一种基于AISG2.0协议的电调天线远程控制单元的设计及实现-设计应用

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电调天线远程控制单元（RCU）是进行天线下倾角调节和天线状态远程实时监控的部件。本文从实际应用出发，阐述了RCU的硬件设计和相关软件模块的实现，并对RCU与基站对接过程中容易被忽视的问题进行了简要概述。本系统中的AISG通信接口电路如图2所示。

1电机控制模块

电机控制驱动模块的是Allegro公司的步进电机驱动芯片A3977。该芯片具有1/2、1/4及1/8等微步模式。本系统中通过软件配置使MS1为高电平、MS2为低电平，电机工作在半步模式，MCU每发400个脉冲电机转动一圈。A3977输出驱动器容量为35V、2.5A，内部包括一个固定停机时间电流稳压器，该稳压器可在低、快或混合衰减模式下工作，从而可以有效降低电机噪音，增加步进度并减少功率耗散。

2存储模块

存储模块主要包括天线相关的参数存储和RCU固件存储。天线参数存储采用铁电存储器FM24LC16，其中包括产品序列号、天线参数、天线配置数据和移相器配置数据等。选用铁电存储器的主要原因是：AISG协议中规定，RCU收到基站的命令后，必须在10ms之内发出回应帧，否则就认为通信超时，这就要求向存储器中写入天线参数的命令必须在10ms内完成；考虑到执行程序的时间消耗，在天线数据较多的情况下，普通的EEPROM无法满足要求；铁电存储器相比于EEPROM写入速度快，写入过程无需等待，可以满足这一要求。RCU固件存储则采用了μPSD单片机的内部Flash。利用μPSD单片机内部特有的Flash结构，将正在执行的固件和更新的固件都存储在单片机的片内Flash中，从而省去了外部存储器，既节省了BOM成本，又提高了产品的可靠性和安全性。

3电源模块

AISG2.0协议规定供电电压范围为10V～30V。由于本设计中电调天线移相器需要较大的扭矩，因而选用了供电电压为12V的步进电机，这就对系统供电提出一个挑战，即当供电电压高于12V时需要降压，当供电电压低于12V时需要电源电路升压。本设计采用了先降压后升压的电路结构，先将输入电压降到8V，再升压至12V，为步进电机供电。系统供电则从8V再经过LDO转化为3.3V。电源电路结构如图3所示。

电源模块设计中需要注意以下问题：

（1）系统电源入口的防雷保护。本系统采用了由气体放电管和TVS构成的双重防护模式，中间加100μH电感隔离。这样在前端发挥了气体放电管放电电流大的优点，在后端则发挥了TVS电压灵敏度高的优点，有效地保护了系统的供电免受雷击浪涌损害。

（2）输入浪涌电流限制。

（3）EMC测试中的传导辐射，主要是测试设备中电源对系统供电的影响，反映在电压上就是RCU对系统供电产生的电压纹波，按照AISG协议规定，要求在电机不工作时电压纹波小于25mV，电机转动时电压纹波小于75mV。这个指标非常严格，如果不加抑制传导辐射的滤波电路，则很难满足协议要求。本设计中，经测试发现传导噪声主要集中在低频段，大于150kHz～5MHz的范围内，因而本系统采用了2个100?滋H的差模电感和0.22μF的MLCC电容，以抑制差模噪声。

4软件设计

本系统软件分为3个模块：AISG协议栈模块、电机闭环控制模块、固件及更新模块。

4.1AISG协议栈设计

AISG2.0协议共包括3层，对应到OSI模型分别是物理层、数据链路层和应用层。RCU中AISG协议栈总体结构如图4所示。物理层采用RS485标准，为半双工通信。数据链路层：AISG2.0协议的第二层是HDLC协议的一个子集，采用了HDLC协议中正常响应模式下的非平衡通信方式，并支持为应用层提供虚拟全双工的通信链路。应用层负责天线下倾角控制和状态监测等功能的相关命令，收到相应命令后执行具体的功能，并在规定时间内向基站返回执行结果。

AISG2.0协议的通信模型与一般的网络模型非常相似。但是在AISG协议栈的设计中有一点需要注意：AISG2.0的物理层是单双工的，数据链路层却通过一种特殊的查询机制，为上层实现了类似全双工的功能。

4.2电机闭环控制模块

众所周知，步进电机通常应用于开环控制系统。本系统采用步进电机驱动电调天线移相器，需要控制单元能够及时地检测移相器是否卡死，并且能够检测步进电机在调节下倾角过程中是否有明显的丢步现象。这种情况下，单纯的步进电机开环控制无法满足实际应用需求，本系统采用了带有霍尔传感器反馈的步进电机控制系统。在电机轴后端安装霍尔传感器和五枚永磁体，电机采用二分之一微步的控制方式，每400个脉冲，电机转动一圈。这样MCU每发80个脉冲就应该检测到一个脉冲。如果累计超过一定限度MCU都没有收到脉冲，表示电机堵转。电调天线控制单元会通过AISG接口向基站系统上警和相关故障信息。

4.3固件及固件更新功能的实现

固件和更新是电调天线远程控制单元的重要功能之一，用于控制单元固件的远程更新。AISG2.0协议中与固件功能相关的命令有3个，分别是DownloadStart、DownloadApp和DownloadEnd。过程以DownloadStart开始，以DownloadEnd结束。DownloadApp命令负责传输固件数据，命令需要重复执行多次，直至固件数据全部发送完毕。为了防止因所的固件与RCU本身不匹配而发生错误，固件信息不单纯是Bin文件，在Bin文件之前增加了64B固件校验信息，包括厂商校验信息、产品校验信息与产品硬件版本信息等。只有所有校验信息都匹配的固件才被允许写入到Flash中，以此防止固件出错。这部分的校验功能在DownloadApp命令中实现。在固件信息的是CRC32的校验和，防止固件在拷贝、传递过程中出错而导致产品更新失败的情况发生。固件被终到Flash中之后，还要进行CRC32校验，只有校验正确的固件才能被启用，否则就被认为是固件出错而被擦除。

DownloadApp命令是固件的主要命令，通过多次执行该命令实现了固件的校验、及储存。其过程为：

（1）检查固件数据起始部分的识别信息，在识别信息中包括了设备供应商的标志代码和固件版本信息，不相符的供应商固件信息，或是比较旧的固件版本将不被接收；

（2）识别信息校验成功之后，就开始将固件数据烧写到相应的Flash区域，写入后再读出进行校验。至此，可信的数据已经写入到Flash存储器中，向基站发送回应帧。其流程图如图5所示。

基于AISG协议的RCU产品不能够独立工作，必须完成与不同基站系统的对接才可以被系统集成商所采用。在RCU与基站系统对接的过程中发现，不同的基站厂商对AISG协议的理解在某些细节上仍然会有细微的差别。相对而言，国