文丨魏玉輪

中波廣播發(fā)射機自動化系統(tǒng)的硬件接口設計

文丨魏玉輪

發(fā)射機自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，下位機與發(fā)射機之間的接口電路設計關系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，是系統(tǒng)設計的關鍵部分之一。我臺共有10個頻率20部發(fā)射機，涉及的機型五個廠家8種機型，在數(shù)據(jù)采集（數(shù)字輸入DI、模擬輸入AI）和控制（數(shù)字輸出DO）方面需要采用不同的方式，實施過程中也解決了一些難題。將介紹硬件的各個子系統(tǒng)及解決的各種難題以供相關的發(fā)射機臺站技術人員參考。

數(shù)字輸入DI； 模擬輸入AI； 數(shù)字輸出DO； 天線/假負載倒換控制和指示

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，許多發(fā)射臺站的發(fā)射機已經(jīng)實現(xiàn)固態(tài)化和數(shù)字化，這為發(fā)射機的實時監(jiān)控奠定堅實的基礎。發(fā)射機種類眾多，接口各異，用戶對監(jiān)控的不同要求，這些是監(jiān)控系統(tǒng)設計的難度。設計一套穩(wěn)定可靠的下位機硬件系統(tǒng)，配以靈活可靠的軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡傳輸，才能朝“有人留守，無人值班”的方向大步前進。

1 控制器選取和架構選擇

設計監(jiān)控系統(tǒng)要考慮到可操作性、先進性、兼容性、可擴展性、可靠性、安全性和經(jīng)濟適用性。目前發(fā)射機監(jiān)控有四種形式：一是工控機帶數(shù)據(jù)采集卡，二是PLC，三是單片機，四是PAC（可編程自動化控制器）。從各方面考慮，我們選擇泓格公司的8000系列和7000系列PAC控制器，它的優(yōu)點有：它具備PLC的抗擾標準，控制器不需要特別的屏蔽，與監(jiān)控點的連接用普通導線，監(jiān)控數(shù)據(jù)準確，工作穩(wěn)定可靠；體積小，可嵌入在發(fā)射機內(nèi)部，可降低進出發(fā)射機的引線過長受射頻干擾的風險；它軟件編寫靈活，提供多種語言，對于不同的要求可采用不同的編寫語言，可降低開發(fā)難度；每套下位機（含控制器及模塊）的總價格在一萬元之內(nèi)，投入較低；可靈活配置，實現(xiàn)對我們臺八種機型的發(fā)射機進行監(jiān)控。

確定泓格控制器之后，我們對監(jiān)控系統(tǒng)硬件的結構進行綜合考慮，采用了一部發(fā)射機嵌入一套下位的方案。它的優(yōu)點在于，（1）主備發(fā)射機里各嵌入一套下位機，而不用在外面公共部分專門加一個控制箱，進出發(fā)射機的線少而短，降低射頻干擾的風險；（2）當一部發(fā)射機的下位機因意外斷電或死機，另一部發(fā)射機和下位機也能自動、正常地工作。缺點主要是增加軟件編寫的難度，結果證明，我們很好地克服這個困難。

2 整體架構簡介

如圖一，開關電源1（+12V）僅供控制器使用，開關電源2供數(shù)字輸入DI外接電源（DI.COMB）、數(shù)字輸出DO外接電源（DO.PWR）和天線/假負載倒換控制和指示（TZ-+12V）使用；大部分的信號都經(jīng)接口板（并接0.01μ電容）出入控制器箱；天線/假負載倒換控制和指示系統(tǒng)中的同軸開關安裝在主機機頂，接線排和倒換控制的繼電器安裝在主機內(nèi)部；有串口通訊則改用實線表示此種發(fā)射機需串口通訊；右邊備發(fā)射機和控制器整體結構與主發(fā)射機一樣。接下來，將詳細討論各部分的設計思路、出現(xiàn)的問題和解決的方案。

3 電源防干擾

從電源的可靠性來考慮，我們將發(fā)射機和下位機的電源分開。所有的下位機電源各接一個空氣開關，所有的空氣開關由同一個UPS供電。這樣好處在于：UPS可以穩(wěn)定可靠優(yōu)質地給下位機供電，當外電短暫停電時，又可以保證下位機控制器內(nèi)部程序不間斷運行，增加穩(wěn)定性。

我們選用的控制器及模塊的電源都所需的電源都在+10～+30V間，我們選定了+12V的電源電壓。

我們選用的AI、DI、DO模塊都采用了光耦合器或ADC來進行隔離，但還需要防止共地干擾，隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等。以DI模塊87053（整體框圖看圖三）為例，如圖二，光耦次級電路中的GND與控制器GND相連，如果U1初級電路中的地與控制器GND相連，初級和次級就起不到光耦隔離的作用，干擾信號就能沿著圖中虛線引入控制器，影響控制器的工作穩(wěn)定性，因此初、次級的地和GND不能相連，即不存在圖中虛線。

為杜絕這種干擾，我們采用兩套開關電源：開關電源1專供泓格控制器，它有單獨的懸浮GND（V-端）；開關電源2供DI模塊87053外接電源DI.COMB、DO模塊外接電源DO.PWR和天線/假負載倒換及指示用，它的GND（V-端）與發(fā)射機的地相連接。這兩個開關電源的通斷由一個按鈕同步控制，按鈕上方的兩個指示燈分別指示它們的工作狀態(tài)，指示燈如圖十三所示。

4 數(shù)字輸入DI 的不同接線方式、遇到的問題和解決方案

因為所采用的DI模塊有數(shù)種，現(xiàn)以最常用的87053模塊來說明。它的每個DI輸入阻抗為3K，最高輸入電壓為+30V，我們外接電源采用的為+12V電源，所以它的光耦合器初級電流最高為12/3K=4mA；每個DI都有一個指示燈來指示此通道的工作狀態(tài)，燈熄表示“0”或“OFF”，燈亮表示“1”或“ON”。

如圖三中所示四種接線方式，分別是繼電器干接點、TTL/CMOS 邏輯，NPN輸出和PNP輸出。我臺存在著不同機型的發(fā)射機，其DI的取樣都不同，所以采取的方式也不一樣：

（1）PDM機的大多數(shù)DI采樣點都是輸出輸入板上繼電器的觸點，同軸開關的觸點也都是干接點，我們采用的是最簡單的第一種干接點方式，即：DI.COM接開關電源2的+12V，每對繼電器的觸點分別接DIX和電源地。當觸點閉合時，87053里的光耦初級導通，模塊相應的DIX指示燈亮，接入電路參考圖二。

（2）上廣電10KW PDM還有二十幾個主備指示燈及紅綠指示燈，哈廣3KW機上有8個主備指示燈，我們需要把獲取全部的指示燈信號，而這些DI信號在發(fā)射機的輸出接口板獲取不到，最初我們考慮圖四的接法，分析和實驗得到的結果是：①D2亮時，R2上端+15V，電壓高于DI.COMB，光耦發(fā)光二極管熄；②D2熄時，R2上端0V，電壓低于DI.COMB，光耦發(fā)光二極管亮；③當發(fā)射機關低壓時，由于CMOS輸出高阻，DI.COMB-U2發(fā)光二極管-D1-R2-D2形成通路，所有這樣接法的DIX和D2都亮了。為了防止上述的誤顯示，我們采用圖五的接法。從圖中分析可知DIX的亮熄與否與發(fā)射機D2指示燈的亮熄同步。

（3）哈里斯DX-10采用第三種接線方式。如圖六所示，DI.COMB接開關電源2 的+12V，哈里斯機內(nèi)部Q1基極導通后，光耦U1發(fā)光二極管亮，DIX指示燈亮。但是，當只關發(fā)射機低壓時，而不關控制器開關電源時發(fā)現(xiàn)，所有這樣接法的DIX指示燈都亮了。經(jīng)過電路圖分析，我們發(fā)現(xiàn)即使Q1次級不導通，但是發(fā)射機+22V還接著其它的負載，這樣就存在著DI.COMB-U1發(fā)光二極管-R2-D1-發(fā)射機+22V的電流通路。為了解決這個問題，我們首先考慮第一種方案①： DI.COMB改接發(fā)射機輸出接口線排上的一個+15V接點，它可提供175mA的電流，當?shù)蛪宏P時，DI.COMB和“發(fā)射機+12V”同時失電，不會再誤指示；缺點在于，違背了模塊外接電源與發(fā)射機電源不同路由的大方向。因此我們采用第二種方案②：由于D1在此電路只是當Q1集電級高于+22V起作用，而我們的DI.COMB只有+12V。這樣分析之后，我們將D1焊掉，DI.COMB還繼續(xù)接開關電源2 的+12V。用方案②處理后，這些DI不會再出現(xiàn)以上所描述的誤顯示。

4 模擬輸入AI 的接線方式

我們主要采用的模塊是87017和8017（內(nèi)部電路圖相同，見圖七左），它們的輸入范圍為-10V～+10V，輸入高阻且?guī)DC隔離。87017的采樣速率為10次/s，足以監(jiān)測發(fā)射機的變動緩慢的采樣點，只需要將采樣的電壓兩端接入模塊的Vinx+和Vinx-。8017的采樣頻率最高可到16K次/s，用來監(jiān)測發(fā)射機的輸入音頻和輸出音頻。輸入音頻和輸出音頻都經(jīng)過自制的電路板（圖七中幅度檢波）進行處理，將音頻信號變?yōu)橐纛l的幅度信號，再用8017采集后，我們就能得到輸入音頻和輸出音頻的大小變化，上位機就能根據(jù)音頻的大小及有無來判斷發(fā)射機的工作正常與否。圖七右中所示的是輸入音頻的監(jiān)測。

5 數(shù)字輸出DO的不同接線方式、遇到的問題和解決方案

因為所采用的DO模塊有數(shù)種，現(xiàn)以最常用的87057模塊來說明。如圖八，模塊每個DO輸出最大外接電壓為30V，最大負載電流為100mA，DO.PWR接開關電源2的+12V，DO.PWR接地；每個DO通道都有一個指示燈，燈熄表示“0”或“OFF”，燈亮表示“1”或“ON”。

圖八中的兩種方式，第一種方式最簡單最安全，通過繼電器的觸點來進行控制。但綜合不同發(fā)射機的特點，我們也采取不同方式。

（1）大部分發(fā)射機的DO和天線/假負載倒換控制我們采用第一種方式，用繼電器的觸點來控制發(fā)射機；

（2）對于哈里斯機，我們采用第二種方式。如圖九所示，DO.PWR接開關電源 2的+12V，當控制器發(fā)送U1二極管導通的控制信號，發(fā)射機U2發(fā)光二極管也導通，再通過發(fā)射機U2的次級電路來達到控制發(fā)射機。

（3）天線/假負載倒換控制中有三個繼電器，以603KHZ為例，分別是主機上天線、備機上天線、啟動假負載，如圖十所示，這三個繼電器由兩部發(fā)射機上的控制器共同控制，其電源端TZ-+12V為天線/假負載倒換和指示的電源。根據(jù)我們所設計意圖，主機和備機的開關電源2 +12V及控制DOx應該是相互隔離的，不會相互影響。但是我們單獨只開備機的控制電源開關（即圖中備機開關電源2 +12V來電）時，發(fā)現(xiàn)主機開關電源2的電源指示燈（圖中D6）亮起；同樣地，單獨只開主機的控制電源開關時，備機開關電源2的電源指示燈（圖中D9）也會亮起［1］。

經(jīng)過電路圖中的分析，我們發(fā)現(xiàn)，備機開關電源2 +12V-D2-K1-D4-R1-D6線路上形成通路。這樣的結果是，電源不能相互隔離。為了解決這個問題，我們考慮了兩種方案：①當繼電器K1產(chǎn)生逆向電壓時，D4可以防止Q1被反向擊穿，而D3也能起這種保護功能。這樣焊除D4（D8）可以防止誤顯示，但此方案會改變模塊的內(nèi)部線路，于是我們放棄了這種方案；②在DO.PWR和開關電源2 +12V間接入二極管（D5和D7）起隔離作用，這樣原先的電流通道就不再存在，不足之處在于，+12V還是會被引入到DO模塊的次級電路，但是它不會引起誤操作和誤顯示。最終我們選用第二種方案，最終工作穩(wěn)定、正常。

6 抗干擾的接口板（并接0.01μ電容）

雖然采用PLC抗擾級別的PAC控制器系統(tǒng)，它自身的抗干擾級別高，但是在發(fā)射機房這種射頻干擾復雜的環(huán)境下，如果不對輸入輸出信號進行一些處理，控制器的抗干擾壓力還是很重，輕則監(jiān)測的數(shù)據(jù)不準，重則產(chǎn)生誤動作。經(jīng)過測量，如果AI采樣信號直接接入控制器，它攜帶的射頻干擾信號峰峰值最高達到3.5伏，而我們普通的AI采樣信號都在4V。對此，我們考慮了接RC網(wǎng)絡來降低射頻干擾，但是這個接口板我們還應用于DI、DO和直流電源這些輸入內(nèi)阻小的電路，而RC網(wǎng)絡不適合應用于低輸入阻抗的電路，以DO為例，如圖十一所示，R1是RC網(wǎng)絡的電阻，R2是所用繼電器的內(nèi)阻，當Q1次級導通時，I=12/（R1+R2），電流大大降低，K1可能不會動作。因此，我們選擇只并接C來降低干擾（圖十二）。

對于接線方式，我們作一些試驗，采用普通導線和屏蔽線以不同接法，如表一（9XB3-2為發(fā)射機入射功率采樣點）。最后結果，只需采用最簡單的普通接線，并在近控制器端并接電容C（0.01μ電容），就能很明顯地將射頻干擾控制在600 mv，極大地降低控制器的抗干擾壓力。表格最后一行也試驗了這種接法接RC低通網(wǎng)絡的效果，得到的值也是600 mV，由此我們肯定了只并接電容C的效果。我們做了多接點的轉接板，每塊板接40條線。發(fā)射機的DI，慢速AI，DO和直流電源都可以通過此板進出。

7 串口通訊需注意的問題

湯姆遜10KW和哈廣10KW/3KW機的部分監(jiān)控只能通過串口通訊，我們配置相應的模塊，通過RS422來實現(xiàn)對發(fā)射機本機的基本監(jiān)測和控制，串口地線懸空，以防止發(fā)射機與控制器共地，引入干擾，并且不能經(jīng)過接口板進出，否則采集不到正常的數(shù)據(jù)。為此串口通訊要求控制器和發(fā)射機串口直通，接線盡量短，降低干擾的風險。同時我們還需對發(fā)射機進行另外的監(jiān)控，這些數(shù)據(jù)線和控制線可通過接口板來進出。

8 天線/假負載控制和指示系統(tǒng)的功能及聯(lián)鎖

以603KHZ的3#和4#機為例，圖十三中是兩機泓格控制器機箱面板。每部發(fā)射機面板上各有一個開關電源開關（上方兩個指示燈為兩個開關電源指示燈）、一個上天線按鈕（帶指示燈），和一個假負載指示燈。此套系統(tǒng)接線排裝在4#機內(nèi)部，倒換裝置同軸開關也在4#機頂部，它的控制和指示所需的電源+12V由兩部發(fā)射機的共同提供，兩條電源輸入線都接二極管IN4007進行相互隔離，兩個二極管的負極連接到同一個點，這個點（定義為TZ-+12V，圖十五器發(fā)天線倒換命令，也能完成手動按鈕的功能；（4）如果假負載上的發(fā)射機手動或自動開機時，控制器會發(fā)命令啟動假負載，此發(fā)射機上的假負載指示燈亮；（5）如果某部發(fā)射機故障需要搶修，則關掉此部發(fā)射機及其控制器的供電，此系統(tǒng)由另外一部發(fā)射機的+12V供電，以保證控制和指示不中斷。

表一 不同接線方式的測量值

要完成以上功能，主備機天線/假負載的倒換需要做到以下聯(lián)鎖才能保證安全：（1）在倒換到位之前，兩機的外部聯(lián)鎖紅燈亮，此時兩部發(fā)射機開不了機。見圖十四，只有同軸開關內(nèi)部觸點到位，即天線/假負載到位，同軸開關1和3、2和3同時導通，兩部發(fā)射機外部聯(lián)中有標識）就作為天線/假負載控制及指示的電源。

參考圖十三，它完成的功能有：（1）在兩部板上的面板按本機上天線按鈕，就能把天線倒換到本機工作；（2）倒換成功后，本機的天線按鈕指示燈亮，表示天線已經(jīng)倒換成功；（3）控制鎖不報警，發(fā)射機才開得上；（2）見圖十五，AN1是3#機上天線按鈕；K1是3#機上天線繼電器觸點；AN2是4#機上天線按鈕；K2是4#機上天線繼電器觸點；只有兩部發(fā)射機都不上高壓時，兩機高壓KM2觸點才閉合，3#機上天線繼電器線包（4和6）或者4#機上天線繼電器線包（5和6）才可能吸合，天線/假負載才能倒換（倒3#機或4#機）；（3）圖十五中，K1線包吸合后，同軸開關5和6這條回路的K1斷，此時即使按下AN2或K2吸合，也能保證倒換正常進行，這樣可以防止軟件控制的K1和K2誤動作引起倒換失敗。（4）同理，K2線包吸合后也能保證4和6回路不導通。

9 結語

因為發(fā)射機種類眾多，接線方式各異。因此，我們在設計方案之前必須全面地理解所有相關的電路圖，在不確定的地方先做實驗，并且要花較長的時間進行整體方案的設計、修改與論證。否則輕則安裝后發(fā)現(xiàn)需要推翻舊方案，重新設計新方案，重則會影響安全播出。我臺自動化監(jiān)控系統(tǒng)自從2004年開始開發(fā)以來，先后實現(xiàn)對所有發(fā)射機的實時監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定。希望能給同行業(yè)技術人員進行硬件設計提供有益的參考。

[1]張丕照等著．數(shù)字式調(diào)幅中波發(fā)射機 2003（7）：25-27.

（廈門廣播電視集團發(fā)射中心201臺，福建廈門 361004）