基于μC/OS-II的基站監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn)

摘要：為提高通信基站監(jiān)控終端的可靠性和事件處理能力，本文介紹采用 16位 RISC架構嵌入式微處理器 R8800實現(xiàn)基站監(jiān)控終端的設計。利用 Paradigm C++ 5.1集成環(huán)境編寫監(jiān)控終端控制程序，實現(xiàn)μC/OS-II在 R8800上的移植。通過實裝調(diào)試，設計的任務程序能在硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)下穩(wěn)定工作，實現(xiàn)了監(jiān)控終端對環(huán)境模擬量和開關量信息的采集，對智能電源、空調(diào)設備和通風系統(tǒng)的通信與控制，與區(qū)域監(jiān)控中心進行遠程通信。

近年來，隨著移動通信業(yè)務的迅猛發(fā)展，尤其是 3G通信網(wǎng)建設的進行，通信基站的建設數(shù)量與日俱增。通信運營商對快速建站、降低基站綜合成本和運營維護成本的要求更加迫切?；颈O(jiān)控終端，可做到基站無人值守、遠程監(jiān)控，給基站內(nèi)設備提供一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，能夠明顯降低運營商的維護和管理成本，具有很高的應用價值。設計基站監(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行，對于各種異常和故障如何及時做出準確的報警，以及面向使用者的人性化設計等方面。

1 監(jiān)控終端硬件設計

1.1 功能描述基站監(jiān)控終端主要有 3個要求：門禁功能(對進入基站的人員進行身份驗證)、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做出報警)。

本監(jiān)控終端的硬件結構如圖 1所示。基站內(nèi)智能電源、空調(diào)和通風系統(tǒng)，通過標準數(shù)據(jù)通信接口與本監(jiān)控終端傳輸設備和控制信息。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。通風系統(tǒng)由風機和百葉窗組成，相對空調(diào)系統(tǒng)而言的結構簡單，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、煙感和與門禁相關的干結點開關信號，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(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計并下載邏輯電路程序。FPGA除了對 16C554的片選、多路選擇開關、數(shù)模轉(zhuǎn)換、FLASH芯片的譯碼外，還負責鍵盤輸入、水浸、門狀態(tài)、鎖芯狀態(tài)、出門按鈕、紅外、煙感信號的干結點開關信號輸入，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 6個收發(fā)單元， 3個 RS232端口，連接通風系統(tǒng)、時隙提取設備和 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，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)控終端的軟件設計

2.1軟件任務模塊軟件部分由 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，程序的結構變得非常清晰，根據(jù)程序的功能劃分出各個任務(task)，系統(tǒng)任務示意如圖 2所示，利用μC/OS-II提供的信號量、郵箱等進行各個任務之間的同步、數(shù)據(jù)交換以及對共享資源進行保護[4]。

系統(tǒng)設計了開機任務，中斷服務，用戶任務。

(1)開機任務( TaskStart)。系統(tǒng)進行自檢，按程序規(guī)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(tǒng)進入主程序啟動多任務環(huán)境，運行所有默認系統(tǒng)任務和用戶任務。開機任務完成后進行自我刪除。

(2)中斷服務程序( Inttask0～Inttask5)。中斷服務程序主要是 R8800響應 16C554串口擴展芯片的接收信息的中斷請求，進入相應的處理程序(幀接受任務 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行判斷，調(diào)用系統(tǒng)相應模塊或任務，并回應主叫命令 (幀處理任務 TaskUart0Handle～ TaskUart5Handle)。

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

A.鍵盤掃描任務 (TaskUser0_KeyBoard)，采用任務循環(huán)，對鍵盤信息(鍵盤由 FPGA進行掃描，將鍵盤信息存在 FPGA的 RAM中)進行動態(tài)掃描，當?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( TaskUser1_DataCollection)，采用任務循環(huán)，數(shù)據(jù)采集任務包括模擬量和干結點開關量的數(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中的模擬量和開關量數(shù)據(jù)進行分析處理，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、隨機噪聲的干擾，從而進一步提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

C.溫度控制任務( TaskUser2_TemperatureControl)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集任務中獲得室內(nèi)外的溫度狀況，在兼顧考慮節(jié)能等要求的情況下，決定控制環(huán)境的策略(采用通風系統(tǒng)還是空調(diào)系統(tǒng)，還是兩者都采用)。

D.門禁控制任務( TaskUser3_DoorGuard)，根據(jù)數(shù)字量(門磁、鎖芯和紅外傳感器)信號，如果同時有門磁告警和紅外告警判定為人員入侵，啟動報警任務進行報警。

E.報警任務( TaskUser4_Alarm)，從通信、數(shù)據(jù)采集任務和門禁控制任務等處獲得系統(tǒng)的異常和故障情況，及時調(diào)用幀發(fā)送任務向監(jiān)控中心和維護人員報警，報警信息包括基站識別號、告警類型及屬性值、告警時間等。

此外，還有中斷服務程序中提到的幀處理任務，幀發(fā)送任務，鍵盤處理任務，顯示任務，查詢?nèi)蝿?供查詢歷史數(shù)據(jù))，設置任務(設置系統(tǒng)運行參數(shù))。

2.2 Paradigm C++集成環(huán)境下程序的編寫 監(jiān)控終端軟件基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，由上述各程序模塊組成，在 Paradigm C++

5.1集成環(huán)境下編譯和調(diào)試通過( Paradigm C++是美國 Devtools公司開發(fā)的 80x86集成開發(fā)環(huán)境)。Paradigm C++ IDE帶有可視化助理 (Visual Assist)的編輯器(Editor)、編譯器 (Compiler/Assembler)、連接工具 (Linker)、定位器 (Locater)、Lint工具和集成調(diào)試器(Integrated debugger)。Paradigm的集成調(diào)試器屏蔽了硬件特殊性，提供了一個標準的軟件接口，主機上的 Paradigm調(diào)試器通過 RS232串口與本終端目標板建立通信連接，進行軟件調(diào)試 [5][6]。

通常移植μC/OS-II需要注意的兩點問題：

(1)與硬件有關問題，由于 R8800與 x86指令兼容，所以 μC/OS-II的移植根據(jù)參考文獻 4和 R8800說明文檔編寫與處理器相關的代碼，系統(tǒng)采用 40MHz的晶振，由于定時器與時鐘節(jié)拍有關，修改定時器相關的設置。

(2)與編譯器有關問題，由于 Paradigm C++集成開發(fā)環(huán)境包括的編譯器和匯編器與 Borland兼容，所以 μC/OS-II移植代碼基本與參考文獻 4一致。

3 結束語

本基站監(jiān)控終端是基于 16位微處理器和實時操作系統(tǒng) μC/OS-II的設計，在可靠性和對事件的處理能力、特別是通信能力上明顯優(yōu)于八位機處理系統(tǒng)。在實驗中，實現(xiàn)了區(qū)域監(jiān)控中心對基站設備運行狀態(tài)和環(huán)境參量的監(jiān)控。監(jiān)控終端能夠記錄和存儲相關的重要數(shù)據(jù)，顯示運行情況。實現(xiàn)了集成化、智能化、網(wǎng)絡化的集中監(jiān)控，實現(xiàn)了基站的無人值守，節(jié)約了人力資源成本。