金莉萍

（天津廣播電視電影集團(tuán)，天津 300070）

1 引言

監(jiān)控系統(tǒng)是廣播發(fā)射技術(shù)的重要分支，對設(shè)備穩(wěn)定、播出安全及降低工作強(qiáng)度具有實(shí)用價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用日漸廣泛，世界各大工控廠商的DCS和組態(tài)軟件日趨成熟，但它們對小型或特殊用途裝置而言，存在價(jià)格昂貴、很多功能無用武之地、不能滿足特殊性要求等問題，故仍需自主開發(fā)小型化、低成本、具有特殊功能的控制系統(tǒng)。目前，數(shù)據(jù)采集和傳輸所用的計(jì)算機(jī)接口卡已標(biāo)準(zhǔn)化，研華基于計(jì)算機(jī)（PC）的接口卡價(jià)格低廉，總線插槽直接置入PC，軟件支持完善，特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用。兼顧發(fā)射機(jī)控制功能復(fù)雜、安全可靠、易用易維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性考慮，該系統(tǒng)采用接口卡與串口相結(jié)合的方式作為監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置如圖1所示，以研華IPC-610H工業(yè)PC為上/下位機(jī)，作為系統(tǒng)硬件平臺，多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-813B和數(shù)字量I/O卡PCL-731作為I/O通道，RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換作為發(fā)射機(jī)串口訪問通道，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號輸入與控制信號輸出。該配置主要特點(diǎn)為：

1）PCI-813B和PCL-731板卡功能強(qiáng)大、可靠性高、實(shí)時(shí)性好。前者是12位32通道模擬量采集（A/D）卡，提供高壓隔離，軟件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)模擬量輸入。后者提供48路并行數(shù)字量I/O，仿真可編程并行I/O接口芯片8255模式0，提供更高驅(qū)動能力的I/O緩沖，中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字量I/O[1]。

2）數(shù)據(jù)采集?；诜€(wěn)定性考慮，模擬量采集和開關(guān)量輸入均采用光電隔離保護(hù)。PCL-731輸入端接PCLD-782B，PCL-731輸出端接PCLD-785B，繼電器輸出。難以識別的毫伏級模擬量，通過放大電路處理，確保信號正確采集。

3）PC機(jī)擁有眾多硬件支持廠商，軟件類型繁多。系統(tǒng)硬件允許不同結(jié)構(gòu)類型和不同通信協(xié)議設(shè)備接入，可靈活組建并擴(kuò)展系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可采用高級語言、友好開發(fā)界面和較為復(fù)雜的控制算法。

4）該結(jié)構(gòu)安裝簡單靈活，系統(tǒng)組成比較簡單，提供冗余I/O通道，便于擴(kuò)展和維護(hù)。

該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用在薊縣府君山調(diào)頻、電視和天塔調(diào)頻發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)備。監(jiān)控涵蓋發(fā)射機(jī)、天倒及假負(fù)載等設(shè)備，涉及多變量和多工作流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。

3 軟件設(shè)計(jì)思想

控制軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，就該系統(tǒng)而言，可充分發(fā)揮高級語言VC[2]的優(yōu)勢，開發(fā)基于Windows 2000平臺性能優(yōu)異的控制軟件?？刂栖浖O(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)可靠，與功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)運(yùn)行核心，可以保存系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行所需的各種內(nèi)部信息，各功能模塊通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取及處理完成各種功能。程序包括監(jiān)控和界面兩部分：監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)采集和輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算、寫數(shù)據(jù)庫及控制功能；界面程序訪問數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等內(nèi)容，實(shí)時(shí)更新及操作。該系統(tǒng)采用上位機(jī)/監(jiān)視終端/下位機(jī)，即客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，多線程設(shè)計(jì)[2]，實(shí)現(xiàn)界面和程序控制。下位機(jī)系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)全部功能；上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)管理；監(jiān)視終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視?；谙挛粰C(jī)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括控制、通信、數(shù)據(jù)訪問、短信報(bào)警及關(guān)機(jī)4個線程?？刂凭€程實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)備控制；通信線程實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)串口通信及與上位機(jī)以太網(wǎng)通信；數(shù)據(jù)訪問線程實(shí)現(xiàn)接口卡及發(fā)射機(jī)串口數(shù)據(jù)訪問；短信報(bào)警及關(guān)機(jī)線程實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)故障短信報(bào)警及短信控制發(fā)射機(jī)斷電關(guān)機(jī)。基于上位機(jī)系統(tǒng)顯示功能設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集及更新2個線程。數(shù)據(jù)采集提取下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)每500 ms更新所有數(shù)據(jù)，各線程保證了不同任務(wù)運(yùn)行的同步。上述設(shè)計(jì)使各功能模塊既相對獨(dú)立，又兼顧實(shí)時(shí)性和協(xié)調(diào)性，具有結(jié)構(gòu)分級、單點(diǎn)控制、多點(diǎn)監(jiān)視的特點(diǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

基于Windows平臺的工控軟件應(yīng)用已成為主流，可充分利用Windows豐富的資源，開發(fā)界面友好、功能復(fù)雜的應(yīng)用程序。該系統(tǒng)軟件開發(fā)采用面向?qū)ο缶幊陶Z言VC++6.0，可視化控件及高級技術(shù)的應(yīng)用，使程序開發(fā)簡單快捷[2]。

4.1 控制設(shè)計(jì)

控制是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心與關(guān)鍵。設(shè)計(jì)要求安全可靠，復(fù)雜度較高，且需貼合實(shí)際?？紤]常規(guī)播出和發(fā)射機(jī)、天線及外電等故障因素對播出的影響，設(shè)計(jì)假負(fù)載試機(jī)/關(guān)機(jī)、開/關(guān)假負(fù)載、天線播出/關(guān)機(jī)、時(shí)間表開機(jī)/關(guān)機(jī)、開機(jī)播出、斷電重開、強(qiáng)制拉閘、故障及強(qiáng)制倒機(jī)等流程控制。各流程設(shè)計(jì)為獨(dú)立控制類。故障倒機(jī)判斷流程如圖3所示。

控制類實(shí)現(xiàn)自動和遙控兩類控制。自動控制是下位機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的根本，按預(yù)置時(shí)間及發(fā)射機(jī)等設(shè)備狀態(tài)，自動調(diào)用相應(yīng)控制類實(shí)現(xiàn)播出控制。遙控根據(jù)手動發(fā)送指令，調(diào)用相應(yīng)控制類實(shí)現(xiàn)播出控制。具體為上位機(jī)系統(tǒng)定義手動遙控類，使用TCP/IP服務(wù)類發(fā)送控制指令至下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)解析指令，調(diào)用相應(yīng)控制類執(zhí)行播出控制。流程控制所需參數(shù)設(shè)置為：1）外電重起次數(shù)。設(shè)置外電故障，重啟發(fā)射機(jī)次數(shù)，該次數(shù)后，視為設(shè)備故障，另行處理。2）故障倒機(jī)閾值。發(fā)射機(jī)輸出功率下限低于該值，滿足故障倒機(jī)條件之一。3）外電恢復(fù)時(shí)間。該時(shí)間內(nèi)供電恢復(fù)正常，重開發(fā)射機(jī)。4）試機(jī)時(shí)間。超過該時(shí)間，中斷試機(jī)。

為確?？刂瓢踩到y(tǒng)設(shè)計(jì)為延時(shí)控制，旨在確認(rèn)有效性。具體為：1）開機(jī)延時(shí)，以確認(rèn)天線到位；2）倒機(jī)滿足保持，故障出現(xiàn)后延時(shí)，以確認(rèn)非自行消除故障發(fā)生；3）數(shù)據(jù)采集延時(shí)，開機(jī)且工作穩(wěn)定后，采集有效數(shù)據(jù)；4）音頻報(bào)警延時(shí)，超過該時(shí)間仍無音頻，報(bào)警。

4.2 通信設(shè)計(jì)

通信是系統(tǒng)基礎(chǔ)，系統(tǒng)采用Mscomm控件定義串口通信類，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與發(fā)射機(jī)間串口通信；Socket API定義TCP/IP通信線程，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)間以太網(wǎng)通信。通信協(xié)議設(shè)計(jì)包括請求和應(yīng)答命令，主要針對該系統(tǒng)字符型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，其他需轉(zhuǎn)換類型，再做協(xié)議傳輸。該線程調(diào)用定義的TCP/IP通信服務(wù)類，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取命令的發(fā)送、接收及解析。

4.3 數(shù)據(jù)訪問

實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)控制和運(yùn)行監(jiān)視的基礎(chǔ)，包括串口數(shù)據(jù)訪問線程和接口數(shù)據(jù)訪問類。

1）串口數(shù)據(jù)訪問線程。定義串口訪問類，使用串口通信類，創(chuàng)建和發(fā)送命令，接收并解析發(fā)射機(jī)控制單元串口提供的控制和參數(shù)類數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，發(fā)射機(jī)發(fā)生動作時(shí)，該線程暫時(shí)掛起。

2）接口數(shù)據(jù)訪問類。定義輸入/輸出控制類，使用接口數(shù)據(jù)訪問底層，采集模擬及開關(guān)量，控制開關(guān)量輸出。底層包括模擬和數(shù)字量I/O操作動態(tài)鏈接庫，根據(jù)接口卡底層I/O操作動態(tài)鏈接庫封裝而成，更透明、直觀、通用，節(jié)省內(nèi)存，易于接口操作和軟件升級。

4.4 數(shù)據(jù)存儲

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有多類型特點(diǎn)，主要包括采集數(shù)據(jù)、控制輸出數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、長期保存數(shù)據(jù)（如控制參數(shù)等）和操作記錄等。根據(jù)數(shù)據(jù)使用情況，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（RTDB）、文件及關(guān)系數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

1）RTDB。用于接收I/O通道的輸入數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新，為控制、報(bào)警、管理及顯示等模塊提供一致性實(shí)時(shí)信息，減少數(shù)據(jù)冗余，避免內(nèi)存垃圾。兼具實(shí)時(shí)性、存取高效性及高可靠性特質(zhì)。通過事務(wù)管理解決數(shù)據(jù)訪問和存儲沖突。該系統(tǒng)RTDB采用內(nèi)存存儲，采集數(shù)據(jù)存于數(shù)組，定時(shí)更新并寫入歷史數(shù)據(jù)庫。定義RTDB類，使用該類定義的讀寫函數(shù)提供數(shù)據(jù)給應(yīng)用對象。RTDB類定義包括初始類和讀寫函數(shù)。初始類創(chuàng)建各種結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)對象，并建立數(shù)據(jù)對象索引，以提高訪問速度；讀寫函數(shù)提供數(shù)據(jù)對象基本操作，如由數(shù)據(jù)對象ID獲取其他屬性等。提供數(shù)據(jù)對象讀寫操作，將緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)寫入RTDB數(shù)據(jù)對象，讀取數(shù)據(jù)對象當(dāng)前值。

2）文件存儲。鑒于文件存儲具有讀取速度快、寫文件方便、可避免數(shù)據(jù)庫訪問失效等優(yōu)點(diǎn)，適于下位機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，以文本、配置及數(shù)據(jù)文件存于外存（硬盤）。

3）歷史數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)訪問采用速度快、占用內(nèi)存少的ADO技術(shù)。該系統(tǒng)采用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫建立和數(shù)據(jù)存儲過程實(shí)現(xiàn)如下：

（1）建立數(shù)據(jù)庫。其設(shè)計(jì)旨在記錄發(fā)射機(jī)運(yùn)行情況，以備故障分析及設(shè)備檢修之用。主要設(shè)計(jì)事件、抄表、操作及時(shí)間表修改記錄等若干數(shù)據(jù)表。其中，事件記錄存儲發(fā)射機(jī)、下位機(jī)及上位機(jī)的報(bào)警、任務(wù)、遙控操作及通信事件；抄表記錄存儲發(fā)射機(jī)模擬量指標(biāo)；操作記錄存儲操作動作（如遙控開機(jī)等動作）；時(shí)間表修改記錄存儲修改前/后的時(shí)間表。

（2）創(chuàng)建ADO訪問控件。建立、控制與ADO數(shù)據(jù)庫連接，OLE DB提供者設(shè)為SQL，并使其他ADO控件共享此連接。

（3）建立數(shù)據(jù)存儲過程。創(chuàng)建Datagrid控件，Connection屬性指向ADO訪問控件，使之與數(shù)據(jù)庫相連，這樣既可訪問數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)表，也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫查、插、刪、改等操作。在監(jiān)控程序中，根據(jù)不同需要建立不同數(shù)據(jù)表的存儲過程，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)更新。

4.5 事件顯示

事件是尋找問題根源的重要依據(jù)。下位機(jī)任務(wù)、開關(guān)及模擬量報(bào)警等事件使用TCP/IP通信服務(wù)類送入上位機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)定義事件顯示類，不同類型事件配以不同顏色和報(bào)警音。定義嚴(yán)重報(bào)警類，對需手動處理的事件，單獨(dú)給出報(bào)警事件及報(bào)警音，直至用戶處理。采用CS-inglelock與CMutex實(shí)現(xiàn)多線程事件資源訪問控制，用Lock和Unlock實(shí)現(xiàn)互斥占有和釋放，以實(shí)現(xiàn)資源安全共享。

4.6 用戶權(quán)限管理及重要操作身份認(rèn)證

基于用戶權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)控制操作身份認(rèn)證，具有控制權(quán)限的用戶可執(zhí)行發(fā)射機(jī)控制，確保播出控制安全。

5 小結(jié)

通過該系統(tǒng)在薊縣府君山調(diào)頻、電視和天塔調(diào)頻發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)備的實(shí)踐表明，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成功實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。確保了安全優(yōu)質(zhì)播出，提高了工作效率和管理水平。

[1]研華（中國）培訓(xùn)中心.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用與編程[EB/OL].[2010-03-16].http：//doc.baidu.com/view/e1b1320203d8ce2f0066233d.html.

[2]KRUGLINSKI D J.Visual C++技術(shù)內(nèi)幕[M].4版.潘愛民，王國印，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2001.