通信電源監(jiān)控系統的原理及軟硬件設計與實現

引言

隨著通信網絡規(guī)模的不斷擴大，通信電源的數量也在不斷地增多，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)，大多數情況下無人看守。為了保證對通信電源的實時監(jiān)控，研發(fā)一種能夠實時監(jiān)控通信電源的系統迫在眉睫。

通信電源監(jiān)控系統按照數據傳輸方法分類，包括電話線通信的監(jiān)控系統、GSM通信的監(jiān)控系統、基于Web通信的監(jiān)控系統等。電話線式的系統需要固定的線路，成本較高；GSM通信采用短信通道傳輸數據，如果需要傳輸的數據量比較大，費用也較高；Web技術功能比較完善，性能優(yōu)越，但是基于Web通信的監(jiān)控系統需要鋪設網絡線路，針對于分散點較多的情況需要使用多個Web站點，費用也較高。針對以上缺點，現采用基于Web與單片機CC430F6127相結合設計方案。CC430F6127內部集成了CC1101無線電收發(fā)器，可以實現百米距離的無線傳輸。每個RF無線電通信模塊都可以作為一個小中繼器，實現間接傳輸，使傳輸距離更遠。利用RF無線電模塊可以組成一個小范圍的局域網絡，然后將多個小型網絡通過Web網絡相連，就可以實現監(jiān)控所有通信電源的目的。這樣不但可以減少使用Web站點，而且CC430F6127具有的低功耗使得使用成本更低，達到了應用的要求。

1 通信電源監(jiān)控系統運行原理

通信電源監(jiān)控系統主要作用是監(jiān)測通信電源提供的電能質量，并將采集的數據發(fā)送給監(jiān)控中心。通信電源監(jiān)控系統結構框圖如圖1所示。首先通信電源監(jiān)控點會將電能數據進行采集，并計算分析。然后通過RF無線電通信渠道將數據傳輸給通信電源監(jiān)控子網絡中心點，子網絡中心點會將所有監(jiān)控的數據通過Web網絡傳輸給監(jiān)控中心，實現了監(jiān)控所有通信電源的目的。

2 系統硬件設計

通信電源監(jiān)控系統的硬件設計分為數據采集模塊、RF無線電數據傳輸模塊和監(jiān)控系統子網絡中心點的CC430F6127與Web連接模塊。數據采集模塊的主要任務是采集通信電源的電能數據，并進行相關的數據分析；RF無線電模塊的任務是將采集后的數據發(fā)送給通信電源子網絡中心點；CC430F6127與Web連接模塊作用是將通信電源監(jiān)控子網絡中心點收集的數據通過Web網絡傳輸給監(jiān)控中心。下面就各個模塊進行詳細介紹。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊需要采集通信電源的電壓、電流、溫度等參數，硬件電路如圖2所示。數據采集模塊由單片機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行轉換，兩種傳感器的輸出均為電流信號，兩個傳感器輸出的電流分別經過R1和R2采樣電阻后，在電阻兩端形成一個電壓降，由于電阻的一端接地，所以電阻的另一端VO即為轉化后的電壓信號；然后由AD7656采集采樣電阻R1和R2兩端的電壓，根據傳感器的變比即可求出輸入電壓和電流的幅值；F6127通過相關的算法可以求出電壓和電流的最大值和平均值等參數，將此數據發(fā)送給監(jiān)控中心。

本系統采用的AD7656模數轉換芯片是6通道同時采樣的16位逐次逼近型ADC，可以滿足高分辨率、多通道、高轉換速率和低功耗要求，主要應用于電力監(jiān)控系統、儀器控制系統等。如圖2所示，AD7656的電源正電壓VDD為+12 V，電源負電壓VSS為-12 V，模擬電壓AVCC、邏輯電壓VDRIVE和數字電壓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表示選擇內部參考。單片機F6127的P0口作為并行數據口與AD7656的并行數據口DB0～DB15相連，P1.0端口與AD7656的BUSY相連，用來檢測轉換是否結束；P1.1端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C 3個端口相連，控制AD7656同時采樣6路信號；P1.2端口與AD7656的讀信號RD相連作為讀取數據控制口；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。

通信電源自身會產生熱量。它的溫度會影響電源的供電性能，實時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，需要將DS18B20芯片盡可能地貼近通信電源。單片機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無線電數據傳輸模塊

RF無線電數據傳輸裝置由CC430F6127單片機內部集成的CC1101無線電收發(fā)器構成。CC430F6127單片機是TI公司的MSP430F6xx系列MCU與低功耗RF收發(fā)器相結合的一款產品。在低功耗模式下可實現極低的電流消耗，采用電池供電的無線網絡應用可連續(xù)工作長達10年以上。微型封裝所包含的高級功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網絡提供核心動力，可以向中央采集點報告數據。CC430F6127為16位超低功耗：MCU，系統支持最大時鐘頻率20 MHz，具有4 KB RAM、32 KB Flash、64個引腳、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單片機內部集成的CC1101無線電收發(fā)器的RF頻率有3個范圍，分別是：300～348 MHz、389～464 MHz、779～928 MHz。根據TI提供的數據手冊以及系統的要求，本系統的RF頻率設為433 MHz，數據包長度可以達到20字節(jié)，數據傳輸速率為38.4 kbps，發(fā)送功率最大可以達到12.6 dBm。本系統能夠根據監(jiān)控點與監(jiān)控子網絡中心點的距離來調節(jié)發(fā)射功率的大小，以實現低功耗的目的。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)控系統子網絡中心點的C430F6127與Web連接模塊

CC430F6127與Web連接方式采用Crystal半導體公司的網卡芯片CS8900A，它是一款低功耗的以太網控制芯片，其內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MAC引擎。CC43 0F6127可以直接通過I／O口對CS8900A進行控制，如圖4所示。CS8900A采用3.3V供電電壓，采用默認的工作模式，即8位數據總線進行讀寫，CC430F6127的P2.0～P2.3與CS8900A的SA0～SA3相連充當地址總線，SA8與SA9接高電平，SA4～SA7和SA10～SA19接地，復位時其地址一直為0300H、CC430F6127的P3.0～P3.7與CS89 00A的SD0～SD7相連充當數據線，CS8900A的其余數據線均接地，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LED指示燈方便觀察數據發(fā)送狀態(tài)。為了保護系統安全，在CS8900A與RJ45口的中間采用隔離變壓器CL2246X進行隔離連接，起到隔離保護的作用。

3 系統軟件設計

通信電源監(jiān)控系統程序流程如圖5所示。首先系統初始化，單片機CC430F6127進入低功耗模式。如果監(jiān)控中心給監(jiān)控點發(fā)送控制指令，監(jiān)控點的CC430F6127單片機會發(fā)生RF無線電接收中斷，此中斷會讓單片機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)行相關操作，包括電流、電壓、溫度的測量等功能。然后將這些參數通過RF無線電模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。通信電源監(jiān)控系統不僅需要完成檢測參數的功能，還需要監(jiān)控通信電源提供的電能質量。因此，本系統在間隔5 s后檢測通信電源的電能參數，如果所測數據超過警界線范圍，就會將報警信息發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心也可以隨時修改檢測的間隔時間，報警范圍等參數。通信電源監(jiān)控點通過RF無線電將數據發(fā)送給監(jiān)控中心后，監(jiān)控中心會將接收到的數據重新發(fā)送給通信電源監(jiān)控點，監(jiān)控點接收完成后開始核對發(fā)送數據與接收數據是否相符，如果相同則表示發(fā)送成功，如果不相同則重新發(fā)送數據，這樣可以保證數據發(fā)送的可靠性。

4結語

本文設計了一種基于Web和CC430F6127單片機的通信電源監(jiān)控系統。本系統組網靈活，功耗低，能夠將多個通信電源監(jiān)控站點的情況及時傳輸給監(jiān)控中心，以供實時分析。系統運行穩(wěn)定可靠，有較大應用前景。