通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的原理及軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，通信電源的數(shù)量也在不斷地增多，對通信電源的監(jiān)控就彰顯其重要性了。通信基站的電源一般處于比較分散的狀態(tài)，大多數(shù)情況下無人看守。為了保證對通信電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，研發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控通信電源的系統(tǒng)迫在眉睫。

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)傳輸方法分類，包括電話線通信的監(jiān)控系統(tǒng)、GSM通信的監(jiān)控系統(tǒng)、基于Web通信的監(jiān)控系統(tǒng)等。電話線式的系統(tǒng)需要固定的線路，成本較高；GSM通信采用短信通道傳輸數(shù)據(jù)，如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，費(fèi)用也較高；Web技術(shù)功能比較完善，性能優(yōu)越，但是基于Web通信的監(jiān)控系統(tǒng)需要鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路，針對于分散點(diǎn)較多的情況需要使用多個(gè)Web站點(diǎn)，費(fèi)用也較高。針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)采用基于Web與單片機(jī)CC430F6127相結(jié)合設(shè)計(jì)方案。CC430F6127內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)百米距離的無線傳輸。每個(gè)RF無線電通信模塊都可以作為一個(gè)小中繼器，實(shí)現(xiàn)間接傳輸，使傳輸距離更遠(yuǎn)。利用RF無線電模塊可以組成一個(gè)小范圍的局域網(wǎng)絡(luò)，然后將多個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)通過Web網(wǎng)絡(luò)相連，就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控所有通信電源的目的。這樣不但可以減少使用Web站點(diǎn)，而且CC430F6127具有的低功耗使得使用成本更低，達(dá)到了應(yīng)用的要求。

1 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行原理

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)主要作用是監(jiān)測通信電源提供的電能質(zhì)量，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。通信電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先通信電源監(jiān)控點(diǎn)會(huì)將電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并計(jì)算分析。然后通過RF無線電通信渠道將數(shù)據(jù)傳輸給通信電源監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)，子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)會(huì)將所有監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過Web網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控所有通信電源的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集模塊、RF無線電數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)控系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)的CC430F6127與Web連接模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)是采集通信電源的電能數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析；RF無線電模塊的任務(wù)是將采集后的數(shù)據(jù)發(fā)送給通信電源子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)；CC430F6127與Web連接模塊作用是將通信電源監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)通過Web網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心。下面就各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊需要采集通信電源的電壓、電流、溫度等參數(shù)，硬件電路如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊由單片機(jī)CC430F6127（簡稱F6127）控制，首先通信電源的電壓和電流分別通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，兩種傳感器的輸出均為電流信號(hào)，兩個(gè)傳感器輸出的電流分別經(jīng)過R1和R2采樣電阻后，在電阻兩端形成一個(gè)電壓降，由于電阻的一端接地，所以電阻的另一端VO即為轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)；然后由AD7656采集采樣電阻R1和R2兩端的電壓，根據(jù)傳感器的變比即可求出輸入電壓和電流的幅值；F6127通過相關(guān)的算法可以求出電壓和電流的最大值和平均值等參數(shù)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

本系統(tǒng)采用的AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是6通道同時(shí)采樣的16位逐次逼近型ADC，可以滿足高分辨率、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗要求，主要應(yīng)用于電力監(jiān)控系統(tǒng)、儀器控制系統(tǒng)等。如圖2所示，AD7656的電源正電壓VDD為+12 V，電源負(fù)電壓VSS為-12 V，模擬電壓AVCC、邏輯電壓VDRIVE和數(shù)字電壓DVCC均為+5V。AD7656的STBY接VDRIVE，選擇正常模式；SER／PAR端口接地，選擇并行接口；W／B接地表示16位并行輸出；RANGE端口接地表示選擇輸入電壓范圍±10V；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。單片機(jī)F6127的P0口作為并行數(shù)據(jù)口與AD7656的并行數(shù)據(jù)口DB0～DB15相連，P1.0端口與AD7656的BUSY相連，用來檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；P1.1端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C 3個(gè)端口相連，控制AD7656同時(shí)采樣6路信號(hào)；P1.2端口與AD7656的讀信號(hào)RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口；P1.3端口與AD7656的／CS端相連作為片選口；P1.4端口與AD7656的RESET端口相連作為重啟控制端口。

通信電源自身會(huì)產(chǎn)生熱量。它的溫度會(huì)影響電源的供電性能，實(shí)時(shí)測量通信電源的溫度對于更好的控制電源的供電起著十分重要的作用。本系統(tǒng)中采用DS18B20溫度采集芯片采集通信電源的溫度，DS18B20是一款高速度、高精度的溫度傳感器，其電源供電電壓為3.3 V；測量范圍為-55～+125℃；測量精度為0.5℃。在安裝溫度傳感器時(shí)，需要將DS18B20芯片盡可能地貼近通信電源。單片機(jī)CC430F5137的P1.5口與DS18B20的DQ口相連，用來控制DS18B20的讀寫等操作。

2.2 RF無線電數(shù)據(jù)傳輸模塊

RF無線電數(shù)據(jù)傳輸裝置由CC430F6127單片機(jī)內(nèi)部集成的CC1101無線電收發(fā)器構(gòu)成。CC430F6127單片機(jī)是TI公司的MSP430F6xx系列MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的一款產(chǎn)品。在低功耗模式下可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗，采用電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可連續(xù)工作長達(dá)10年以上。微型封裝所包含的高級(jí)功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力，可以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F6127為16位超低功耗：MCU，系統(tǒng)支持最大時(shí)鐘頻率20 MHz，具有4 KB RAM、32 KB Flash、64個(gè)引腳、CC1101無線電，供電電壓范圍為1.8～3.6 V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LPM_3消耗電流為2.0μA～PM_4模式消耗電流為1.0μA。

CC430F6127單片機(jī)內(nèi)部集成的CC1101無線電收發(fā)器的RF頻率有3個(gè)范圍，分別是：300～348 MHz、389～464 MHz、779～928 MHz。根據(jù)TI提供的數(shù)據(jù)手冊以及系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)的RF頻率設(shè)為433 MHz，數(shù)據(jù)包長度可以達(dá)到20字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為38.4 kbps，發(fā)送功率最大可以達(dá)到12.6 dBm。本系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)的距離來調(diào)節(jié)發(fā)射功率的大小，以實(shí)現(xiàn)低功耗的目的。硬件電路如圖3所示。C CA30F6127的供電電壓為+3.3 V，RF外接晶振頻率為26 MHz，其中RF_N和RF_P為RF無線電收發(fā)器的接收，發(fā)射引腳。兩引腳外接電子器件和功率天線。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)的C430F6127與Web連接模塊

CC430F6127與Web連接方式采用Crystal半導(dǎo)體公司的網(wǎng)卡芯片CS8900A，它是一款低功耗的以太網(wǎng)控制芯片，其內(nèi)部主要的功能模塊包括：串行EEPROM接口、ISA總線接口、超高速緩沖存儲(chǔ)器RAM、完整的模擬前端10BASE-T和AUI接口、IEEE 802.3規(guī)范的以太網(wǎng)MAC引擎。CC43 0F6127可以直接通過I／O口對CS8900A進(jìn)行控制，如圖4所示。CS8900A采用3.3V供電電壓，采用默認(rèn)的工作模式，即8位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀寫，CC430F6127的P2.0～P2.3與CS8900A的SA0～SA3相連充當(dāng)?shù)刂房偩€，SA8與SA9接高電平，SA4～SA7和SA10～SA19接地，復(fù)位時(shí)其地址一直為0300H、CC430F6127的P3.0～P3.7與CS89 00A的SD0～SD7相連充當(dāng)數(shù)據(jù)線，CS8900A的其余數(shù)據(jù)線均接地，CC430F6127的P4.0端口與CS890 0A的端口相連作為讀控制口，CC430F6127的P4.1端口與CS8900A的端口相連作為寫控制口。外接的兩個(gè)LED指示燈方便觀察數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。為了保護(hù)系統(tǒng)安全，在CS8900A與RJ45口的中間采用隔離變壓器CL2246X進(jìn)行隔離連接，起到隔離保護(hù)的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通信電源監(jiān)控系統(tǒng)程序流程如圖5所示。首先系統(tǒng)初始化，單片機(jī)CC430F6127進(jìn)入低功耗模式。如果監(jiān)控中心給監(jiān)控點(diǎn)發(fā)送控制指令，監(jiān)控點(diǎn)的CC430F6127單片機(jī)會(huì)發(fā)生RF無線電接收中斷，此中斷會(huì)讓單片機(jī)從低功耗模式中喚醒開始判斷監(jiān)控中心發(fā)送的控制指令，并執(zhí)行相關(guān)操作，包括電流、電壓、溫度的測量等功能。然后將這些參數(shù)通過RF無線電模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。通信電源監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要完成檢測參數(shù)的功能，還需要監(jiān)控通信電源提供的電能質(zhì)量。因此，本系統(tǒng)在間隔5 s后檢測通信電源的電能參數(shù)，如果所測數(shù)據(jù)超過警界線范圍，就會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心也可以隨時(shí)修改檢測的間隔時(shí)間，報(bào)警范圍等參數(shù)。通信電源監(jiān)控點(diǎn)通過RF無線電將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心后，監(jiān)控中心會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)重新發(fā)送給通信電源監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)接收完成后開始核對發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)是否相符，如果相同則表示發(fā)送成功，如果不相同則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以保證數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于Web和CC430F6127單片機(jī)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，功耗低，能夠?qū)⒍鄠€(gè)通信電源監(jiān)控站點(diǎn)的情況及時(shí)傳輸給監(jiān)控中心，以供實(shí)時(shí)分析。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較大應(yīng)用前景。