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        中波廣播發(fā)射機自動化系統(tǒng)的硬件接口設計

        2012-02-08 02:13:42文丨魏玉輪
        中國傳媒科技 2012年14期
        關鍵詞:發(fā)射機

        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)

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