本系統(tǒng)中的AISG通信接口電路如圖2所示。由于天線一般都分布在相對較高而且空曠的地帶，因而RCU通信接口的防雷功能必不可少。本通信接口電路的防雷部分包括氣體放電管、PTC和TVS三部分。氣體放電管構(gòu)成第一道防雷保護，PTC和TVS作為第二道防線，進一步保證了通信接口的防雷性能。考慮到所有的RET控制器都是掛在空中，最后通過基站單點接到大地，不存在大地電位差，因而采用了非隔離的方案。
2.2 電機控制模塊
電機控制驅(qū)動模塊的核心是Allegro公司的步進電機驅(qū)動芯片A3977。該芯片具有1/2、1/4及1/8等微步模式。本系統(tǒng)中通過軟件配置使MS1為高電平、MS2為低電平，電機工作在半步模式，MCU每發(fā)400個脈沖電機轉(zhuǎn)動一圈。A3977輸出驅(qū)動器容量為35 V、2.5 A，內(nèi)部包括一個固定停機時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在低、快或混合衰減模式下工作，從而可以有效降低電機噪音，增加步進精確度并減少功率耗散。
2.3 存儲模塊
存儲模塊主要包括天線相關(guān)的參數(shù)存儲和RCU固件存儲。天線參數(shù)存儲采用鐵電存儲器FM24LC16，其中包括產(chǎn)品序列號、天線參數(shù)、天線配置數(shù)據(jù)和移相器配置數(shù)據(jù)等。選用鐵電存儲器的主要原因是：AISG協(xié)議中規(guī)定，RCU收到基站的命令后，必須在10 ms之內(nèi)發(fā)出回應(yīng)幀，否則就認為通信超時，這就要求向存儲器中寫入天線參數(shù)的命令必須在10 ms內(nèi)完成；考慮到執(zhí)行程序的時間消耗，在天線數(shù)據(jù)較多的情況下，普通的EEPROM無法滿足要求；鐵電存儲器相比于EEPROM寫入速度快，寫入過程無需等待，可以滿足這一要求。RCU固件存儲則采用了μPSD單片機的內(nèi)部Flash。利用μPSD單片機內(nèi)部特有的Flash結(jié)構(gòu)，將正在執(zhí)行的固件和更新的固件都存儲在單片機的片內(nèi)Flash中，從而省去了外部存儲器，既節(jié)省了BOM成本，又提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性。
2.4 電源模塊
AISG2.0協(xié)議規(guī)定供電電壓范圍為10 V～30 V。由于本設(shè)計中電調(diào)天線移相器需要較大的扭矩，因而選用了供電電壓為12 V的步進電機，這就對系統(tǒng)供電提出一個挑戰(zhàn)，即當(dāng)供電電壓高于12 V時需要降壓，當(dāng)供電電壓低于12 V時需要電源電路升壓。本設(shè)計采用了先降壓后升壓的電路結(jié)構(gòu)，先將輸入電壓降到8 V，再升壓至12 V，為步進電機供電。系統(tǒng)供電則從8 V再經(jīng)過一級LDO轉(zhuǎn)化為3.3 V。電源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
電源模塊設(shè)計中需要注意以下問題：
(1)系統(tǒng)電源入口的防雷保護。本系統(tǒng)采用了由氣體放電管和TVS構(gòu)成的雙重防護模式，中間加100 μH電感隔離。這樣在前端發(fā)揮了氣體放電管放電電流大的優(yōu)點，在后端則發(fā)揮了TVS電壓靈敏度高的優(yōu)點，有效地保護了系統(tǒng)的供電免受雷擊浪涌損害。
(2)輸入浪涌電流限制。
(3)EMC測試中的傳導(dǎo)輻射，主要是測試設(shè)備中電源對系統(tǒng)供電的影響，反映在電壓上就是RCU對系統(tǒng)供電產(chǎn)生的電壓紋波，按照AISG協(xié)議規(guī)定，要求在電機不工作時電壓紋波小于25 mV，電機轉(zhuǎn)動時電壓紋波小于75 mV。這個指標(biāo)非常嚴(yán)格，如果不加抑制傳導(dǎo)輻射的濾波電路，則很難滿足協(xié)議要求。本設(shè)計中，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)噪聲主要集中在低頻段，大于150 kHz～5 MHz的范圍內(nèi)，因而本系統(tǒng)采用了2個100 ?滋H的差模電感和0.22 μF的MLCC電容，以抑制差模噪聲。
3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件分為3個模塊：AISG協(xié)議棧模塊、電機閉環(huán)控制模塊、固件下載及更新模塊。
3.1 AISG協(xié)議棧設(shè)計
AISG2.0協(xié)議共包括3層，對應(yīng)到OSI模型分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。RCU中AISG協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4所示。物理層采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，為半雙工通信。將單片機的UART0轉(zhuǎn)為485電氣特性，在單片機串口中斷中完成數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層：AISG2.0協(xié)議的第二層是HDLC協(xié)議的一個子集，采用了HDLC協(xié)議中正常響應(yīng)模式下的非平衡通信方式，并支持為應(yīng)用層提供虛擬全雙工的通信鏈路。共支持4種幀格式：I幀、XID幀、U幀和S幀。應(yīng)用層負責(zé)天線下傾角控制和狀態(tài)監(jiān)測等功能的相關(guān)命令，收到相應(yīng)命令后執(zhí)行具體的功能，并在規(guī)定時間內(nèi)向基站返回執(zhí)行結(jié)果。
AISG2.0協(xié)議的通信模型與一般的網(wǎng)絡(luò)模型非常相似。但是在AISG協(xié)議棧的設(shè)計中有一點需要注意：AISG2.0的物理層是單雙工的，數(shù)據(jù)鏈路層卻通過一種特殊的查詢機制，為上層實現(xiàn)了類似全雙工的功能。因而對于應(yīng)用層來講，通信鏈路完全是全雙工的，作為從機的RCU，從應(yīng)用層的角度同樣可以自主向主機發(fā)送信息，如RCU可以主動向基站上報告警，及時反饋控制過程的信息。
3.2 電機閉環(huán)控制模塊
眾所周知，步進電機通常應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動電調(diào)天線移相器，需要控制單元能夠及時地檢測移相器是否卡死，并且能夠檢測步進電機在調(diào)節(jié)下傾角過程中是否有明顯的丟步現(xiàn)象。這種情況下，單純的步進電機開環(huán)控制無法滿足實際應(yīng)用需求，本系統(tǒng)采用了帶有霍爾傳感器反饋的步進電機控制系統(tǒng)。在電機軸后端安裝霍爾傳感器和五枚永磁體，電機采用二分之一微步的控制方式，每400個脈沖，電機轉(zhuǎn)動一圈。這樣MCU每發(fā)80個脈沖就應(yīng)該檢測到一個脈沖。如果累計超過一定限度MCU都沒有收到脈沖，表示電機堵轉(zhuǎn)。電調(diào)天線控制單元會通過AISG接口向基站系統(tǒng)上報告警和相關(guān)故障信息。
3.3 固件下載及固件更新功能的實現(xiàn)
固件下載和更新是電調(diào)天線遠程控制單元的重要功能之一，用于控制單元固件的遠程更新。AISG2.0協(xié)議中與固件下載功能相關(guān)的命令有3個，分別是Download Start、Download App和Download End。下載過程以Download Start開始，以Download End結(jié)束。Download App命令負責(zé)傳輸固件數(shù)據(jù)，命令需要重復(fù)執(zhí)行多次，直至固件數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。為了防止因所下載的固件與RCU本身不匹配而發(fā)生錯誤，固件信息不單純是Bin文件，在Bin文件之前增加了64 B固件校驗信息，包括廠商校驗信息、產(chǎn)品校驗信息與產(chǎn)品硬件版本信息等。只有所有校驗信息都匹配的固件才被允許寫入到Flash中，以此防止固件下載出錯。這部分的校驗功能在Download App命令中實現(xiàn)。在固件信息的最后是CRC32的校驗和，防止固件在拷貝、傳遞過程中出錯而導(dǎo)致產(chǎn)品更新失敗的情況發(fā)生。固件被最終下載到Flash中之后，還要進行一次CRC32校驗，只有校驗正確的固件才能被啟用，否則就被認為是固件出錯而被擦除。
Download App命令是下載固件的主要命令，通過多次執(zhí)行該命令實現(xiàn)了固件的校驗、下載及儲存。其過程為：(1)檢查固件數(shù)據(jù)起始部分的識別信息，在識別信息中包括了設(shè)備供應(yīng)商的唯一標(biāo)志代碼和固件版本信息，不相符的供應(yīng)商固件信息，或是比較舊的固件版本將不被接收；(2)識別信息校驗成功之后，就開始將固件數(shù)據(jù)燒寫到相應(yīng)的Flash區(qū)域，寫入后再讀出進行校驗。至此，可信的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入到Flash存儲器中，向基站發(fā)送回應(yīng)幀。其流程圖如圖5所示。
基于AISG協(xié)議的RCU產(chǎn)品不能夠獨立工作，必須完成與不同基站系統(tǒng)的對接才可以被系統(tǒng)集成商所采用。在RCU與基站系統(tǒng)對接的過程中發(fā)現(xiàn)，不同的基站廠商對AISG協(xié)議的理解在某些細節(jié)上仍然會有細微的差別。例如，國內(nèi)某系統(tǒng)集成商的基站系統(tǒng)對AISG協(xié)議的實現(xiàn)要求就相對比較寬松，即使有些細節(jié)不符合AISG協(xié)議，RCU仍然可以正常工作。而歐洲有些系統(tǒng)集成商的基站系統(tǒng)，對AISG協(xié)議實現(xiàn)的要求就非?？量?，若有錯誤，則立即停止與RCU的正常通信。所以盡管有AISG協(xié)議規(guī)范，RCU產(chǎn)品的客制化工作仍是需要的。
參考文獻
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