一种计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及电网智能终端安装环境移动网络信号测试技术领域，具体涉及一种计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置。


背景技术：

2.随着智能电网的不断建设，国家电网和南方电网全面启动智能终端全覆盖工作，终端运行的环境逐渐呈现多样化、复杂化、动态化。
3.目前智能终端进行数据传输以移动网络进行上行数据传输为主，由于移动网络信号覆盖无法保证偏远山区及移动信号存在盲区，这直接影响了智能终端的在线率和数据采集的完整性。随着近年来各种网络制式的出现、方案厂商种类较多，主流方案为低压电力载波通信技术和无线抄表技术，而各方案厂商的集抄调试工具都成为抄控器，但各方案厂商的调试工具抄控器各式各样，种类繁多，同一厂商不同方案的集抄调试工具也统一，整个抄控器的设计、外形、兼容性和性能良莠不齐，产品的通用性和便携性都普遍较差，现有的抄控器不能兼容多种不同电力线载波或小无线抄表，对于低压集抄调试或故障维护人员，面对不同方案的全覆盖，需要随身携带不同方案，不同厂家的抄控器，这直接影响了现有抄控器的性能和使用范围，同时对于从业人员的便捷性出行、工作效率、技能需求也要求更高。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置，具体方案如下：
5.一种计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置，包括锂电池充电模块、电源模块、锂电池电压检测模块、移动全网通模块、微处理器模块、上行蓝牙模块和状态指示灯模块，所述电源模块、上行蓝牙模块、锂电池电压检测模块、移动全网通模块和状态指示灯模块分别连接微处理器模块，锂电池充电模块连接电源模块，移动全网通模块具有支持lte-tdd、lte-fdd、hspa+、td-scdma、evdo、gsm、gprs、edge和ltecat4的at命令接口。
6.进一步地，所述移动全网通模块由网络电源控制单元、网络状态指示单元、模块开机单元、sim卡单元和网络模块组成，微处理器模块连接网络电源控制单元，网络电源控制单元、模块开机单元和sim卡单元分别连接网络模块，网络模块连接网络状态指示单元，sim卡单元具有六引脚usim卡座。
7.进一步地，所述网络电源控制单元的组成电路为：电容c2与电容c9并联后连接在电源vbat和地之间，电阻r10一端连接在电源vbat和pmos管q1的s极之间，另一端连接电阻r12一端，电阻r12另一端连接pmos管q1的g极，pmos管q1的d极连接电源vbat 4g，电容c28、c3、c10、c29分别并联在电源vbat 4g和地之间，三极管v1的基极连接电阻r3一端，电阻r3另一端连接电源pwr 4g，电阻r11一端连接在电阻r3和三极管v1的基极之间，另一端连接三极管v1的发射极，三极管v1的极电极连接在电阻r10和电阻r12之间。
8.进一步地，所述电源模块由电源切路电路和电源稳压电路组成，电源切换电路通
过拨码开关连接电源稳压电路，电源稳压电路提供双路3.3v工作电源，其中vcc-mcu端提供微处理器模块工作电压，vcc3端提供除微处理器以外的其他芯片电路的工作电压。
9.进一步地，所述电源切换电路由锂电池、usb接口电源、电阻器、二极管和mosfet管构成，锂电池电源输入端连接mosfet管d端，usb接口电源端子连接mosfet管g端，mosfet管s端连接锂电池电源输出端，二极管d1连接在mosfet管g端和s端之间,电阻r13一端连接二极管d1，另一端接地。
10.进一步地，所述状态指示灯模块由电源指示灯、锂电池充电状态指示灯和移动网络信号指示灯组成，电源指示灯连接电源模块，锂电池充电状态指示灯连接锂电池充电模块，移动网络信号指示灯连接移动全网通模块。
11.本实用新型的优点
12.本实用新型的计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置利用电子电路设计、电子集成技术和移动全网通技术，解决目前智能电网现场运行环境的移动网络信号测试工作，对终端安装环境时的网络信号情况实现100％模拟智能终端上线机制，解决了电能计量自动化系统终端安装时的终端运行环境对各网络运营商的移动网络信号强度评估，为电能计量自动化系统终端使用最优运营商sim卡提供技术支撑，保证终端稳定的在线状态和准确的数据传输，提高电能计量自动化系统的实用化指标，为远程数据采集和能源分析提供实时的数据保障。根据目前电网智能终端使用移动公网的技术标准，从现场维护测试出发，通过对移动公网专用apn和智能终端上行数据传输规范的研究，该装置在实际终端运维人员现场信号测试过程中，使用方便、能有效地提高工作效率，适合推广。
附图说明
13.图1为本实用新型的信号强度测试装置的结构框图。
14.图2为图1的电源模块的电源切换电路的电路图。
15.图3为图2的电源稳压电路提供电源模块工作电压的芯片电路图。
16.图4为图2的电源稳压电路提供外接设备电源的芯片电路图。
17.图5为图1的锂电池充电模块电路图。
18.图6为图1的锂电池电压检测模块电路图。
19.图7为图1的上行蓝牙模块引脚图。
20.图8为图1的微处理器模块电路及引脚图。
21.图9为图8的微处理器模块的电源滤波电路图。
22.图10为图1的移动全网通模块的网络模块电路及引脚图。
23.图11为图1的移动全网通模块的网络电源控制单元电路图。
24.图12为图1的移动全网通模块的模块开机单元电路图。
25.图13为图1的移动全网通模块的网络状态指示单元电路图。
26.图14为图1的移动全网通模块的sim卡单元的电路及引脚图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地解释说明，但需要注意的是，本具体实施例不用于限定本实用新型的权利范围。
28.如图1至图14所示，本具体实施例提供的一种计量自动化系统终端现场环境信号强度测试装置，包括锂电池充电模块、电源模块、锂电池电压检测模块、上行蓝牙模块、移动全网通模块、状态指示灯模块和微处理器模块。
29.所述锂电池充电模块连接电源模块。具体地，锂电池充电模块型号为南京拓微集成电路有限公司的tp4054，实现本信号强度测试装置的锂电池的充电、充电完成指示功能。tp4054芯片是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器控制芯片，其sot封装与较少的外部元件数目使得tp4054成为便携式应用的理想选择。tp4054可以实现高达800ma的可编程充电电流，适合usb电源或适配器电源工作。由于采用了内部pmosfet架构，加上防倒充电路，所以不需要外部检测电阻器和隔离二极管。热反馈可对充电电流进行调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定4.2v，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，tp4054将自动终止充电循环。当充电电压输入电压被拿掉时，tp4054自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2ua以下。也可将tp4054置于停机模式，以而将供电电流降至45ua。tp4054的其他特点包括充电电流监控器、欠压闭锁、自动再充电和一个用于指示充电结束和输入电压接入的状态引脚chrg。如图5所示，元件j1使用usb接口，实现usb线的充电信号输入；j2为3.7v可充电锂电池输入插座，其充电电压为4.2v；发光二极管l1实现充电状态的指示(充电状态l1亮，充满状态l1灭)；电阻r7为充电电流编程电阻，本设计实现350毫安充电电路，所以选择2k的电阻；电阻r1为0.25欧姆电阻，其功能是降低充电芯片内部mosfet两端的压降来减少ic的功耗，在热调节期间具有增加输送至电池的电流作用，通过该电阻将一部分功耗散掉。
30.电源模块由电源切换电路和电源稳压电路组成，电源切换电路采用p通道mosfet管的工作原理实现的两路电源输入自动切换。电源切换电路通过拨码开关连接电源稳压电路，电源稳压电路提供两路3.3v工作电源，其中vcc-mcu端提供微处理器模块工作电压，vcc3端提供除微处理器以外的其他芯片电路的工作电压。电源切换电路通过拨码开关连接电源稳压电路，电源切换电路由锂电池、usb接口电源、电阻器、二极管和mosfet管构成，锂电池电源输入端连接mosfet管d端，usb接口电源端子连接mosfet管g端，mosfet管s端连接锂电池电源输出端，二极管d1连接在mosfet管g端和s端之间,电阻r13一端连接二极管d1，另一端接地。mosfet管型号为ao3401，二极管d1型号为ss24。vcc3端为该装置除处理器以外的其他芯片电路的工作电源，r13是为了实现p通道mosfet管工作在栅极常态模式，其阻值为100k欧姆。具体地，其电源切换电路使用p通道mosfet管实现，电路原理如图2所示，其中端子v_bat(锂电池电源正极)和u_5v(usb接口电源端子)为2路切换电源输入信号，当u_5v有电压时则mosfet管为截止状态，电源信号通过二极管d1传输给vout端，当u_5v无电压时则mosfet管由于电阻r13的控制，使其处于栅极常态模式，v_bat信号通过mosfet管传输给vout端。从而实现两路电源的切换，同时优先由充电电源进行供电。而拨码开关k1实现机械型的电源开断功能,拨码开关k1型号为ss-12d06。电源模块具有锂电池管理功能，为本装置提供双路3.3v工作电源，为网络模块提供大于3.8v的工作电源，能支持外部输入和锂电池供电方案的切换，具有adc分压采样电路。
31.电源稳压电路包括两个rt9193-33gb芯片，均分别用于提供微处理器的工作电源和外接设备的工作电源。如图3和图4所示，vcc_mcu端为微处理器工作电源，vcc3端为该信
号强度测试装置装置的外接设备提供工作电源。同时微处理器通过io口控制pwr_crl的电平状态实现vcc3端的电源输出状态，当pwr_crl为低电平，则电源不输出，当pwr_crl为高电平则正常输出3.3v电源。
32.所述锂电池电量检测模块用于监测锂电池电量，其采用电阻分压方式计算锂电池的电压值，并通过微处理机内的模数转换器adc检测锂电池电量。具体地，如图6所示，本设计中的锂电池监测模块电路采用较为传统的物理电阻分压方式实现系统电源电压监测，锂电池电量检测模块电路由锂电池电压输入端、电阻r6、电阻r7、电容c25、电容c26和模数转换器adc构成，锂电池电压输入端通过电容c25接地，电阻r6串联电阻r7，且并联在电容c25两端，模数转换器adc电压输入端连接在电阻r6和电阻r7之间，电容c26一端连接模数转换器adc，另一端连接电阻r7，电容c25和电容c26均为104电容。电阻r6和r7构成分压电路，电容c25和c26为滤波电容，提高电压曲线平稳度，而adc_vdd则为电池电压监测采集端，通过vdd_adc信号量输入信号微处理器模块内部10位adc采集通道io，计算得到vdd电压值，最后根据锂电池的电压值与容量曲线关系来实现对锂电池电压进行监测。
33.所述上行蓝牙模块为jdy-31型号的蓝牙模块，该蓝牙模块是基于蓝牙3.0spp设计，支持windows系统、linux系统和android系统的数据透传，工作频段2.4ghz，调制方式gfsk,最大发射功率8db，接收灵敏度为-97dbm，工作电流8ma，最大发射距离30米，最大数据吞吐量为16k bytes/秒，内置pcb天线，支持用户通过at命令修改设备名称、波特率等模块参数，为用户提供方便快捷的使用灵活性。jdy-31型号的蓝牙模块提供uart通讯接口与微处理器stc15单片机的串口相连，实现了该信号强度测试装置的无线半双工蓝牙数据交互。该jdy-31型号的蓝牙模块实现了信号强度测试装置获取的网线模式、网络状态和信息强度等信息上传给安卓应用app，这样能借助智能手机的显示屏来实现更为全面信息的显示。如图7所示，上行蓝牙模块实现方法：无线蓝牙通道使用的jdy-31无线蓝牙模块功能引脚如下图所示，其中txd、rxd、vcc、gnd和stat引脚是我们用到的功能管脚。txd引脚为串口输出引脚(ttl电平)；rxd引脚为串口输入引脚(ttl电平)；vcc引脚为电源输入引脚，支持1.8v-3.6v；gnd引脚模块数字地；stat引脚模块连接状态功能脚，未连接为低电平，连接后输出高电平。能实现操作者与带电模块的物理隔离安全，能实现命令发送设备与本具体实施例装置的数据交换链接，其sta管脚能实现模块连接状态信号判断和实现低功耗模式提高本装置的能源优化。
34.所述移动全网通模块是整个信号强度测试装置的移动运营商(中国移动、中国联通、中国电信)信号的主要单元，移动全网通模块为芯讯通无线科技公司(simcom公司)的sim7600ce模块，该sim7600ce模块具有标准的at命令接口支持lte-tdd/lte-fdd/hspa+/td-scdma/evdo和gsm/gprs/edge等频段,支持lte cat4(下行速度为150mbps)。其性能稳定，外观小巧，性价比高，可以低功耗实现sms和数据信息的传输。其支持的频段列表如表1所示：
[0035][0036][0037]
移动全网通模块由网络电源控制单元、网络状态指示单元、模块开机单元、sim卡单元和网络模块组成，微处理器模块连接网络电源控制单元，网络电源控制单元、模块开机单元和sim卡单元分别连接网络模块，网络模块连接网络状态指示单元。
[0038]
具体地，所述移动全网通模块的txd_4g(管脚68)和rxd_4g(管脚71)与微处理器模块的管脚30和管脚29相连接，实现微处理器通过usat串口来对移动全网通模块进行at命令的通信和管理与控制。网络电源控制单元的信号pwr_4g与微处理器模块的管脚28连接，实现对移动全网通模块的电源通断控制，其他管脚都是其自身的连接。
[0039]
网络模块为sim7600ce型号的网络模块，负责网络信号强度的获取。
[0040]
网络电源控制单元为网络模块的正常工作提供微处理器模块可控制的开关工作电源，其电压值为3.8v-4.2v，控制脚为pwr_4g。如图11所示，所述网络电源控制单元的组成电路为：电容c2与电容c9并联后连接在电源vbat和地之间，电阻r10一端连接在电源vbat和pmos管q1的s极之间，另一端连接电阻r12一端，电阻r12另一端连接pmos管q1的g极，pmos管q1的d极连接电源vbat 4g，电容c28、c3、c10、c29分别并联在电源vbat 4g和地之间，三极管v1的基极连接电阻r3一端，电阻r3另一端连接电源pwr 4g，电阻r11一端连接在电阻r3和三极管v1的基极之间，另一端连接三极管v1的发射极，三极管v1的极电极连接在电阻r10和电阻r12之间。网络电源控制单元由p通道的mosfet管和npn三极管组成电源控制部分，实现微处理器模块的io控制移动全网通模块的上电工作，从而提高信号强度测试装置的锂电池使用寿命和使用时间，p通道场效应管为pmos管q1。工作方式为：当pwr_4g为高电平时，三极管v1导通，场效应管q1导通，则电源信号端vbat_4g的电压由v_bat提供，vbat_4g电压值为v_bat的电压减0.3v；当pwr_4g为低电平时，三极管v1关断，场效应管q1关断，则电源信号端
vbat_4g为无电压。
[0041]
网络状态指示单元通过网络模块自身的管脚51(net_light)来指示当前的网络状态，使用三极管驱动方式来驱动网络状态指示灯，通过该管脚51的led的工作模式来判断模块网络状态(状态说明：常亮-正在找网，或正在通话；200ms亮/200ms熄灭-数据连接已建立；800ms亮/800ms熄灭-网络已注册；熄灭-关机，或休眠模式)。为了提高led的驱动能力，在网络状态指示单元中使用三极管的电流放大特性，在满足发光二极管发光强度的同时，也减少网络模块io口的灌入电流，保护网络模块。
[0042]
模块开机单元的作用在于实现网络模块的软启动，提高整个信号强度测试装置的模块工作状态控制，主要作用是通过灵活控制网络模块来提升装置锂电池的待机时间。在模块开机单元中使用bc817型号的npn三极管的开关特性，模块开机单元的电路组成为：npn三极管v2的基极连接电阻r21一端，电阻r21另一端连接电源pwr 4g，电阻r22一端连接在电阻r21和npn三极管v2之间，另一端接地，npn三极管v2的极电极连接sim7600ce的pwrkey_i管脚，npn三极管v2的发射极连接在电阻22和地之间。在保证电平变换的同时，减少网络模块的pwrkey_i管脚的灌入电流大小，保护网络模块，以实现微处理器模块的io灵活控制设计方案，当拉低pwrkey引脚使模块开机，提高模块的灵活控制性。
[0043]
sim卡单元作用是用于安装三大运营商(中国移动、中国电信和中国联通)的手机卡的一个接口。sim卡单元接口的设计是按照sim7600ce数据手册的要求来设计，其中电容c33为工作电源滤波电容，电阻r18、r19和r20为sim数据传输的spi接口的限流电阻，以保护用户的sim通信卡。
[0044]
sim卡单元具有六引脚usim卡座，满足电能计量自动化系统终端的sim选择标准，实现卡卡兼容，同时网络模块支持1.8v和3.0v的usim卡。usim卡的接口电源由移动全网通模块内部的电压稳压器提供，正常电压值为3v或者1.8v。sim卡布线注意事项：pcb布局阶段一定要将usim卡座远离主天线；sim卡走线要尽量远离rf线、vbat和高速信号线，同时sim卡走线不要太长；sim卡座的gnd要和模块的gnd保持良好的联通性，使二者gnd等电位；为防止usim_clk对其他信号干扰，建议将usim_clk做单独包地保护处理；sim_vdd信号线上靠近sim卡座放置一个220nf电容；sim_clk信号非常重要，使用时应保证sim_clk信号的上升沿和下降沿时间小于40ns，否则可能会出现识卡异常的现象。移动全网通模块具有模块电源管理接口、sim卡座、模块软开机电路和天线规格设计等。
[0045]
所述状态指示灯模块由电源指示灯、锂电池充电状态指示灯和移动网络信号指示灯组成，电源指示类连接电源模块，锂电池充电状态指示灯连接锂电池充电模块，移动网络信号指示灯连接移动全网通模块。
[0046]
所述电源模块、上行蓝牙模块、锂电池电压检测模块、移动全网通模块和状态指示灯模块分别连接微处理器模块。
[0047]
所述微处理器模块是整个信号强度测试装置的运算和工作控制大脑，其负责锂电池电压检测计算、移动信号at获取、网络配置、登录帧和心跳帧的发送、蓝牙状态监听和上次用户需求信息等功能。微处理器模块使用的是宏晶科技的stc15w4k32s4型号处理器，其为抗干扰最强的stc15新系列8051处理器，其支持2.4v～5.5v宽电源电压,无须转换芯片可直接与pc机usb接口进行通信；增强型8051单片机集成了上电复位电路与高精准r/c振荡器，给单片机芯片加上电源就可跑程序；可在线编程与在线仿真，一颗芯片既是目标芯片，
又是仿真芯片；集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及eeprom，增加了定时器、串行口等基本功能部件，集成了a/d、pca、比较器、专用pwm模块、spi等高功能接口部件，可大大简化单片机应用系统的外围电路，使单片机应用系统的设计更加简捷，系统性能更加高效、可靠。
[0048]
工作原理：
[0049]
信号强度测试装置通电开机后，对上行蓝牙模块、锂电池电量检测模块、锂电池充电模块、移动全网通模块的硬件接口进行初始化，锂电池电量检测模块采用电阻分压方式并通过微处理器模块内的模数转换器adc检测锂电池电量是否满足装置工作(电压必须》3.8v)；网络电源控制单元为网络模块的正常工作提供微处理器模块可控制的开关工作电源，网络状态指示单元通过网络模块来指示当前的网络状态，通过sim卡单元接入中国移动、中国电信或中国联通的手机卡，微处理器通过网络模块查询当前网络状态，同时配置网络模块的网络链接参数(如服务器ip地址、端口号和apn等参数)，当网络模块连接成功后则为信号强度测试装置与服务器建立一个新的socket连接，socket成功后微处理器模块会通过网络模块的网络发送南方电网计量自动化系统终端上行登录帧到服务器，待服务器确认登录应答后，信号强度测试装置开始查询当前环境的网络信号，每采集n次信号强度作为一次计算周期，对采集的n次信号强度进行数据处理(删除无效信号强度)取平均值作为该次采样的最终信号强度,再通过上行蓝牙模块获取当前的网线模式、网络状态和最终信号强度上传给用户的安卓智能手机以供用户查阅。