通信电源监控系统的原理及软硬件设计与实现

引言

随着通信网络规模的不断扩大，通信电源的数量也在不断地增多，对通信电源的监控就彰显其重要性了。通信基站的电源一般处于比较分散的状态，大多数情况下无人看守。为了保证对通信电源的实时监控，研发一种能够实时监控通信电源的系统迫在眉睫。

通信电源监控系统按照数据传输方法分类，包括电话线通信的监控系统、GSM通信的监控系统、基于Web通信的监控系统等。电话线式的系统需要固定的线路，成本较高；GSM通信采用短信通道传输数据，如果需要传输的数据量比较大，费用也较高；Web技术功能比较完善，性能优越，但是基于Web通信的监控系统需要铺设网络线路，针对于分散点较多的情况需要使用多个Web站点，费用也较高。针对以上缺点，现采用基于Web与单片机CC430F6127相结合设计方案。CC430F6127内部集成了CC1101无线电收发器，可以实现百米距离的无线传输。每个RF无线电通信模块都可以作为一个小中继器，实现间接传输，使传输距离更远。利用RF无线电模块可以组成一个小范围的局域网络，然后将多个小型网络通过Web网络相连，就可以实现监控所有通信电源的目的。这样不但可以减少使用Web站点，而且CC430F6127具有的低功耗使得使用成本更低，达到了应用的要求。

1 通信电源监控系统运行原理

通信电源监控系统主要作用是监测通信电源提供的电能质量，并将采集的数据发送给监控中心。通信电源监控系统结构框图如图1所示。首先通信电源监控点会将电能数据进行采集，并计算分析。然后通过RF无线电通信渠道将数据传输给通信电源监控子网络中心点，子网络中心点会将所有监控的数据通过Web网络传输给监控中心，实现了监控所有通信电源的目的。

2 系统硬件设计

通信电源监控系统的硬件设计分为数据采集模块、RF无线电数据传输模块和监控系统子网络中心点的CC430F6127与Web连接模块。数据采集模块的主要任务是采集通信电源的电能数据，并进行相关的数据分析；RF无线电模块的任务是将采集后的数据发送给通信电源子网络中心点；CC430F6127与Web连接模块作用是将通信电源监控子网络中心点收集的数据通过Web网络传输给监控中心。下面就各个模块进行详细介绍。

2.1 数据采集模块

数据采集模块需要采集通信电源的电压、电流、温度等参数，硬件电路如图2所示。数据采集模块由单片机CC430F6127（简称F6127）控制，首先通信电源的电压和电流分别通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器进行转换，两种传感器的输出均为电流信号，两个传感器输出的电流分别经过R1和R2采样电阻后，在电阻两端形成一个电压降，由于电阻的一端接地，所以电阻的另一端VO即为转化后的电压信号；然后由AD7656采集采样电阻R1和R2两端的电压，根据传感器的变比即可求出输入电压和电流的幅值；F6127通过相关的算法可以求出电压和电流的最大值和平均值等参数，将此数据发送给监控中心。

本系统采用的AD7656模数转换芯片是6通道同时采样的16位逐次逼近型ADC，可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗要求，主要应用于电力监控系统、仪器控制系统等。如图2所示，AD7656的电源正电压VDD为+12 V，电源负电压VSS为-12 V，模拟电压AVCC、逻辑电压VDRIVE和数字电压DVCC均为+5V。AD7656的STBY接VDRIVE，选择正常模式；SER／PAR端口接地，选择并行接口；W／B接地表示16位并行输出；RANGE端口接地表示选择输入电压范围±10V；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示选择内部参考。单片机F6127的P0口作为并行数据口与AD7656的并行数据口DB0～DB15相连，P1.0端口与AD7656的BUSY相连，用来检测转换是否结束；P1.1端口与CONVST A、CONVST B和CONVST C 3个端口相连，控制AD7656同时采样6路信号；P1.2端口与AD7656的读信号RD相连作为读取数据控制口；P1.3端口与AD7656的／CS端相连作为片选口；P1.4端口与AD7656的RESET端口相连作为重启控制端口。

通信电源自身会产生热量。它的温度会影响电源的供电性能，实时测量通信电源的温度对于更好的控制电源的供电起着十分重要的作用。本系统中采用DS18B20温度采集芯片采集通信电源的温度，DS18B20是一款高速度、高精度的温度传感器，其电源供电电压为3.3 V；测量范围为-55～+125℃；测量精度为0.5℃。在安装温度传感器时，需要将DS18B20芯片尽可能地贴近通信电源。单片机CC430F5137的P1.5口与DS18B20的DQ口相连，用来控制DS18B20的读写等操作。

2.2 RF无线电数据传输模块

RF无线电数据传输装置由CC430F6127单片机内部集成的CC1101无线电收发器构成。CC430F6127单片机是TI公司的MSP430F6xx系列MCU与低功耗RF收发器相结合的一款产品。在低功耗模式下可实现极低的电流消耗，采用电池供电的无线网络应用可连续工作长达10年以上。微型封装所包含的高级功能还可为创新型RF传感器网络提供核心动力，可以向中央采集点报告数据。CC430F6127为16位超低功耗：MCU，系统支持最大时钟频率20 MHz，具有4 KB RAM、32 KB Flash、64个引脚、CC1101无线电，供电电压范围为1.8～3.6 V，正常工作模式消耗电流为160μA／MHz，LPM_3消耗电流为2.0μA～PM_4模式消耗电流为1.0μA。

CC430F6127单片机内部集成的CC1101无线电收发器的RF频率有3个范围，分别是：300～348 MHz、389～464 MHz、779～928 MHz。根据TI提供的数据手册以及系统的要求，本系统的RF频率设为433 MHz，数据包长度可以达到20字节，数据传输速率为38.4 kbps，发送功率最大可以达到12.6 dBm。本系统能够根据监控点与监控子网络中心点的距离来调节发射功率的大小，以实现低功耗的目的。硬件电路如图3所示。C CA30F6127的供电电压为+3.3 V，RF外接晶振频率为26 MHz，其中RF_N和RF_P为RF无线电收发器的接收，发射引脚。两引脚外接电子器件和功率天线。

2.3 监控系统子网络中心点的C430F6127与Web连接模块

CC430F6127与Web连接方式采用Crystal半导体公司的网卡芯片CS8900A，它是一款低功耗的以太网控制芯片，其内部主要的功能模块包括：串行EEPROM接口、ISA总线接口、超高速缓冲存储器RAM、完整的模拟前端10BASE-T和AUI接口、IEEE 802.3规范的以太网MAC引擎。CC43 0F6127可以直接通过I／O口对CS8900A进行控制，如图4所示。CS8900A采用3.3V供电电压，采用默认的工作模式，即8位数据总线进行读写，CC430F6127的P2.0～P2.3与CS8900A的SA0～SA3相连充当地址总线，SA8与SA9接高电平，SA4～SA7和SA10～SA19接地，复位时其地址一直为0300H、CC430F6127的P3.0～P3.7与CS89 00A的SD0～SD7相连充当数据线，CS8900A的其余数据线均接地，CC430F6127的P4.0端口与CS890 0A的端口相连作为读控制口，CC430F6127的P4.1端口与CS8900A的端口相连作为写控制口。外接的两个LED指示灯方便观察数据发送状态。为了保护系统安全，在CS8900A与RJ45口的中间采用隔离变压器CL2246X进行隔离连接，起到隔离保护的作用。

3 系统软件设计

通信电源监控系统程序流程如图5所示。首先系统初始化，单片机CC430F6127进入低功耗模式。如果监控中心给监控点发送控制指令，监控点的CC430F6127单片机会发生RF无线电接收中断，此中断会让单片机从低功耗模式中唤醒开始判断监控中心发送的控制指令，并执行相关操作，包括电流、电压、温度的测量等功能。然后将这些参数通过RF无线电模块发送给监控中心。通信电源监控系统不仅需要完成检测参数的功能，还需要监控通信电源提供的电能质量。因此，本系统在间隔5 s后检测通信电源的电能参数，如果所测数据超过警界线范围，就会将报警信息发送给监控中心。监控中心也可以随时修改检测的间隔时间，报警范围等参数。通信电源监控点通过RF无线电将数据发送给监控中心后，监控中心会将接收到的数据重新发送给通信电源监控点，监控点接收完成后开始核对发送数据与接收数据是否相符，如果相同则表示发送成功，如果不相同则重新发送数据，这样可以保证数据发送的可靠性。

4结语

本文设计了一种基于Web和CC430F6127单片机的通信电源监控系统。本系统组网灵活，功耗低，能够将多个通信电源监控站点的情况及时传输给监控中心，以供实时分析。系统运行稳定可靠，有较大应用前景。