基于MCU的通信基站电源监控系统的开发

李方健

(重庆电子工程职业学院，重庆401331)

现代移动通信已经是国民生产及人民生活中必不可少的环节，而随着移动通信用户人数不断增多，通信网络的规模也在不断地扩大，而通信基站作为通信网络的基础环节，其工作的稳定性直接关系通信网络的可靠性。

通信电源是通信基站的动力心脏。据不完全统计，通信基站80%的故障都来自于电源系统工作的不稳定性，因此，加强通信电源工作的可靠性和稳定性是提高通信网络整体传输质量，降低故障率的关键。

要实现以上的目标，就要实现对通信电源及其运行环境的监控功能。而随着传感器技术及通信技术的不断发展，对移动通信基站的电源进行远程的实时监测已成为可能。

1 监控系统整体功能分析

基站中的通信设备用电大多采用直流电，主要分为两种，一种是直流±48 V，另一种是直流±24 V[2]。目前国内基站大多采用－48 V/50 A 电源模块组成100～600 A 的基于PWM 模式的开关电源。监控的内容包括三相电的电压、电流、无功、有功、频率等质量指标；还有断相、过压、电流异常等故障指标；低压配电、蓄电池电压、发电机发电情况及环境的温度和湿度等数据[1]。

通信基站远程监控系统的整体结构如图1 所示，系统主要由三部分组成：通信电源数据采集系统、远程传输系统、远端管理中心。其中通信电源数据采集系统主要采用电流互感器、电压采集电路、温度传感器、湿度传感器等对各项数据进行采集，采集的数据通过A/D 转换接口送入MCU 控制器的串口，数据在MCU 中进行简单处理之后，通过基站的通信功能发射出去，经远端管理中心的接收端进行信号接收后，进行进一步的数据处理、分析、统计，并按照标准运行数据的范围确定出设备的运行状态，发出控制指令，控制指令经通信网络返回至基站MCU 单元的输入端，MCU 的输入端经D/A 转换器或直接连接执行机构，从而起到远程控制的目的。

图1 通信基站电源监控体系统的整体结构框图

2 电源监控系统硬件选型分析

电源监控系统的硬件以单片机为核心元件，并设计了相应的外围电路以实现相应的数据采集功能、执行机构的执行、信号的输入及输出等功能。系统硬件结构如图2 所示

图2 系统硬件结构图

作为整个电源监控系统下位机的核心，MCU 通过总线、控制线和串行线来访问所有外围模块器件，承担着信号的采集、数据的运算与上传的主要任务，同时还要对整个监控系统的各部分模块的工作进行控制和协调。为了完成以上功能，本设计的主控单元选用STC12C5410AD 芯片，该芯片除具有中央处理器、Flash (程序)、512Byte 的 RAM (数据存储器)、EEPROM 功能之外，还具有定时/ 计数器、I/O 接口、异步串行UART 接口和中断系统、同步通信SPI 接口、高速A/D 转换模块、PWM(或捕捉/比较单元)以及硬件看门狗、电源监控、片内RC 振荡器等模块。因此STC12C5410AD 单片机基本包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可以很容易地构造相应的测控系统。

硬件的第二部分是采样处理模块的构建。在本系统中，需要进行采样的数据主要有市电的电压、电流，蓄电池的电压、电流、温度，发电机的电压、电流等，同时还要对电源运行的环境的温度与湿度等参数进行记录和分析。这些参数大多都是模拟量，由于STC12C5410AD 芯片上集成了8 路10 位精度A/D 转换模块，所以可以不外接A/D 器就可以保证数据采集的精度。

市电三相电电流的采集采用诺德威牌的LRB 贯穿式电流互感器来完成，输入输出比设定为20 A(100)/10 mA，为了减小输入误差，电流采样采用差分输入方法，电路如图3 所示。

发电机的电流采样也采用和三相市电电流采集相同的方式，所不同的是采用变压器将发电机的输出电压由220 V 转换成12 V，这样起到隔离高压、减少外界干扰的目的。

蓄电池的电流及电压采用电压与电流传感器来采集。采集后的数据与发电机、市电的采集数据一同传入电能计量芯片ATT7022B 进行各路电能的测量与计算。

ATT7022B 是一款七路电能专用计量芯片，其中三路用于三相电压采样、三路用于三相电流采样，最后一路用于零线电流的计算。

图3 电流采样电路

所有的采集信号利用6 对12 条信号线输入至ATT7022B芯片。在ATT7022B 芯片中进行电能信息的处理后输入至单片机中。ATT7022B 芯片利用SPI 接口与STC12C5410AD 单片机相连，连接时会使用到6 条连线，其中4 条是SPI 口接线DIN、DOUT、CS、SCLK 及一条 ATT7022B 复位线和一条信号线SIG。

此外，系统还提供了环境温度与湿度信息的采集，基站直流电压信号的采集，这些信号的采集均利用温度与湿度传感器、电压传感器来完成，采集的信号输入至单片机中进行处理。

底层数据采用CAN 总线进行传输，输入和输出采用按键和液晶显示仪完成，各继电器通过异步串行通信进行控制。

3 监控系统上位机说明

上位机程序包括主程序模块、数据处理模块、输入输出处理模块、控制模块及通信模块等。

数据处理模块主要完成采集数据的处理、统计、分析的任务，而后将分析的结果传送给控制模块；

控制模块接收了来自于数据处理模块的分析结果，生成对应于下位机的控制命令，同时采用远程通信的方式将控制命令下达至单片机，实现远程操控；

输入输出处理模块、通信模块用来完成构建监控层的人机交互及远程通信功能。

4 结论

本文设计了以MCU 为主控方式的通信基站电源监控系统。该系统以STC12C5410AD 芯片为核心，以各种传感器为数据采集方式，以继电器作为执行控制端。

各路传感器所采集的数据采用了三级处理方式：第一级为利用ATT7022B 进行电能的计算；第二级利用单片机处理后上传至远程数据处理中心；第三级的处理在远程处理中心，对所有数据进行进一步的分析和统计，从而保证了数据的准确性。

[1]梁强.基站通信电源及其监控系统的设计与研究[D].天津：天津大学，2007：1-2.

[2]崔恒源.移动通信基站电源监控系统的设计及实现[D].长沙：湖南大学，2009：9-10.