一種基于μC/OS-II的基站監(jiān)控終端設(shè)計

近年來，隨著移動通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，尤其是 3G通信網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)行，通信基站的建設(shè)數(shù)量與日俱增。通信運(yùn)營商對快速建站、降低基站綜合成本和運(yùn)營維護(hù)成本的要求更加迫切。基站監(jiān)控終端，可做到基站無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控，給基站內(nèi)設(shè)備提供一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，能夠明顯降低運(yùn)營商的維護(hù)和管理成本，具有很高的應(yīng)用價值。設(shè)計基站監(jiān)控系統(tǒng)的核心問題在于如何保證各功能模塊和監(jiān)控模塊自身的正常運(yùn)行，對于各種異常和故障如何及時做出準(zhǔn)確的報警，以及面向使用者的人性化設(shè)計等方面。

1 監(jiān)控終端硬件設(shè)計

1.1 功能描述基站監(jiān)控終端主要有 3個要求：門禁功能(對進(jìn)入基站的人員進(jìn)行身份驗證)、環(huán)境控制功能(為設(shè)備提供安全合適的環(huán)境)、報警功能(對各種故障和異常及時做出報警)。

本監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示?；緝?nèi)智能電源、空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信接口與本監(jiān)控終端傳輸設(shè)備和控制信息。智能電源能夠自動管理和切換市電和蓄電池，為站內(nèi)設(shè)備提供穩(wěn)定的-48V電源，空調(diào)系統(tǒng)使用專用的空調(diào)柜機(jī)及工業(yè)級控制模塊，可以改善站內(nèi)溫濕度環(huán)境，這兩者與終端采用 RS485連接。通風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和百葉窗組成，相對空調(diào)系統(tǒng)而言的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，且較為省電，是優(yōu)先使用的溫度控制手段，通風(fēng)系統(tǒng)與終端采用 RS232連接。監(jiān)控終端需要采集交直流電源電壓電流數(shù)據(jù)，溫濕度等模擬量數(shù)據(jù)，采集水浸、煙感和與門禁相關(guān)的干結(jié)點開關(guān)信號，監(jiān)控終端具有本級顯示和鍵盤輸入功能。監(jiān)控終端通過時隙提取設(shè)備、撥號 MODEM、外置 GSM MODEM 3種手段向區(qū)域監(jiān)控中心傳送基站狀態(tài)參數(shù)和報警數(shù)據(jù)，本終端設(shè)計了與這 3種通信設(shè)備硬件接口和軟件協(xié)議。

1.2硬件設(shè)計

監(jiān)控終端選擇 RDC公司的 R8800作為 CPU。R8800微控制器是 16位 RISC嵌入式微處理器，指令集與 x86兼容， R8800可以與 AM186EM相互替換，昀高工作頻率達(dá)到 40MHz。 R8800具有 1M的尋址空間， 32個 PIO管腳，7個內(nèi)部中斷，6個外部中斷，3個定時器， 1個 Uart，WDT看門狗，100QFP/LQFP封裝[3]。本終端采用兩塊 128K × 8-bit Flash ROM，兩塊 128K × 8-bit Static RAM，滿足 1M的尋址空間。

利用現(xiàn)場可編程門陣列( FPGA)設(shè)計 CPU外設(shè)的譯碼電路，本終端采用 Xilinx XCS20芯片，該芯片具有 2萬門，160個 IO端口，具有 JTAG調(diào)試端口，芯片不必脫離線路板就可以更新設(shè)計并下載邏輯電路程序。FPGA除了對 16C554的片選、多路選擇開關(guān)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、FLASH芯片的譯碼外，還負(fù)責(zé)鍵盤輸入、水浸、門狀態(tài)、鎖芯狀態(tài)、出門按鈕、紅外、煙感信號的干結(jié)點開關(guān)信號輸入，液晶顯示輸出，門鎖和照明的控制，與實時時鐘 HT1380的串行通信。

本終端通過兩個異步通信芯片 16C554外擴(kuò) 6個收發(fā)單元， 3個 RS232端口，連接通風(fēng)系統(tǒng)、時隙提取設(shè)備和 GSM MODEM，2個 RS485端口，連接工業(yè)空調(diào)和智能電源，還有 1個獨立的收發(fā)控制電路與撥號 MODEM接口。16C554內(nèi)含 4個 16C550異步通信單元，每個單元獨立控制發(fā)送與接收，且具有 16字節(jié) FIFO以減少中斷請求次數(shù)，波特率發(fā)生器可編程。本終端用了 6個 16C550單元，這六路通信中斷接至 R8800的六個外部中斷端口上，實現(xiàn)通信接收信息中斷。

表征各種環(huán)境參量的傳感器的輸出信號經(jīng)過預(yù)處理輸出一系列的模擬信號，模擬信號經(jīng)過多路選擇開關(guān)送給 A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入 FLASH芯片進(jìn)行存儲。

鍵盤選用通用 4×4按鈕鍵盤，包括： 10個數(shù)字鍵、上下鍵、確認(rèn)鍵、返回鍵。選擇 8279芯片作為鍵盤接口芯片，它能自動完成鍵盤的掃描輸入，能自動清除按鍵抖動，并實現(xiàn)多鍵同時按下的保護(hù)，減輕軟件負(fù)擔(dān)。液晶顯示器件選擇了帶有接口芯片 ST7920的圖形點陣式液晶顯示模塊 LCM12864，顯示分辨率為 128×64，它具有多種接口方式和三種顯示方式(圖形方式、文本方式及圖形和文本合成方式)，內(nèi)部具有字符發(fā)生器，可管理 64K顯示緩沖區(qū)及字符發(fā)生器，允許隨時訪問顯示緩沖區(qū)。

2 監(jiān)控終端的軟件設(shè)計

2.1軟件任務(wù)模塊軟件部分由 R8800控制程序和 FPGA程序組成。由于篇幅的限制，本文主要討論基于 μC/OS-II的監(jiān)控終端軟件設(shè)計。

本系統(tǒng)采用μC/OS-II面向中小型的嵌入式操作系統(tǒng)。采用 μC/OS-II實時系統(tǒng)之后，程序的結(jié)構(gòu)變得非常清晰，根據(jù)程序的功能劃分出各個任務(wù)(task)，系統(tǒng)任務(wù)示意如圖 2所示，利用μC/OS-II提供的信號量、郵箱等進(jìn)行各個任務(wù)之間的同步、數(shù)據(jù)交換以及對共享資源進(jìn)行保護(hù)[4]。

系統(tǒng)設(shè)計了開機(jī)任務(wù)，中斷服務(wù)，用戶任務(wù)。

(1)開機(jī)任務(wù)( TaskStart)。系統(tǒng)進(jìn)行自檢，按程序規(guī)定的流程檢測所有設(shè)備是否正常工作。自檢成功后，命令系統(tǒng)進(jìn)入主程序啟動多任務(wù)環(huán)境，運(yùn)行所有默認(rèn)系統(tǒng)任務(wù)和用戶任務(wù)。開機(jī)任務(wù)完成后進(jìn)行自我刪除。

(2)中斷服務(wù)程序( Inttask0～I(xiàn)nttask5)。中斷服務(wù)程序主要是 R8800響應(yīng) 16C554串口擴(kuò)展芯片的接收信息的中斷請求，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序(幀接受任務(wù) TaskUart0Receive～ TaskUart5Receive)，首先對幀信息的完整性與正確性做出判斷，對接收到的命令幀進(jìn)行判斷，調(diào)用系統(tǒng)相應(yīng)模塊或任務(wù)，并回應(yīng)主叫命令 (幀處理任務(wù) TaskUart0Handle～ TaskUart5Handle)。

(3)用戶任務(wù)。該軟件系統(tǒng)擁有 16個任務(wù)，數(shù)據(jù)處理和鍵盤處理任務(wù)通過判斷后進(jìn)行任務(wù)切換。主要用戶任務(wù)如下：

A.鍵盤掃描任務(wù) (TaskUser0_KeyBoard)，采用任務(wù)循環(huán)，對鍵盤信息(鍵盤由 FPGA進(jìn)行掃描，將鍵盤信息存在 FPGA的 RAM中)進(jìn)行動態(tài)掃描，當(dāng)?shù)玫叫碌暮戏⊕呙璐a時，就向鍵盤郵箱(KeyBoardMailbox)發(fā)送帶有鍵盤掃描碼信息的消息。

B.數(shù)據(jù)采集任務(wù)( TaskUser1_DataCollection)，采用任務(wù)循環(huán)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)包括模擬量和干結(jié)點開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集，模擬量的采集由 FPGA譯碼控制，將模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入 Flash，開關(guān)量的采集由 FPGA負(fù)責(zé)采集，也存入 Flash中。CPU將 Flash中的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在模擬量數(shù)據(jù)處理上采用去極值求平均法去噪，即對一個檢測點采集多個值去掉昀大值和昀小值然后求平均，這個平均值就作為該點的數(shù)據(jù)值，對數(shù)字量也采用多采集幾次的方法增加可靠性。這樣可以消除突發(fā)脈沖、隨機(jī)噪聲的干擾，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。