基于AISG协议的电调天线控制器设计

胡晶晶，季彦呈，李骏马

（南通大学，江苏 南通 226019）

0 引言

随着时代的发展和社会的进步，人们对无线通信的需求和网络质量的要求也与日俱增，无线网络优化问题变得越来越重要。网络运营商也更加关注网络质量的提高和改进。网络优化是提高移动网络质量最直接有效的方法，也是网络通信中的关键技术，其中基站天线的优化是网络优化的主要方法。网络优化过程中，由于改变天线高度的做法实现难度较高，所以经常通过调整天线倾斜角度来改变小区覆盖范围。选择合适的倾斜角可以得到合适覆盖范围，使得干扰减到最小，从而得到最佳的信号强度。

根据天线的倾角是否可调，将天线分为电调天线和非电调天线。非电调天线就是传统的机械天线，在恶劣天气下无法优化、调整天线，不能及时解决“容量呼吸”问题，短时间难以进行整网优化。电调天线能够实现远程调整，调节优化效率高，实时性强，实际覆盖范围更接近网络预测规划，让覆盖更加精细[1]。AISG协议是由世界主流的移动通信系统厂商和微波天线相关厂家联合制定的天线智能化设备与基站之间的通信规范[2]。以此实现不同厂家的电调天线设备的兼容性和互操作性。现在常用的方案是使用天线姿态测试仪，将系统平台内的基站新数据天线更新到天线姿态测试仪，还不是真正意义上的远程控制[3]。

本系统中采用电脑端进行远程控制，整个系统的拓扑结构如图1所示，主站发送命令给远程控制单元。根据由天线接口标准组制定的AISG协议，确保天线和控制基础设施的基本互操作。该协议在天线线路设备处定义了标准数据接口，通过该标准数据接口可以远程控制设备的功能参数[4-7]，实现真正意义上的远程调控。

图1 电调天线控制系统拓扑结构Fig.1 Topology structure of electric tunable antenna control system

1 硬件设计

1.1 硬件结构

该系统采用ATmega128作为主控芯片，其系统结构如图2所示。远程控制单元的硬件结构包括主控模块、电源转换模块、电机驱动模块、霍尔反馈模块、RS 485通信模块等。

图2电调天线控制系统的硬件结构Fig.2 Hardware structure of electric tunable antenna control system

1.2 电源转换模块

图3 是供电系统结构框图，电源转换模块提供5 V和12 V电压，分别给RS 485芯片、主控模块芯片、霍尔传感器芯片以及电机驱动模块供电。

1.3 RS 485通信模块

AISG协议规定物理层采用RS 485标准通信方式。通过AISG通信接口将天线的状态消息反馈给主站，主站根据收到的信息，通过AISG给RCU发送命令，完成RCU和主站的通信。AISG通信接口通过RS 485通信模块给RCU主控芯片传输信号，主控芯片根据所得信号作出相应反馈，并将信号发送给电机驱动模块来驱动电机。

RS 485通信模块采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。RS 485采用半双工方式工作，任何时候只能有一点处于发送或者接收状态。RS 485可以多点互连构成分布式系统，其布线简单，稳定可靠。RS 485通信模块图如图4所示。

图3 供电系统结构图Fig.3 Block diagram of system power supply structure

图4 RS 485通信模块Fig.4 RS 485 communication module

1.4 直流电机模块

霍尔传感器实时反馈电机运转情况，当直流电机在运转的过程中，主传动轴每转动一圈产生1 600霍尔脉冲。根据霍尔传感器输出的脉冲信号，可知电机运行的位置以及状态，得出电调天线的角度，精度可以达到0.005°（同市场上电调天线控制单元相比，精度提升两个级别）。图5是电机驱动模块的电路图。

图5 电机驱动模块电路图Fig.5 Circuit diagram of motor drive module

1.5 防雷模块

当控制单元在外部环境带电工作时易受到雷电和干扰信号的影响，为保护设备在恶劣环境下能正常工作，需要对电调设备做防雷处理[8]。本设计中，采用RS 485通信接口防雷和远程控制单元外壳接地防雷。RS 485通信接口防雷中，加入陶瓷气体放电管，利用陶瓷放电管特性和限流保护电阻使其在遭受雷击时保护电路。其中，陶瓷放电管作第一道防雷，再使用二极管组成第二道防雷，如图6所示。

图6 RS 485通信防雷接口Fig.6 Anti-thunder interface of RS 485 communication module

2 软件部分

2.1 软件整体思想

AISG协议定义了物理层、数据链路层和应用层[9]。物理层定义了控制系统的传输介质、信号电平、基本数据特性及连接器类型。数据链路层遵循HDLC协议，完成数据链路的建立、保持、断开以及复位等功能。应用层能够实现主从站之间相互通信，从站按照主站命令能够正常进行校正以及设置角度。图7给出了AISG 2.0的通信流程。电调天线远程控制器实现的主要功能是控制电调天线使其按照规定角度运行。

图7 AISG 2.0通信链路Fig.7 AISG 2.0 communication link

2.2 AISG 2.0协议帧

AISG协议的数据链路层以帧的形式传输[10]。AISG 2.0中，HDLC帧格式如表1所示，主要包括起始标志、地址域、控制域、信息域、CRC校验码、结束标志。起始标志和结束标志是0x7E。地址域范围是0x00～0xFF，0x00为从站无地址，0xFF表示广播地址。控制域由一个字节组成，决定命令帧类型，分别是信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。

信息帧（I frame）含有信息域，主要用于应用层命令的发送和响应，主站向从站发送控制命令，如软件复位、清楚警告、自检命令等。监控帧（S frame）作为轮询帧，查询从站有没有执行完成主站的命令以及流量控制。在响应过程中，一般用监控帧的接收就绪帧（RR帧）和接收未就绪帧（RNR帧），分别表示接收就绪、对方可以继续发送和接收未就绪、对方停止发送。无编号帧，用于数据链路层，提供建立链路，断开链路以及多种控制功能，可以定义32种附加的命令或应答功能，如SNRM帧、DISC/RD帧、XID帧、UA、DM模式等。

表1 HDLC帧格式Table 1 HDLC frame format

系统上电后，主站以广播形式对所有的设备发送扫描帧，当从设备自身序列号与主站发送的掩码进行“与”运算后与主站发送的序列号相匹配，则从站以0x00地址方式响应主站的扫描帧。主站收到从站的扫描响应帧后确认是需要的从站设备后，立即对该从站进行分配地址命令，从站收到分配地址命令帧后以被分配的地址响应主站命令。

当主站复位或者3 min超时断开链接时，从站处于无地址状态，不再受到主站控制。如果主站要重新实现对从站的控制，主站必须以广播形式向所有从设备发送包含唯一设备序列号的XID帧，扫描到一个设备后，继续使用XID帧对从设备进行地址配置，成功后，主站使用SNRM帧发送建立连接命令，链路连接完成后，主站开始发送各种命令，最后在控制结束之后，主站使用DISC帧断开链接命令。

2.3 通信链路的建立

如表2所示，XID参数协商使用特定的格式传输参数。这些参数由一个字节位组格式标识符（FI）代码和一个字节位组组标识符（GI）代码标识。 组长度（GL）是一个字节无符号整数，给出其后参数域长度。参数域是PI/PL/PV值的序列。参数标识符（PI）是识别参数的一个字节代码。参数长度（PL）是一个字节无符号整数，给出参数值（PV）字节长度。参数域PI/PL/PV值的序列可以有多个，并且顺序任意。

表2 XID帧格式Table 2 XID frame format

当FI设置为0x81，GI为0x80时，在从设备中，从设备的HDLC参数取值说明如表3所示。默认时，HDLC I帧在从设备接收和传输的信息域的最大长度为74个8位字节，通过XID参数协商可以改变接收时信息域的长度，但是总是大于等于74个8位字节。表4和表5是地址分配的范例。

表3 GI=0x80，从设备HDLC参数取值说明Table 3 HDLC parameter description of slave device at GI=0x80

表5 从站设备响应的XID帧Table 5 XID frame responded by slave device

2.4 设备重置

在XID帧中，当FI设置为 0x81，GI为 0xF0，PI位置为0x07时为设备重置命令。如果从设备接收到主设备广播（0xFF）的复位命令，则从设备将不作响应直接复位，否则寻址的从设备应在响应后重置。在设备重置命令中，不可以有其他的PI值，且设备重置命令中只有PI和PL，没有PV值。

2.5 小端格式

在CRC计算和存储过程中，采用小端格式将数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。

2.6 扫描算法

主设备可以利用设备扫描帧识别接口上的无地址状态中的所有从站，设备XID扫描帧包括唯一的控制单元设备序列号和等长字节的位掩码。在无地址状态下，用位掩码屏蔽从设备的序列号和主设备发送的XID扫描帧中的设备序列号。在无地址状态下，只有匹配的从设备才能响应主设备的扫描消息。主设备发送一个XID扫描帧，可能会有多个从设备响应碰撞引起乱码。当有且只有一个从设备匹配，标志成功扫描。从设备扫描响应XID帧返回0地址，并返回本设备的序列号、设备类型、厂家代码等。

3 实验结果

控制系统的测试界面如图8～图12所示。分别给出自定义天线配置数据功能下的扫描、地址分配、获取设备信息命令和版本信息以及报警订阅的测试结果。

图8 扫描测试帧的发送和接收Fig.8 Sending and receiving results of test frame for scanning

图9 地址分配测试帧的发送和接收Fig.9 Sending and receiving results of test frame for address allocation

图10 获取设备信息测试帧的发送和接收Fig.10 Sending and receiving results of test frame for device information acquisition

图11 获取版本信息测试帧的发送和接收Fig.11 Sending and receiving results of test frame for version information acquisition

图12 报警订阅帧的发送和接收Fig.12 Sending and receiving results of test frame for alarm subscription

远程控制单元实物图如图13～图14所示。

图13 远程控制单元实物图（一）Fig.13 Picture of remote control unit（one）

图14 远程控制单元实物图（二）Fig.14 Picture of remote control unit（two）

4 结 语

基于AISG 2.0协议架构设计控制系统的架构，对软件和硬件模块进行了详细说明，介绍了硬件的整体结构及其电路图，提出基于霍尔传感器实时反馈电机运转情况的控制系统。直流电机在运转的过程中，主传动轴每转动一圈产生1 600霍尔脉冲，精度可以达到0.005°，远远高于市场上的电调天线的精度。控制系统自定义天线配置数据功能，帧通信测试与基本控制功能测试的结果表明，控制单元能够实现对天线的远程控制。