基于接口板卡和RS-485的發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)設計

金莉萍

（天津廣播電視電影集團，天津 300070）

1 引言

監(jiān)控系統(tǒng)是廣播發(fā)射技術的重要分支，對設備穩(wěn)定、播出安全及降低工作強度具有實用價值。隨著計算機控制應用日漸廣泛，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，數據采集和傳輸所用的計算機接口卡已標準化，研華基于計算機（PC）的接口卡價格低廉，總線插槽直接置入PC，軟件支持完善，特別適用于工業(yè)控制應用。兼顧發(fā)射機控制功能復雜、安全可靠、易用易維護及經濟性考慮，該系統(tǒng)采用接口卡與串口相結合的方式作為監(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，作為系統(tǒng)硬件平臺，多功能數據采集卡PCI-813B和數字量I/O卡PCL-731作為I/O通道，RS-232/RS-485轉換作為發(fā)射機串口訪問通道，實現監(jiān)測信號輸入與控制信號輸出。該配置主要特點為：

1）PCI-813B和PCL-731板卡功能強大、可靠性高、實時性好。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)實現模擬量輸入。后者提供48路并行數字量I/O，仿真可編程并行I/O接口芯片8255模式0，提供更高驅動能力的I/O緩沖，中斷方式實現數字量I/O[1]。

2）數據采集。基于穩(wěn)定性考慮，模擬量采集和開關量輸入均采用光電隔離保護。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)硬件允許不同結構類型和不同通信協(xié)議設備接入，可靈活組建并擴展系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可采用高級語言、友好開發(fā)界面和較為復雜的控制算法。

4）該結構安裝簡單靈活，系統(tǒng)組成比較簡單，提供冗余I/O通道，便于擴展和維護。

該系統(tǒng)實際應用在薊縣府君山調頻、電視和天塔調頻發(fā)射機及其附屬設備。監(jiān)控涵蓋發(fā)射機、天倒及假負載等設備，涉及多變量和多工作流程的實時監(jiān)測與控制。

3 軟件設計思想

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計要求實時可靠，與功能協(xié)調統(tǒng)一。軟件結構設計如圖2所示，數據庫是系統(tǒng)運行核心，可以保存系統(tǒng)運行產生的動態(tài)數據和正常運行所需的各種內部信息，各功能模塊通過實時數據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)控程序實時采集和輸出數據，實現數據處理運算、寫數據庫及控制功能；界面程序訪問數據庫實現數據顯示、報警等內容，實時更新及操作。該系統(tǒng)采用上位機/監(jiān)視終端/下位機，即客戶機/服務器結構，多線程設計[2]，實現界面和程序控制。下位機系統(tǒng)可獨立運行，實現監(jiān)控系統(tǒng)全部功能；上位機系統(tǒng)實現監(jiān)控系統(tǒng)管理；監(jiān)視終端實現系統(tǒng)運行監(jiān)視?；谙挛粰C系統(tǒng)功能設計包括控制、通信、數據訪問、短信報警及關機4個線程。控制線程實現發(fā)射機及其附屬設備控制；通信線程實現發(fā)射機串口通信及與上位機以太網通信；數據訪問線程實現接口卡及發(fā)射機串口數據訪問；短信報警及關機線程實現發(fā)射機故障短信報警及短信控制發(fā)射機斷電關機。基于上位機系統(tǒng)顯示功能設計包括數據采集及更新2個線程。數據采集提取下位機采集的數據，實現每500 ms更新所有數據，各線程保證了不同任務運行的同步。上述設計使各功能模塊既相對獨立，又兼顧實時性和協(xié)調性，具有結構分級、單點控制、多點監(jiān)視的特點。

4 軟件設計

基于Windows平臺的工控軟件應用已成為主流，可充分利用Windows豐富的資源，開發(fā)界面友好、功能復雜的應用程序。該系統(tǒng)軟件開發(fā)采用面向對象編程語言VC++6.0，可視化控件及高級技術的應用，使程序開發(fā)簡單快捷[2]。

4.1 控制設計

控制是監(jiān)控系統(tǒng)設計的核心與關鍵。設計要求安全可靠，復雜度較高，且需貼合實際?？紤]常規(guī)播出和發(fā)射機、天線及外電等故障因素對播出的影響，設計假負載試機/關機、開/關假負載、天線播出/關機、時間表開機/關機、開機播出、斷電重開、強制拉閘、故障及強制倒機等流程控制。各流程設計為獨立控制類。故障倒機判斷流程如圖3所示。

控制類實現自動和遙控兩類控制。自動控制是下位機系統(tǒng)獨立運行的根本，按預置時間及發(fā)射機等設備狀態(tài)，自動調用相應控制類實現播出控制。遙控根據手動發(fā)送指令，調用相應控制類實現播出控制。具體為上位機系統(tǒng)定義手動遙控類，使用TCP/IP服務類發(fā)送控制指令至下位機系統(tǒng)，下位機系統(tǒng)解析指令，調用相應控制類執(zhí)行播出控制。流程控制所需參數設置為：1）外電重起次數。設置外電故障，重啟發(fā)射機次數，該次數后，視為設備故障，另行處理。2）故障倒機閾值。發(fā)射機輸出功率下限低于該值，滿足故障倒機條件之一。3）外電恢復時間。該時間內供電恢復正常，重開發(fā)射機。4）試機時間。超過該時間，中斷試機。

為確?？刂瓢踩到y(tǒng)設計為延時控制，旨在確認有效性。具體為：1）開機延時，以確認天線到位；2）倒機滿足保持，故障出現后延時，以確認非自行消除故障發(fā)生；3）數據采集延時，開機且工作穩(wěn)定后，采集有效數據；4）音頻報警延時，超過該時間仍無音頻，報警。

4.2 通信設計

通信是系統(tǒng)基礎，系統(tǒng)采用Mscomm控件定義串口通信類，實現下位機與發(fā)射機間串口通信；Socket API定義TCP/IP通信線程，實現下位機與上位機間以太網通信。通信協(xié)議設計包括請求和應答命令，主要針對該系統(tǒng)字符型數據設計，其他需轉換類型，再做協(xié)議傳輸。該線程調用定義的TCP/IP通信服務類，實現上位機與下位機間實時數據存取命令的發(fā)送、接收及解析。

4.3 數據訪問

實現發(fā)射機控制和運行監(jiān)視的基礎，包括串口數據訪問線程和接口數據訪問類。

1）串口數據訪問線程。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)射機控制單元串口提供的控制和參數類數據，采集數據寫入實時數據庫，發(fā)射機發(fā)生動作時，該線程暫時掛起。

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

4.4 數據存儲

控制系統(tǒng)數據具有多類型特點，主要包括采集數據、控制輸出數據、實時數據、長期保存數據（如控制參數等）和操作記錄等。根據數據使用情況，采用實時數據庫（RTDB）、文件及關系數據庫實現數據存儲。

1）RTDB。用于接收I/O通道的輸入數據并實時更新，為控制、報警、管理及顯示等模塊提供一致性實時信息，減少數據冗余，避免內存垃圾。兼具實時性、存取高效性及高可靠性特質。通過事務管理解決數據訪問和存儲沖突。該系統(tǒng)RTDB采用內存存儲，采集數據存于數組，定時更新并寫入歷史數據庫。定義RTDB類，使用該類定義的讀寫函數提供數據給應用對象。RTDB類定義包括初始類和讀寫函數。初始類創(chuàng)建各種結構體數據對象，并建立數據對象索引，以提高訪問速度；讀寫函數提供數據對象基本操作，如由數據對象ID獲取其他屬性等。提供數據對象讀寫操作，將緩沖區(qū)存放數據寫入RTDB數據對象，讀取數據對象當前值。

2）文件存儲。鑒于文件存儲具有讀取速度快、寫文件方便、可避免數據庫訪問失效等優(yōu)點，適于下位機系統(tǒng)獨立運行，以文本、配置及數據文件存于外存（硬盤）。

3）歷史數據庫。數據訪問采用速度快、占用內存少的ADO技術。該系統(tǒng)采用SQL關系數據庫。數據庫建立和數據存儲過程實現如下：

（1）建立數據庫。其設計旨在記錄發(fā)射機運行情況，以備故障分析及設備檢修之用。主要設計事件、抄表、操作及時間表修改記錄等若干數據表。其中，事件記錄存儲發(fā)射機、下位機及上位機的報警、任務、遙控操作及通信事件；抄表記錄存儲發(fā)射機模擬量指標；操作記錄存儲操作動作（如遙控開機等動作）；時間表修改記錄存儲修改前/后的時間表。

（2）創(chuàng)建ADO訪問控件。建立、控制與ADO數據庫連接，OLE DB提供者設為SQL，并使其他ADO控件共享此連接。

（3）建立數據存儲過程。創(chuàng)建Datagrid控件，Connection屬性指向ADO訪問控件，使之與數據庫相連，這樣既可訪問數據庫的所有數據表，也可實現數據庫查、插、刪、改等操作。在監(jiān)控程序中，根據不同需要建立不同數據表的存儲過程，以實現數據庫實時更新。

4.5 事件顯示

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

4.6 用戶權限管理及重要操作身份認證

基于用戶權限管理，實現發(fā)射機控制操作身份認證，具有控制權限的用戶可執(zhí)行發(fā)射機控制，確保播出控制安全。

5 小結

通過該系統(tǒng)在薊縣府君山調頻、電視和天塔調頻發(fā)射機及其附屬設備的實踐表明，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成功實現發(fā)射機及其附屬設備的實時控制。確保了安全優(yōu)質播出，提高了工作效率和管理水平。

[1]研華（中國）培訓中心.數據采集系統(tǒng)應用與編程[EB/OL].[2010-03-16].http：//doc.baidu.com/view/e1b1320203d8ce2f0066233d.html.

[2]KRUGLINSKI D J.Visual C++技術內幕[M].4版.潘愛民，王國印，譯.北京：清華大學出版社，2001.