一種基于μC/OS-II的基站監控終端設計

近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，尤其是 3G通信網(wǎng)建設的進(jìn)行，通信基站的建設數量與日俱增。通信運營(yíng)商對快速建站、降低基站綜合成本和運營(yíng)維護成本的要求更加迫切。基站監控終端，可做到基站無(wú)人值守、遠程監控，給基站內設備提供一個(gè)穩定可靠的工作環(huán)境，能夠明顯降低運營(yíng)商的維護和管理成本，具有很高的應用價(jià)值。設計基站監控系統的核心問(wèn)題在于如何保證各功能模塊和監控模塊自身的正常運行，對于各種異常和故障如何及時(shí)做出準確的報警，以及面向使用者的人性化設計等方面。

1 監控終端硬件設計

1.1 功能描述基站監控終端主要有 3個(gè)要求：門(mén)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(shí)做出報警)。

本監控終端的硬件結構如圖 1所示?；緝戎悄茈娫?、空調和通風(fēng)系統，通過(guò)標準數據通信接口與本監控終端傳輸設備和控制信息。智能電源能夠自動(dòng)管理和切換市電和蓄電池，為站內設備提供穩定的-48V電源，空調系統使用專(zhuān)用的空調柜機及工業(yè)級控制模塊，可以改善站內溫濕度環(huán)境，這兩者與終端采用 RS485連接。通風(fēng)系統由風(fēng)機和百葉窗組成，相對空調系統而言的結構簡(jiǎn)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)系統與終端采用 RS232連接。監控終端需要采集交直流電源電壓電流數據，溫濕度等模擬量數據，采集水浸、煙感和與門(mén)禁相關(guān)的干結點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號，監控終端具有本級顯示和鍵盤(pán)輸入功能。監控終端通過(guò)時(shí)隙提取設備、撥號 MODEM、外置 GSM MODEM 3種手段向區域監控中心傳送基站狀態(tài)參數和報警數據，本終端設計了與這 3種通信設備硬件接口和軟件協(xié)議。

1.2硬件設計

監控終端選擇 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，昀高工作頻率達到 40MHz。 R8800具有 1M的尋址空間， 32個(gè) PIO管腳，7個(gè)內部中斷，6個(gè)外部中斷，3個(gè)定時(shí)器， 1個(gè) Uart，WDT看門(mén)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(mǎn)足 1M的尋址空間。

利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列( FPGA)設計 CPU外設的譯碼電路，本終端采用 Xilinx XCS20芯片，該芯片具有 2萬(wàn)門(mén)，160個(gè) IO端口，具有 JTAG調試端口，芯片不必脫離線(xiàn)路板就可以更新設計并下載邏輯電路程序。FPGA除了對 16C554的片選、多路選擇開(kāi)關(guān)、數模轉換、FLASH芯片的譯碼外，還負責鍵盤(pán)輸入、水浸、門(mén)狀態(tài)、鎖芯狀態(tài)、出門(mén)按鈕、紅外、煙感信號的干結點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號輸入，液晶顯示輸出，門(mén)鎖和照明的控制，與實(shí)時(shí)時(shí)鐘 HT1380的串行通信。

本終端通過(guò)兩個(gè)異步通信芯片 16C554外擴 6個(gè)收發(fā)單元， 3個(gè) RS232端口，連接通風(fēng)系統、時(shí)隙提取設備和 GSM MODEM，2個(gè) RS485端口，連接工業(yè)空調和智能電源，還有 1個(gè)獨立的收發(fā)控制電路與撥號 MODEM接口。16C554內含 4個(gè) 16C550異步通信單元，每個(gè)單元獨立控制發(fā)送與接收，且具有 16字節 FIFO以減少中斷請求次數，波特率發(fā)生器可編程。本終端用了 6個(gè) 16C550單元，這六路通信中斷接至 R8800的六個(gè)外部中斷端口上，實(shí)現通信接收信息中斷。

表征各種環(huán)境參量的傳感器的輸出信號經(jīng)過(guò)預處理輸出一系列的模擬信號，模擬信號經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)送給 A/D轉換芯片，A/D轉換芯片把轉換后的數據送入 FLASH芯片進(jìn)行存儲。

鍵盤(pán)選用通用 4×4按鈕鍵盤(pán)，包括： 10個(gè)數字鍵、上下鍵、確認鍵、返回鍵。選擇 8279芯片作為鍵盤(pán)接口芯片，它能自動(dòng)完成鍵盤(pán)的掃描輸入，能自動(dòng)清除按鍵抖動(dòng)，并實(shí)現多鍵同時(shí)按下的保護，減輕軟件負擔。液晶顯示器件選擇了帶有接口芯片 ST7920的圖形點(diǎn)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)，內部具有字符發(fā)生器，可管理 64K顯示緩沖區及字符發(fā)生器，允許隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)顯示緩沖區。

2 監控終端的軟件設計

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的監控終端軟件設計。

本系統采用μC/OS-II面向中小型的嵌入式操作系統。采用 μC/OS-II實(shí)時(shí)系統之后，程序的結構變得非常清晰，根據程序的功能劃分出各個(gè)任務(wù)(task)，系統任務(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(gè)任務(wù)之間的同步、數據交換以及對共享資源進(jìn)行保護[4]。

系統設計了開(kāi)機任務(wù)，中斷服務(wù)，用戶(hù)任務(wù)。

(1)開(kāi)機任務(wù)( TaskStart)。系統進(jìn)行自檢，按程序規定的流程檢測所有設備是否正常工作。自檢成功后，命令系統進(jìn)入主程序啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境，運行所有默認系統任務(wù)和用戶(hù)任務(wù)。開(kāi)機任務(wù)完成后進(jìn)行自我刪除。

(2)中斷服務(wù)程序( Inttask0～Inttask5)。中斷服務(wù)程序主要是 R8800響應 16C554串口擴展芯片的接收信息的中斷請求，進(jìn)入相應的處理程序(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，調用系統相應模塊或任務(wù)，并回應主叫命令 (幀處理任務(wù) TaskUart0Handle～ TaskUart5Handle)。

(3)用戶(hù)任務(wù)。該軟件系統擁有 16個(gè)任務(wù)，數據處理和鍵盤(pán)處理任務(wù)通過(guò)判斷后進(jìn)行任務(wù)切換。主要用戶(hù)任務(wù)如下：

A.鍵盤(pán)掃描任務(wù) (TaskUser0_KeyBoard)，采用任務(wù)循環(huán)，對鍵盤(pán)信息(鍵盤(pán)由 FPGA進(jìn)行掃描，將鍵盤(pán)信息存在 FPGA的 RAM中)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，當得到新的合法掃描碼時(shí)，就向鍵盤(pán)郵箱(KeyBoardMailbox)發(fā)送帶有鍵盤(pán)掃描碼信息的消息。

B.數據采集任務(wù)( TaskUser1_DataCollection)，采用任務(wù)循環(huán)，數據采集任務(wù)包括模擬量和干結點(diǎn)開(kāi)關(guān)量的數據采集，模擬量的采集由 FPGA譯碼控制，將模數轉換數據存入 Flash，開(kāi)關(guān)量的采集由 FPGA負責采集，也存入 Flash中。CPU將 Flash中的模擬量和開(kāi)關(guān)量數據進(jìn)行分析處理，在模擬量數據處理上采用去極值求平均法去噪，即對一個(gè)檢測點(diǎn)采集多個(gè)值去掉昀大值和昀小值然后求平均，這個(gè)平均值就作為該點(diǎn)的數據值，對數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、隨機噪聲的干擾，從而進(jìn)一步提高了系統的抗干擾性和穩定性。