的对比测试，本手持终端具有操作效率高、扫描速度快等优点，且耗能操作待机时间也优于同类被测产品。

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·名人名言·

生活就象海洋一样，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。

——马克思

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

国家自然科学基金 (61502088)；广东省高等学校优秀青年教师培养计划(Yq2013206)；中山市科技计划项目(2014A2FC378)

吕 燚(1981-)，男，山西大同人，硕士，副教授，主要研究方向为智能控制技术、嵌入式系统与物联网；可靠性建模，维修策略研究。

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

TP 393.04

A

1006-7167(2017)04-0119-04