王应德,黎福海,席永明,3

(1.长沙大学电子与通信工程系,湖南长沙 410003;2.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410018;3.江西省公安厅交通警察总队,江西南昌 330006)

移动基站电源管理系统设计＊

王应德1,2,黎福海2,席永明2,3

(1.长沙大学电子与通信工程系,湖南长沙 410003;2.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410018;3.江西省公安厅交通警察总队,江西南昌 330006)

本文给出了一个移动通信基站电源管理系统的设计方案.方案包括以 AD I公司高性能处理器 Blackfin531为核心、以专用的电能计量芯片 ADE7754进行电能计量和供电状况监测的前置终端设计,服务器端和前置终端单元之间采用主从控制方式的通信协议设计,以及提高电源管理系统抗干扰能力的系统可靠性设计.最后,对本设计进行了总结,并对基站电源管理系统的未来进行了展望.

基站;公共传输网络;ADE7754;Blackfin531;通信协议

随着移动通信迅速发展及通信覆盖面的日益扩大和普及,移动通信基站遍布全国各地.移动通信基站所处的大多数地区,电力网情况并不稳定,机房环境也比较恶劣,但在一般情况下,机房基本上都是无人值守的,所以对基站电源及运行环境进行遥测、遥信和遥控,是降低运行维护费用,提高通信质量及系统的管理水平,从而大幅度提高整体运行效率的迫切要求.基站电源管理系统在使用过程中将遇到的问题主要有:第一、系统通信可靠性问题.无线通信模块工作于高频,及容易干扰其他电路,也容易受其他电路的影响[1];第二、系统可维护性问题.管理系统必须是一个“可持续发展”的系统,要能对系统进行维护、扩充和升级.因此,为了建立一个既稳定可靠又能满足今后维护和升级的基站电源精细化管理系统,需要考虑以上问题.

1 供电电源管理系统组成模块设计

系统分为前置终端和服务器端,系统结构如图1所示.前置终端安装于基站内部,完成对基站用电量数据的采集、累积、保存、发送功能,同时记录基站电源供电情况、实现用电异常自动报警和基站内空调的开停控制等[2],服务器完成对上述数据的接收、统计、存档、查询功能.

1.1 系统前置终端功能设计

系统前置终端的功能设计如图 2所示.终端MCU采集基站蓄电池、发电机电压和三相市电动力信号,同时采集温度和空调参数等环境信号,MCU控制器通过公共传输网络 (有线或无线)将采集到的数据上传到管理服务器,终端还包括电源模块、显示及按键、外置数据存储模块和MCU最小系统模块.

系统前置终端作为系统信号采集和控制执行单元,主要功能有:

基站用电量数据采集,有功电能计量精度 0.5级,可在终端查询有功总电量、无功总电量,所查询日的当日有功电量、无功电量,所查询月的当月有功电量、无功电量,并可在服务器实现上述数据的查询.

图1 系统结构图

系统正常工作时,可通过对供电线路上的电压、电流等参数的检测,实时远程监控系统的运行情况,电压电流传感器采集的数据通过电能计量模块传送到控制器.如果出现开路、短路等故障时,立即告警并切断输出,判断故障何时消失,若故障消失则重新启动后备电源,否则将一直监测线路情况,直到故障消失为止.系统监控基站电源供电状况,包括异常情况记录功能、告警功能、显示功能[3].

异常情况记录功能:三相电流上电、停电时刻记录,断相开始、恢复时刻记录,过压开始、恢复时刻记录,电流异常开始、恢复时刻记录;发电机启动、停止时刻记录;蓄电池欠压开始、恢复时刻记录.上述异常情况记录均可在终端本地查询显示,也可以通过服务器查询显示.

告警功能:上述异常情况一旦发生,则系统终端将此异常信息发送至管理服务器,管理服务器可进行相应的处理操作.

显示功能:实时显示有功总电量、各分相有功总电量、三相线电压、线电流、蓄电池电压、终端运行状态等信息.

系统终端采用公共传输网络 (有线或无线)进行通讯,正常情况下终端与管理服务器端通过公共传输网络 (有线或无线)进行通信.

图2 系统前置终端的功能设计图

系统预留了短信 (S MS)通道作为系统的备份通信手段,当网络出现故障时,系统自动通过短信通道完成与服务器端的数据通信[4].

当外界因素影响,传输信道或传输系统不能正常传输数据时,终端可以独立处理信息并存于本地,待信道正常后再传输,克服无线终端易受环境因素影响未能正常数据传输工作的缺点.

带有实时时钟,可由管理服务器进行时钟设定,终端通过与服务器进行对操作.

带有环境温度采集功能,温度数据实时发送至服务器,为监控人员了解基站内温度情况并控制空调温度提供参考.

带有空调远程控制功能,可在服务器远程控制空调温度.

电源模块:终端装置供电可由三相电 /基站 48V电源 /自带电池供电,并能根据供电情况进行自动切换,保证终端可靠运行.

状态显示:系统可通过显示与控制接口实时监控系统工作状态,查询基站局站号、供电线对数、总电压、总电流、各单线电流值以及系统相关时间等,并能对局站号、供电线对数、峰值电流等系统重要参数进行设置.可通过 LED灯指示基站电源情况(市电 /蓄电池 /发电机);液晶显示可指示网络连接状况及信号质量.

1.2 终端的硬件设计

终端硬件设计着眼于满足当前应用需求,并为系统留有功能升级的空间.核心控制器选择 AD I公司的 DSP——Blackfin531,该控制器性价比高,满足当前应用需求,并能够满足将来的基站视频监控应用需求的升级.电能计量模块选择 AD I公司的ADE7754,该模块在业内占领市场比例高,出货量大,计量精度高,运行稳定,性价比高,得到广泛应用.硬件组成框图如图 3所示:

图3 系统硬件组成方框图

2 供电电源管理系统通信协议与可靠性设计

2.1 服务器与前置终端的通信协议设计

服务器端和前置终端单元间均采用了主从控制方式.服务器端为“主站”,各基站均为“从站”.由主站向从站发布命令,指挥从站的运行,设置从站各项参数,获取从站的状态信息.从站接收命令并做出响应.两者采用了异步通信方式.

参考 ISO/OSI协议模型,两种通信规范模型均采用分层设计方式.两种协议结构十分相似,模型均分为三层:应用层、物理层、链路层.

(1)物理层:前置终端单元采用 RS-485/RS-232接口标准.RS-485采用差分传输方式,提高了信号传输距离和传输速度.而使用 RS-232主要是能用Modem通过 GPRS网络进行拨号接入远端 PC.

(2)链路层:该层实现数据链路连接的建立、拆除,以及为数据在节点间的传输,提供一条可靠的数据通路.

(3)应用层:在应用层上传输各单元实体间的交互信息.命令消息由主站发向从站,而响应消息由从站反馈回主站.

2.2 电源管理系统的可靠性设计

干扰信号主要通过三个途径进入系统:电磁感应、传输通道和电源线.系统的抗干扰措施主要就是要防止干扰进装置内部,破坏装置的正常运行.硬件抗干扰主要是从消除干扰源和切断耦合通道两方面着手,进行有的效隔离、屏蔽和滤波,阻断干扰进入装置的路径,同时降低保护装置本身的电磁敏感性.

电源的抗干扰设计.电源端口是最重要也是最易受到干扰的端口,电源的设计好坏对系统的抗干扰性能影响很大.本设计对电源端口的抗干扰方面注意了以下几点:

(1)选用稳定性好的模块电源,专业电源厂家的电源模块内部一般包含完善的保护电路和滤波电路,如果成本许可,可选用工业级甚至军工级产品:

(2)进行很好的滤波,电源部分采用了高频扼流线圈 +铁氧体磁珠 +旁路电容的措施[5].

(3)为有效防止浪涌等破坏性试验将电源模块烧坏,应加氧化锌压敏电阻和放电管来抑制过电压.

通信端口的抗干扰设计.为提高通信端口的抗干扰能力,通讯端口均需经过隔离后才能与外界进行通讯,常用的高速光电隔离器件如 6N1 37,TLP2630,HCPL.063等,其耐压值均超过 1000V,具有很好的抗干扰能力.

印制电路板的抗干扰设计.电路板设计会对系统的抗干扰能力产生直接影响,因此也是装置抗干扰的重要一环,在印刷电路板设计应注意以下几点.

(1)电源和地线之间加上去耦电容、尽量加宽电源和地线宽度.

(2)模拟电源与数字电源分开供电,模拟地与数字地分开连接,减少数字信号对模拟部分的干扰;

(3)选择合理的导线宽度,由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量.

(4)在器件布置方面与其它逻辑电路一样,应把相互有关的器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效果.

机箱与系统结构的抗干扰设计.机箱作为外界干扰量最直接的屏障,在设计是注意以下几点:

(1)机箱的机械结构应该合理,最好采用整体机箱;

(2)机箱整体必须具有良好的导电性,除前面板外,其余部位一般是金属外壳直接裸露在空气中,不涂任何绝缘材料;

(3)在设计布局时,应使敏感器件如 CPU、液晶显示模块等远离电源、模拟量输入、开入、开出等模块;

(4)机壳采用多点接地的方式,即每个接地点都应接到距离该点最近的地平面上去.装置接地不良不但对设备本身的正常运行造成影响,而且还可能造成人身触电等重大事故.

3 结语

目前国内移动基站电源管理系统多数是从国外引进的,系统功能有限,价格比较昂贵.这里研究设计的管理系统终端根据目前移动基站管理模式以及需要解决的问题进行定制研发.使用它可以提高基站的管理维护水平,从而达到节能、提高服务质量的目标.该系统终端具有数据传输中继及接入的功能,基站中其他设备的数据包可以通过本终端转发到系统将服务器,命令和数据也可以通过服务器发送到本终端,由终端再转发至相应的设备.此功能可以实现遥测遥控.本系统终端具有高可靠性,当公共传输网络 (有线或无线)、短信 (S MS)通道都不能正常传输数据时,终端可以独立处理,信息存于本地,待信道正常后再传输,克服无线终端易受环境因素影响未能正常数据传输工作的缺点.本系统可用于各种移动基站,也可以用于其他需要对电源进行监控管理的场合.

[1]顾海洲,等.PC电磁兼容技术——设计实践 [M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]于长江,等.基于 GPRS的基站智能管理平台终端 [J].计算机系统应用,2009,(8):199-204.

[3]彭伟.电源空调集中监控系统的维护与管理[J].电信技术,2002,(5):27-28.

[4]桑彩霞,等.基于Web的远程基站巡检与监控系统的设计[J].软件导刊,2007,(21):102-104.

[5]范敦浩.电源监控系统防雷措施 [J].通信电源技术,2002,(1):23-28.

TN91

A

1008-4681(2010)02-0032-03

2010-03-09

长沙市科技计划 (批准号:k0803117-11)资助项目.

王应德 (1965-),男,湖南长沙人,长沙大学电子与通信工程系高级实验师,硕士.研究方向:嵌入式系统、通信电源.

(作者本人校对)