黨宏社， 姚 勇， 張新院

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

為了避免發(fā)射機(jī)故障造成停播事故，大多數(shù)發(fā)射臺(tái)播出系統(tǒng)都采用主機(jī)+備機(jī)的工作方式.傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)備份采用一臺(tái)主用發(fā)射機(jī)配一臺(tái)備機(jī)的方式，隨著需要播出節(jié)目的增多，該方式每套節(jié)目需兩部發(fā)射機(jī)，無(wú)疑將增加設(shè)備的投資.同時(shí)這種備份方式的備機(jī)利用率低，且設(shè)備維護(hù)量大[1,2].

隨著發(fā)射機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全國(guó)發(fā)射臺(tái)的多數(shù)調(diào)頻節(jié)目已基本上都采用全固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)，全固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)可以發(fā)射全頻帶任意一個(gè)頻點(diǎn)的節(jié)目，這使得設(shè)計(jì)N+1播出系統(tǒng)成為可能，即多臺(tái)發(fā)射機(jī)共用一臺(tái)備機(jī)[1,3].這種方式不但能達(dá)到主用發(fā)射機(jī)故障不停播的目的，而且減少了備機(jī)設(shè)備的投資和維護(hù)量.但目前全國(guó)的發(fā)射臺(tái)投入全自動(dòng)N+1播出系統(tǒng)的不多，并且N+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式也不盡相同，新光N+1發(fā)射控制系統(tǒng)[2]，以工控機(jī)為控制器，信息獲取需依賴發(fā)射機(jī)自帶的微機(jī)控制；吉兆調(diào)頻N+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)[3]，以PLC為控制器，為每部發(fā)射機(jī)配備了專用的測(cè)控模塊.上述控制系統(tǒng)可靠性高，但系統(tǒng)成本也很高.為了克服這些控制系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)成本高，和對(duì)發(fā)射機(jī)自帶的微機(jī)控制有依賴的缺點(diǎn)，提出了利用多顆嵌入式微控制器實(shí)現(xiàn)備機(jī)切換的信息采集與控制，以達(dá)到在主用發(fā)射機(jī)故障時(shí)，能夠快速安全地讓備機(jī)代播，保證節(jié)目的優(yōu)質(zhì)播出.

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 控制要求

控制要求包括[1,3]：(1)監(jiān)測(cè)主備機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；(2)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的倒備機(jī)條件，判斷出故障機(jī)并實(shí)施倒備機(jī)過(guò)程；(3)響應(yīng)遠(yuǎn)程上位機(jī)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)N+1播出系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；(4)要有聯(lián)鎖保護(hù)功能，保證設(shè)備安全；(5)倒備機(jī)要盡可能的快.

1.2 倒備機(jī)原理

N+1播出系統(tǒng)中的N表示播出的節(jié)目數(shù)，1表示備用發(fā)射機(jī).以N=4，播出4個(gè)調(diào)頻節(jié)目為例，圖1是一個(gè)4+1播出系統(tǒng)的連接示意圖[1，2].

圖1 4+1播出系統(tǒng)連接示意圖

如圖1所示，當(dāng)主用發(fā)射機(jī)正常時(shí)，主用發(fā)射機(jī)的輸出至天線，備機(jī)通過(guò)同軸開(kāi)關(guān)連接至假負(fù)載.當(dāng)任意1臺(tái)主用發(fā)射機(jī)故障時(shí)，4+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)通過(guò)控制配備的同軸開(kāi)關(guān)，來(lái)倒換主備機(jī)輸出端的連接關(guān)系，使備機(jī)輸出至天線，故障機(jī)輸出至假負(fù)載；通過(guò)向音頻矩陣切換器下發(fā)切換指令，將代播節(jié)目切換至備機(jī)音頻輸入端；通過(guò)向備機(jī)的激勵(lì)器下發(fā)載波頻率切換指令，將備機(jī)的輸出頻率設(shè)定為故障機(jī)的播出頻率.

1.3 控制系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)采用了一種基于多顆嵌入式微控制器的控制方案，該方案將控制系統(tǒng)功能劃分到不同的子控制單元中[4]，功能分配表如表1所示.利用重新配備的智能I/O測(cè)控模塊，使系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)自帶的微機(jī)控制沒(méi)有依賴，以提高系統(tǒng)的可靠性；利用高速數(shù)字CAN通信，減少交換信息的時(shí)間，從而減少倒備機(jī)時(shí)間；利用開(kāi)發(fā)靈活、低成本的嵌入式技術(shù)，來(lái)降低控制系統(tǒng)成本[5].

表1 各控制單元功能分配表

以4+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示，由主控單元、4+1個(gè)智能I/O測(cè)控模塊和觸摸屏模塊組成，主控單元與智能I/O測(cè)控模塊通過(guò)CAN總線交換信息.主控單元與觸摸屏通過(guò)觸摸屏接口交換信息.

圖2 4+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)總體框圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的觸摸屏模塊選用迪文工業(yè)串口屏DMG80480S70-01WT,該屏提供的開(kāi)發(fā)指令豐富，能夠滿足系統(tǒng)人機(jī)交互需要.

系統(tǒng)的核心組件是主控單元和智能I/O測(cè)控模塊.各控制單元都要有CAN通信功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并且要求較高的數(shù)據(jù)處理速度，同時(shí)為了縮短開(kāi)發(fā)周期，各控制單元選用了型號(hào)相同的微控制器.

經(jīng)過(guò)調(diào)研比較，嵌入式微控制器芯片選擇為STM32F103VC，該芯片為32位ARM核微控制器，含有豐富的片內(nèi)外設(shè)，包含設(shè)計(jì)中所需的CAN控制器、SPI接口、I2C接口、3路串口、12位AD轉(zhuǎn)換(3個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)21個(gè)通道)；內(nèi)含256KFLASH和64KSRAM，滿足程序設(shè)計(jì)需要.

2.1 主控單元的設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

主控單元完成的是對(duì)監(jiān)控信息的管理，根據(jù)表1，設(shè)計(jì)了基于STM32F103VC的主控單元，硬件框圖如圖3所示，主控單元包括CAN通信接口、以太網(wǎng)接口、1路RS-232/485(跳線可選)的通信接口、觸摸屏接口以及存儲(chǔ)模塊.

圖3 主控單元的硬件框圖

CAN通信接口是由微控制器內(nèi)置的CAN控制器、通信隔離芯片ADUM1412、CAN收發(fā)器TJA1050和DB9插座依次連接組成；以太網(wǎng)通信接口是由SPI接口的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60、內(nèi)嵌以太網(wǎng)變壓器的RJ45插座HR91105A依次連接組成；RS-485/232通信接口是由微控制器內(nèi)置的串行接口、通信隔離芯片ADUM1412、MAX485/232通信收發(fā)器和DB9插座依次連接組成；存儲(chǔ)芯片選擇為2片I2C接口AT24C1024B，總?cè)萘繛?56 K字節(jié)；觸摸屏接口與迪文觸摸屏模塊相連.

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，主控單元軟件包含的模塊有：CAN通信模塊，獲取所需的倒備機(jī)信息，下發(fā)開(kāi)關(guān)機(jī)指令，下發(fā)同軸開(kāi)關(guān)切換指令；倒備機(jī)控制模塊，判斷哪路節(jié)目需要代播，并控制倒備機(jī)過(guò)程的實(shí)施；觸摸交互模塊，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和N+1系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；存儲(chǔ)模塊完成切換條件等系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)；與上位機(jī)通信的網(wǎng)絡(luò)/串口通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)N+1播出系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.

在此主要介紹倒備機(jī)控制模塊，其它軟件模塊都是較常見(jiàn)的模塊，可參考相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn).倒備機(jī)控制模塊的流程圖如圖4所示，主控單元根據(jù)獲取的信息，判斷并啟動(dòng)倒備機(jī)過(guò)程，按照切換時(shí)序，通過(guò)控制與各組件的通信過(guò)程，發(fā)送相應(yīng)的切換命令來(lái)控制整個(gè)倒備機(jī)過(guò)程.與其配合的控制組件在完成指定命令后，會(huì)回送相應(yīng)執(zhí)行結(jié)果信息，主控單元再根據(jù)回送信息，來(lái)決定下一步切換動(dòng)作.

圖4 倒備機(jī)控制流程圖

2.2 智能I/O測(cè)控模塊的設(shè)計(jì)

智能I/O測(cè)控模塊是根據(jù)發(fā)射機(jī)的取樣接口、判斷倒備機(jī)信息以及使用的同軸開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的，它以STM32F103VC為微控制器，設(shè)計(jì)了8路AI、7路DI、8路DO與發(fā)射機(jī)取樣接口相連(有余量)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倒備機(jī)信息的采集與發(fā)射機(jī)的自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)；設(shè)計(jì)了6路DI、3路DO與同軸開(kāi)關(guān)的取樣接口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)同軸開(kāi)關(guān)的控制.

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

(1)模擬量輸入通道

發(fā)射機(jī)取樣接口的模擬量電平是0～5 V，微控制器的AD轉(zhuǎn)換器只能轉(zhuǎn)換0～3.6 V，需要調(diào)理電路將5 V降至3.6 V.被測(cè)模擬量經(jīng)過(guò)∏型低通濾波(截止頻率48 Hz)，防止工頻干擾；再經(jīng)過(guò)LM324組成的兩級(jí)反向放大電路將(0～5 V)降至(0～3.6 V)，輸入至微控制器的AD轉(zhuǎn)換器.

(2)數(shù)字量輸入通道

被測(cè)數(shù)字量經(jīng)過(guò)TLP521光電隔離后，再通過(guò)帶施密特觸發(fā)器的反相器74HC14將波形整形，連接至微控制器的I/O端口.

(3)數(shù)字量輸出通道

為了增加微控制器端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的個(gè)數(shù)，在微控制器的I/O端口與負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路之間增加了IC緩沖器.微控制器輸出的數(shù)字量經(jīng)過(guò)74HC14后，通過(guò)TLP521光電隔離，再通過(guò)三極管(9013)驅(qū)動(dòng)繼電器(DS2Y-S-3DC)輸出至控制接口.

(4)手動(dòng)控制與狀態(tài)顯示

手動(dòng)控制設(shè)置了一個(gè)手/自動(dòng)控制選擇開(kāi)關(guān)和兩個(gè)手動(dòng)操作按鈕，控制同軸開(kāi)關(guān)正/反轉(zhuǎn)；狀態(tài)顯示用來(lái)反映同軸開(kāi)關(guān)的連接狀態(tài)，同軸開(kāi)關(guān)中的位置開(kāi)關(guān)的閉合/斷開(kāi)，來(lái)控制4個(gè)綠色LED的亮滅.

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能I/O測(cè)控模塊的軟件包括CAN通信模塊、同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖切換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)模塊和自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)模塊.CAN通信模塊和存儲(chǔ)模塊與主控單元類似，數(shù)據(jù)采集模塊和自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)模塊與發(fā)射機(jī)機(jī)型相關(guān)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易，在此，主要介紹同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖切換模塊.

同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖切換模塊的軟件流程圖如圖5所示，該切換控制具有手/自動(dòng)兩種工作方式.在手動(dòng)方式下，通過(guò)繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，這樣使得同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖切換模塊的手、自動(dòng)方式互不影響，增加系統(tǒng)的可靠性；在自動(dòng)模式下，通過(guò)CAN通信接口，接收主控單元發(fā)出的倒備機(jī)/恢復(fù)主機(jī)命令.判斷備機(jī)代播和故障機(jī)關(guān)機(jī)的聯(lián)鎖信息，當(dāng)連鎖正常時(shí)，驅(qū)動(dòng)同軸開(kāi)關(guān)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證在故障機(jī)功率已降且無(wú)備機(jī)連接天線的條件下，完成倒備機(jī)過(guò)程，從而保護(hù)同軸開(kāi)關(guān)和主用發(fā)射機(jī)；當(dāng)備機(jī)成功連接天線時(shí)，輸出允許備機(jī)開(kāi)機(jī)連鎖信息，以保證備機(jī)成功連接天線，才能升備機(jī)功率，從而避免損壞備用發(fā)射機(jī).

圖5 同軸開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖切換流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式微控制器的N+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng),利用嵌入式微控制器，降低了系統(tǒng)的成本；利用智能I/O測(cè)控模塊，使系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)自帶的微機(jī)控制沒(méi)有依賴，提高了系統(tǒng)的可靠性；利用高速CAN通信總線作為信息交換的途徑，減少了獲取監(jiān)測(cè)信息的時(shí)間；采用多控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)各組件模塊化，能夠很好地適應(yīng)不同機(jī)型的發(fā)射機(jī).該N+1自動(dòng)切換控制系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、適應(yīng)性好等特點(diǎn)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值.

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[5] Tammy Noergaard著.馬洪兵譯.嵌入式系統(tǒng)硬件與軟件架構(gòu)[M].北京:人民郵電出版社,2009.