侯有強

（東營市融媒體中心，山東 東營 257091）

0 引言

隨著中波廣播發(fā)射臺向“有人值守、無人值班”的運行模式發(fā)展，自動化系統(tǒng)的嵌入使用無疑是最佳選擇，尤其在播出控制系統(tǒng)領(lǐng)域完成數(shù)字化、自動化升級后，能夠有效提升系統(tǒng)工作效率和安全播出能力。目前，中波廣播發(fā)射臺普遍采用集中控制管理模式，當播控系統(tǒng)突發(fā)故障時，由于單機不具備自動化控制能力，會直接導致多個工作頻率設(shè)備停播，進而造成一系列安全播出事故[1]。因此，采用分布式設(shè)計思路，將集中控制管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧泄芾怼⒎植伎刂颇Ｊ?，利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)重點解決單機自動化實現(xiàn)的問題，能夠提高中波廣播發(fā)射臺的自動化水平，降低重大停播事故發(fā)生的概率。

1 中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)

中波廣播發(fā)射臺播控系統(tǒng)是一種基于多設(shè)備、多平臺綜合運行的播出控制系統(tǒng)，在正常工作中會因設(shè)備間的互擾、平臺間的串擾導致信號傳輸?shù)难舆t、停滯或者信號本身受到影響，導致廣播電視安全播出異常。本文利用FPGA 技術(shù)完成對中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)的組織架構(gòu)如圖1 所示，重點突出自動控制管理與應(yīng)急處置，確保中波廣播發(fā)射臺整體穩(wěn)定運行[2]。

圖1 中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)

從圖1 可以看出，F(xiàn)GPA 對中波廣播發(fā)射臺的下位機側(cè)（中后端）完成基帶信號處理與控制信號的管理，通過預(yù)置在存儲器中的控制信號自動完成對發(fā)射機、音頻信號以及電源等的自動控制與處理，監(jiān)測發(fā)射臺各型電子設(shè)備的工作狀態(tài)和外部環(huán)境的實際狀態(tài)，利用切換機適時干預(yù)和控制，同時將指令和預(yù)期結(jié)果回傳至中波廣播發(fā)射臺的上位機側(cè)（前端），通過交換機下達播控指令，最終實現(xiàn)對中波廣播發(fā)射臺播控系統(tǒng)的自動化調(diào)節(jié)、控制與管理。

2 中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 單機自動化系統(tǒng)

單機自動化系統(tǒng)的設(shè)計主要基于云平臺“監(jiān)、管、維”一體的控制管理系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面進行設(shè)計開發(fā)[3]，如圖2 所示，幫助中波廣播發(fā)射臺整體上了解單機的運行情況，關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容播出的穩(wěn)定性，及時預(yù)警異常情況。

圖2 單機自動化系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 單機監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央處理器、云端存儲器及集成控制器等組成。它采用RISC 微處理器（Advanced RISC Machine，ARM）架構(gòu)，以FPGA 技術(shù)為基礎(chǔ)，融入數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）算法。中央處理器實現(xiàn)對集成控制器進行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，與保護設(shè)備、遠程控制中心及其他設(shè)備通信，實時掌握發(fā)射機、音頻信號處理器、電源、存儲器以及切換機的運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障。各間隔層單元保留應(yīng)急手動操作跳、合閘手段，各本地配屬的單元相互獨立、互不影響，功能上不依賴嵌入式系統(tǒng)，因此監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和可用性強。

2.1.2 中央管理系統(tǒng)

中央管理系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、多維度分析、報表參數(shù)查詢等功能?？梢詫⒅醒牍芾硐到y(tǒng)視為上位機側(cè)，將單機監(jiān)控系統(tǒng)視為下位機側(cè)。系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)連接，按照Socket 協(xié)議使用套接字進行數(shù)據(jù)傳輸。通過分析數(shù)據(jù)變化的趨勢，為系統(tǒng)運行管理提供依據(jù)。設(shè)備管理主要包含自動調(diào)控、異常監(jiān)控、智能檢測等功能。通過監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，及時上報告警信息，通過對設(shè)備的自動控制，在保障中波節(jié)目安全播出的同時，降低設(shè)備負荷，減少安全故障發(fā)生的概率。

2.1.3 運維云平臺

運維云平臺接入加裝在嵌入式系統(tǒng)的在線監(jiān)控裝置、環(huán)境監(jiān)測傳感器及單機的攝像頭，用于實時監(jiān)測各單機工作環(huán)境溫濕度、電纜接頭及線纜溫度、開閉狀態(tài)等。本地監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會集成在云平臺上，從而達到遠程實時監(jiān)控各個單機的運行情況，在發(fā)生單機工作狀態(tài)參量超過設(shè)置值預(yù)警或環(huán)境異常變化時及時檢測到，并通過手機App 或者短信報警給技術(shù)人員和管理人員，確保第一時間予以響應(yīng)和處理。

2.2 發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)

以單機自動化系統(tǒng)為基點，發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)還需要增加邏輯控制模塊、自主響應(yīng)模塊等，同時提供多個標準化外部接口，實現(xiàn)對中波廣播發(fā)射臺播控系統(tǒng)的自動化管控維。

2.2.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊主要包括開/關(guān)邏輯控制、功率邏輯控制等部分，通過緊湊型EtherCAT 控制器和插片式輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口設(shè)計[4]，即Core i 級微處理器、最小的可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）、模 塊化I/O 和高速串行計算機擴展總線標準（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）。邏輯控制模塊將網(wǎng)關(guān)、運動控制、I/O 數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線、機器視覺和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集成到一個邏輯控制平臺中，既易于集成又易于擴展，且具備高性能處理能力、開放的平臺和極為可靠的擴展能力，為發(fā)射臺播控系統(tǒng)的自動化實現(xiàn)提供了更好的邏輯控制能力。

2.2.2 自主響應(yīng)模塊

自動化播控系統(tǒng)必須具備自主響應(yīng)能力，能夠自動完成應(yīng)急處置。當單機工作出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)需要自動判斷故障類型，并選擇適合的應(yīng)急處置策略。第一，自動巡檢所有電源、發(fā)射機、切換機等設(shè)備，如電源出現(xiàn)問題，包括整個發(fā)射臺供電故障，如電源功率低，保險燒毀、電源插頭接觸不良等，需要及時發(fā)現(xiàn)并上報；第二，定時巡檢傳感器位置是否出現(xiàn)偏移，同時檢查傳感器的傳感位置和靈敏度，若出現(xiàn)偏差及時調(diào)節(jié)，如果傳感器壞掉需立刻更換；第三，不定時檢查控制器、切換機，隨著設(shè)備的振動而出現(xiàn)控制器等設(shè)備松動現(xiàn)象，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)分析判斷后及時處置。

以上監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，需要自主響應(yīng)模塊及時干預(yù)，并輸出倒備機控制信號，確保播控系統(tǒng)的正常運行。隨后通過主機的自動連接發(fā)出報警信息，顯示異常情況，并輔助中央管理系統(tǒng)、單機監(jiān)控系統(tǒng)按照預(yù)置方案完成故障處置[5]。

2.2.3 標準化接口

標準化接口能夠為遠程控制和數(shù)據(jù)處理提供標準和依據(jù)，也可為中波廣播發(fā)射臺的外部控制提供可視化界面，有利于進行整體的性能監(jiān)測。

2.3 基于FPGA 的軟件環(huán)境

根據(jù)自動化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，在ARM 基礎(chǔ)上，利用FPGA+DSP 技術(shù)將控制信號集成化，實現(xiàn)中波廣播發(fā)射臺的自動化播控能力。FPGA 邏輯資源可用于實現(xiàn)播控系統(tǒng)自動化的控制電路功能，如圖3 所示。其中，F(xiàn)PGA 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的高速比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制、播控系統(tǒng)的PID 控制，并完成與上位機側(cè)的管理系統(tǒng)的通信功能[6]。

圖3 基于FPGA 技術(shù)的自動化播控系統(tǒng)實現(xiàn)

通過FPGA 的靈活性設(shè)計平臺，搭建ZYNQ信號采樣模塊，并與單機狀態(tài)采集、發(fā)射臺系統(tǒng)狀態(tài)采集等傳感器互聯(lián)；增加多進制數(shù)字相位調(diào)制（Multiple Phase Shift Keying，MPSK）調(diào)控、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，提高控制信號的響應(yīng)速度，實現(xiàn)邏輯控制模塊與自主響應(yīng)模塊工作的時效性；上位機側(cè)編寫GNURadio 軟件平臺，及時處理基帶數(shù)據(jù)，并傳輸至下位機側(cè)，由下位機利用控制器進行分析，發(fā)布指令。利用FPGA 控制，系統(tǒng)更加容易擴展，提升了可靠性。

3 中波臺自動化播控系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 線路規(guī)劃

由于中波臺機房內(nèi)電子電氣設(shè)備數(shù)量多、型號雜，自動化的實現(xiàn)需要各類設(shè)備能夠完成信號通聯(lián)，且在一定信號干擾下能夠保持通聯(lián)的有效性。因此，需要在前期對各類電子電氣設(shè)備進行科學規(guī)劃和系統(tǒng)配置，盡可能降低互擾和串擾，即基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）進行布線，實現(xiàn)播控系統(tǒng)自動化。設(shè)備的通聯(lián)線路分別設(shè)置在機房的兩端，并對網(wǎng)絡(luò)、控制、同步、安全等系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，降低自動化播控系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。

3.2 設(shè)備配置

原始信號源是中波廣播電視臺的核心要素。一旦出現(xiàn)信源無法實時監(jiān)測，需要自主響應(yīng)搜索備用信源，自動進行信源切換。本文選擇ZHC348-4020SZ/RCA 音頻切換器，通過支持4 路非平衡模擬音頻輸入（RCA 接口，支持墊樂），經(jīng)自動切換后2 路非平衡模擬音頻分配輸出（RCA 接口，內(nèi)容相同），能夠同時實現(xiàn)手動和自動切換模式，即在手動狀態(tài)下可以方便地通過按鈕選擇所需音頻通道，在自動模式下通過智能判斷通道音頻狀態(tài)進行切換。此外，自主式的信號處理需要完成中波信號間的自動控制，保持輸出信號波形基本保持不變，避免產(chǎn)生嚴重波動或失真[7]。本文選擇TesiraFORT AVB AI 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號處理器，借助8 路可配置通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）通道，并將TesiraFORT 直接與USB 主機連接，用作獨立設(shè)備或與TesiraDSPs、擴展器和控制器結(jié)合使用。完成信號路由、均衡、濾波、動態(tài)、延遲以及不同線路之間脈沖信號的控制、監(jiān)控和診斷，進一步利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)播控系統(tǒng)自動化。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，中波廣播發(fā)射臺正由數(shù)字化向網(wǎng)絡(luò)化、自動化方向發(fā)展，自動化播控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)將使得中波臺的整體運行達到更高水平。本文通過對中波廣播發(fā)射臺自動化播控系統(tǒng)的研究，從組織架構(gòu)、設(shè)計思路到實現(xiàn)方法等層面構(gòu)建了一套“邏輯控制、自主響應(yīng)”于一體的自動化播控系統(tǒng)，更好地滿足融媒體發(fā)展業(yè)態(tài)下的中波業(yè)務(wù)支撐的現(xiàn)實需要。