基于ARM的N+1自動切換控制系統(tǒng)的設計

黨宏社， 姚 勇， 張新院

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

為了避免發(fā)射機故障造成停播事故，大多數發(fā)射臺播出系統(tǒng)都采用主機+備機的工作方式.傳統(tǒng)的發(fā)射機備份采用一臺主用發(fā)射機配一臺備機的方式，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，無疑將增加設備的投資.同時這種備份方式的備機利用率低，且設備維護量大[1,2].

隨著發(fā)射機技術的發(fā)展，全國發(fā)射臺的多數調頻節(jié)目已基本上都采用全固態(tài)調頻發(fā)射機，全固態(tài)調頻發(fā)射機可以發(fā)射全頻帶任意一個頻點的節(jié)目，這使得設計N+1播出系統(tǒng)成為可能，即多臺發(fā)射機共用一臺備機[1,3].這種方式不但能達到主用發(fā)射機故障不停播的目的，而且減少了備機設備的投資和維護量.但目前全國的發(fā)射臺投入全自動N+1播出系統(tǒng)的不多，并且N+1自動切換控制系統(tǒng)實現方式也不盡相同，新光N+1發(fā)射控制系統(tǒng)[2]，以工控機為控制器，信息獲取需依賴發(fā)射機自帶的微機控制；吉兆調頻N+1自動切換控制系統(tǒng)[3]，以PLC為控制器，為每部發(fā)射機配備了專用的測控模塊.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，和對發(fā)射機自帶的微機控制有依賴的缺點，提出了利用多顆嵌入式微控制器實現備機切換的信息采集與控制，以達到在主用發(fā)射機故障時，能夠快速安全地讓備機代播，保證節(jié)目的優(yōu)質播出.

1 控制系統(tǒng)的總體設計方案

1.1 控制要求

控制要求包括[1,3]：(1)監(jiān)測主備機的運行狀態(tài)；(2)根據預先設定的倒備機條件，判斷出故障機并實施倒備機過程；(3)響應遠程上位機的命令，實現對N+1播出系統(tǒng)的遠程監(jiān)控；(4)要有聯(lián)鎖保護功能，保證設備安全；(5)倒備機要盡可能的快.

1.2 倒備機原理

N+1播出系統(tǒng)中的N表示播出的節(jié)目數，1表示備用發(fā)射機.以N=4，播出4個調頻節(jié)目為例，圖1是一個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，當主用發(fā)射機正常時，主用發(fā)射機的輸出至天線，備機通過同軸開關連接至假負載.當任意1臺主用發(fā)射機故障時，4+1自動切換控制系統(tǒng)通過控制配備的同軸開關，來倒換主備機輸出端的連接關系，使備機輸出至天線，故障機輸出至假負載；通過向音頻矩陣切換器下發(fā)切換指令，將代播節(jié)目切換至備機音頻輸入端；通過向備機的激勵器下發(fā)載波頻率切換指令，將備機的輸出頻率設定為故障機的播出頻率.

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測控模塊，使系統(tǒng)對發(fā)射機自帶的微機控制沒有依賴，以提高系統(tǒng)的可靠性；利用高速數字CAN通信，減少交換信息的時間，從而減少倒備機時間；利用開發(fā)靈活、低成本的嵌入式技術，來降低控制系統(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個智能I/O測控模塊和觸摸屏模塊組成，主控單元與智能I/O測控模塊通過CAN總線交換信息.主控單元與觸摸屏通過觸摸屏接口交換信息.

圖2 4+1自動切換控制系統(tǒng)總體框圖

2 控制系統(tǒng)的設計與實現

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

系統(tǒng)的核心組件是主控單元和智能I/O測控模塊.各控制單元都要有CAN通信功能、數據存儲功能，并且要求較高的數據處理速度，同時為了縮短開發(fā)周期，各控制單元選用了型號相同的微控制器.

經過調研比較，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，含有豐富的片內外設，包含設計中所需的CAN控制器、SPI接口、I2C接口、3路串口、12位AD轉換(3個模數轉換器，多達21個通道)；內含256KFLASH和64KSRAM，滿足程序設計需要.

2.1 主控單元的設計

2.1.1 硬件設計

主控單元完成的是對監(jiān)控信息的管理，根據表1，設計了基于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；以太網通信接口是由SPI接口的以太網控制芯片ENC28J60、內嵌以太網變壓器的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；存儲芯片選擇為2片I2C接口AT24C1024B，總容量為256 K字節(jié)；觸摸屏接口與迪文觸摸屏模塊相連.

2.1.2 軟件設計

軟件設計采用模塊化的設計方法，主控單元軟件包含的模塊有：CAN通信模塊，獲取所需的倒備機信息，下發(fā)開關機指令，下發(fā)同軸開關切換指令；倒備機控制模塊，判斷哪路節(jié)目需要代播，并控制倒備機過程的實施；觸摸交互模塊，完成系統(tǒng)參數的設置和N+1系統(tǒng)狀態(tài)的實時顯示；存儲模塊完成切換條件等系統(tǒng)參數的存儲；與上位機通信的網絡/串口通信模塊，實現對N+1播出系統(tǒng)的遠程監(jiān)控.

在此主要介紹倒備機控制模塊，其它軟件模塊都是較常見的模塊，可參考相關文獻實現.倒備機控制模塊的流程圖如圖4所示，主控單元根據獲取的信息，判斷并啟動倒備機過程，按照切換時序，通過控制與各組件的通信過程，發(fā)送相應的切換命令來控制整個倒備機過程.與其配合的控制組件在完成指定命令后，會回送相應執(zhí)行結果信息，主控單元再根據回送信息，來決定下一步切換動作.

圖4 倒備機控制流程圖

2.2 智能I/O測控模塊的設計

智能I/O測控模塊是根據發(fā)射機的取樣接口、判斷倒備機信息以及使用的同軸開關設計的，它以STM32F103VC為微控制器，設計了8路AI、7路DI、8路DO與發(fā)射機取樣接口相連(有余量)，實現對倒備機信息的采集與發(fā)射機的自動開關機；設計了6路DI、3路DO與同軸開關的取樣接口相連，實現對同軸開關的控制.

2.2.1 硬件設計

(1)模擬量輸入通道

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

(2)數字量輸入通道

被測數字量經過TLP521光電隔離后，再通過帶施密特觸發(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)數字量輸出通道

為了增加微控制器端口驅動負載的個數，在微控制器的I/O端口與負載驅動電路之間增加了IC緩沖器.微控制器輸出的數字量經過74HC14后，通過TLP521光電隔離，再通過三極管(9013)驅動繼電器(DS2Y-S-3DC)輸出至控制接口.

(4)手動控制與狀態(tài)顯示

手動控制設置了一個手/自動控制選擇開關和兩個手動操作按鈕，控制同軸開關正/反轉；狀態(tài)顯示用來反映同軸開關的連接狀態(tài)，同軸開關中的位置開關的閉合/斷開，來控制4個綠色LED的亮滅.

2.2.2 軟件設計

智能I/O測控模塊的軟件包括CAN通信模塊、同軸開關聯(lián)鎖切換模塊、數據采集模塊、系統(tǒng)參數存儲模塊和自動開關機模塊.CAN通信模塊和存儲模塊與主控單元類似，數據采集模塊和自動開關機模塊與發(fā)射機機型相關，實現起來相對容易，在此，主要介紹同軸開關聯(lián)鎖切換模塊.

同軸開關聯(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/自動兩種工作方式.在手動方式下，通過繼電器控制電路實現手動控制，這樣使得同軸開關聯(lián)鎖切換模塊的手、自動方式互不影響，增加系統(tǒng)的可靠性；在自動模式下，通過CAN通信接口，接收主控單元發(fā)出的倒備機/恢復主機命令.判斷備機代播和故障機關機的聯(lián)鎖信息，當連鎖正常時，驅動同軸開關的電機轉動，以保證在故障機功率已降且無備機連接天線的條件下，完成倒備機過程，從而保護同軸開關和主用發(fā)射機；當備機成功連接天線時，輸出允許備機開機連鎖信息，以保證備機成功連接天線，才能升備機功率，從而避免損壞備用發(fā)射機.

圖5 同軸開關聯(lián)鎖切換流程圖

3 結束語

設計了一種基于嵌入式微控制器的N+1自動切換控制系統(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測控模塊，使系統(tǒng)對發(fā)射機自帶的微機控制沒有依賴，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)測信息的時間；采用多控制器系統(tǒng)結構，使系統(tǒng)各組件模塊化，能夠很好地適應不同機型的發(fā)射機.該N+1自動切換控制系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、適應性好等特點，具有推廣應用價值.

[1] 蔣紅安.調頻廣播發(fā)射機N+1播出系統(tǒng)簡介[J].廣播電視信息, 2007,14(8):48-50.

[2] 成都新光微波工程有限責任公司.新光N+1電視發(fā)射機系統(tǒng)說明書[EB/OL]. http://www.catvmmds.com/DownClass-3-1.html, 2010-01-22.

[3] 楊 凱.調頻發(fā)射機N+1自動切換控制系統(tǒng)設計[J].電視技術, 2006,29(12):77-78.

[4] 寇 強,黨宏社.3 kW調頻廣播發(fā)射機微機控制器的硬件設計[J].計算機測量與控制,2008,16(7):964-966.

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