交換開關(guān)控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

交換開關(guān)控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

國(guó)家廣電總局八三一電臺(tái) 梁延成

我臺(tái)于2006年8月進(jìn)行室內(nèi)交換開關(guān)控制系統(tǒng)改造，通過室內(nèi)交換開關(guān)的倒換，實(shí)現(xiàn)了每部發(fā)射機(jī)都可以上任意一副天線，使發(fā)射機(jī)間的相互代播簡(jiǎn)單快捷，提高了發(fā)射機(jī)應(yīng)急播出能力。

隨著時(shí)間的推移，原交換開關(guān)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)存的不足逐漸暴露出來：

1.當(dāng)服務(wù)器端死機(jī)后，客戶端無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。即當(dāng)天控工控機(jī)出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，值班員是無法察覺的（系統(tǒng)無監(jiān)控、報(bào)警界面）。

2.該系統(tǒng)人機(jī)交換界面設(shè)計(jì)不夠人性化，操作不方便，功能不夠強(qiáng)大，系統(tǒng)不夠完善。

3.該系統(tǒng)不能進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。隨著事業(yè)的發(fā)展，我臺(tái)安裝了一部150kW發(fā)射機(jī)備機(jī)，備機(jī)無法融入當(dāng)前系統(tǒng)，發(fā)揮應(yīng)有的作用。

在經(jīng)過反復(fù)研討論證后，我們確定了在原有交換開關(guān)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。改造分為三個(gè)方面：

（1）對(duì)原有交換開關(guān)控制系統(tǒng)使用的PLC控制器進(jìn)行改進(jìn)，即基于增加一部備機(jī)和一個(gè)同軸開關(guān)的前提下，重新設(shè)計(jì)了PLC硬件接線和PLC端口分配；

（2）對(duì)原有交換開關(guān)控制系統(tǒng)使用的PLC控制器的內(nèi)部程序進(jìn)行編寫，達(dá)到需要的擴(kuò)展功能；

（3）開發(fā)了一套基于PC終端的自動(dòng)化軟件，使新的天控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

一、PLC控制器硬件的改進(jìn)

我臺(tái)原有室內(nèi)交換開關(guān)控制系統(tǒng)使用的PLC控制器是AB公司的Logix5561，經(jīng)

面查看硬件設(shè)備后，結(jié)合升級(jí)改造的要求，重新設(shè)計(jì)了PLC控制器的硬件接線和PLC端口分配：

1.增加一部發(fā)射機(jī)和一個(gè)同軸開關(guān)控制

相應(yīng)新增加的信號(hào)有：來自發(fā)射機(jī)備機(jī)的合高壓信號(hào)、去往發(fā)射機(jī)備機(jī)的天線正常信號(hào)、備機(jī)同軸開關(guān)的天線位和負(fù)載位返回信號(hào)和控制同軸開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)電源輸入信號(hào)。

因此，將這幾個(gè)信號(hào)做了如下分配：備機(jī)的合高壓信號(hào)接到天控柜的FBT板，此板有12路輸入，此前四部發(fā)射機(jī)的合高壓信號(hào)用了四路；備機(jī)的天線正常信號(hào)接到天控柜TXBSFA板，此板有12路輸出，此前四部發(fā)射機(jī)的天線正常信號(hào)用了四路；備機(jī)同軸開關(guān)的信號(hào)接到天控柜控制板2上的第四個(gè)端子，該端子上的直通和轉(zhuǎn)向返回信號(hào)接備機(jī)同軸開關(guān)的天線位和負(fù)載位，該端子的直通輸出和轉(zhuǎn)向輸出接到分別通過二極管并聯(lián)控制中間繼電器，中間繼電器的輸入接220VAC，輸出接備機(jī)同軸開關(guān)電機(jī)電源。

2.硬件端口分配

根據(jù)以上的硬件連接，給各信號(hào)分配相應(yīng)的PLC端口：備機(jī)的天線正常信號(hào)分配的端口地址是模塊2的4號(hào)端口，同軸開關(guān)的直通輸出和轉(zhuǎn)向輸出分配的端口地址是模塊4的15號(hào)和14號(hào)地址；備機(jī)合高壓信號(hào)分配的端口地址是模塊7的4號(hào)端口，同軸開關(guān)的直通返回和轉(zhuǎn)向返回地址分別是模塊9的15和14號(hào)端口。

二、PLC控制器內(nèi)部程序編寫

完成了PLC控制器的硬件接線和端口分配，我們對(duì)PLC內(nèi)部程序進(jìn)行編制。PLC控制器內(nèi)部編程主要實(shí)現(xiàn)以下功能：交換開關(guān)和同軸開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)、天線正常信號(hào)的輸出、指示信號(hào)的輸出（包含PLC和上位機(jī)的通訊）。

1.交換開關(guān)和同軸開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)

設(shè)計(jì)如下：設(shè)置允許接收變量，每當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)時(shí)，該變量設(shè)置為允許，當(dāng)接收來自上位機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)完成之后，如果交換開關(guān)處于高壓狀態(tài)，則相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)被置為零，重新設(shè)置該變量為禁止接收狀態(tài)，然后進(jìn)行相應(yīng)開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.天線正常信號(hào)的輸出

這部分的內(nèi)容設(shè)計(jì)思路如下：列出發(fā)射機(jī)上天線的所有情況，根據(jù)當(dāng)前的交換開關(guān)狀態(tài)輸出是否允許發(fā)射機(jī)加高壓，如果允許發(fā)射機(jī)加高壓，輸出天線正常信號(hào)，如果允許并且發(fā)射機(jī)處于合高壓狀態(tài)，則禁止相應(yīng)開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.指示信號(hào)的輸出（包含PLC和上位機(jī)的通訊）

每當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化之后，上位機(jī)程序能夠及時(shí)讀取相應(yīng)信號(hào)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的指示燈。

新的PLC程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要進(jìn)行PLC程序調(diào)試。為此，編寫了一份測(cè)試文檔，針對(duì)天控系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況，查看運(yùn)行結(jié)果是否符合預(yù)期目標(biāo)，主要內(nèi)容是交換開關(guān)和同軸開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)、高壓狀態(tài)下是否禁止運(yùn)行、運(yùn)行圖禁止/自動(dòng)情況下交換開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況、輸出指示是否正常，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試修改，PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

三、開發(fā)一套基于PC終端的天控自動(dòng)化軟件

本次交換天關(guān)系統(tǒng)的軟件部分，充分利用的軟件復(fù)用技術(shù)，結(jié)合以往在自動(dòng)化方面基礎(chǔ)，重新定制了新交換開關(guān)系統(tǒng)。首先，使用了基于ACE網(wǎng)絡(luò)通訊組件包，解決了服務(wù)器端死機(jī)后，客戶端無法發(fā)現(xiàn)的問題；其次，使用類visio組件包，解決了窗口在重新繪制和通訊斷開時(shí)，用戶點(diǎn)擊后出現(xiàn)“未響應(yīng)”的問題；然后，利用日志組件包，解決了設(shè)備狀態(tài)變化無法查詢的問題；最后，利用語音組件包，更人性化地提示值班員設(shè)備狀態(tài)變化過程。（軟件復(fù)用就是將已有的軟件成分用于構(gòu)造新的軟件系統(tǒng)?？梢员粡?fù)用的軟件成分一般稱作可復(fù)用構(gòu)件，無論對(duì)可復(fù)用構(gòu)件原封不動(dòng)地使用還是作適當(dāng)?shù)男薷暮笤偈褂?，只要是用來?gòu)造新軟件，則都可稱作復(fù)用。軟件復(fù)用主要用來縮減軟件開發(fā)和維護(hù)的花費(fèi)，是提高軟件生產(chǎn)力和質(zhì)量的一種重要技術(shù)。）

1.基于ACE的網(wǎng)絡(luò)通訊組件包

舊系統(tǒng)采用了windows自帶的通訊組件包，由于系統(tǒng)的通訊組件包未加入心跳機(jī)制，所在當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，客戶端用戶無法知道它已與服務(wù)器斷開連接，嚴(yán)重影響了播出任務(wù)。如何解決及時(shí)發(fā)現(xiàn)連接被斷開呢？結(jié)合我臺(tái)在通訊組件方面的知識(shí)積累，本次通訊組件包，采用了基于ACE開發(fā)的通訊組件包，下面介紹一下這個(gè)組件包的內(nèi)容：

ACE自適配通信環(huán)境（Adaptive Commu-nication Environment）是可以自由使用、開放源碼的面向?qū)ο罂蚣?，在其中?shí)現(xiàn)了許多用于并發(fā)通信軟件的核心模式。ACE提供了一組豐富的可復(fù)用C++ Wrapper Facade和框架組件，可跨越多種平臺(tái)完成通用的通信軟件任務(wù)。ACE的目標(biāo)用戶是高性能和實(shí)時(shí)通信服務(wù)和應(yīng)用的開發(fā)者。它簡(jiǎn)化了使用進(jìn)程間通信、事件多路分離、顯式動(dòng)態(tài)鏈接和并發(fā)的OO網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的開發(fā)。此外，通過服務(wù)在運(yùn)行時(shí)與應(yīng)用的動(dòng)態(tài)鏈接，ACE還使系統(tǒng)的配置和重配置得以自動(dòng)化。

ACE有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)可移植性；有更好的軟件質(zhì)量；有更高的效率和可預(yù)測(cè)性；更容易轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)中間件；系統(tǒng)具備工業(yè)級(jí)質(zhì)量，可靠性非常高。我臺(tái)開發(fā)出了一套基于ACE的高效網(wǎng)絡(luò)通信組件包，隱藏最底層的細(xì)節(jié)問題，剝離復(fù)雜度，讓每位網(wǎng)絡(luò)通信的開發(fā)者不用理會(huì)數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)模歉訉Ｗ⒂谶壿嫷拈_發(fā)，進(jìn)而降低軟件開發(fā)周期。目前此套組件已實(shí)現(xiàn)功能：

1）服務(wù)器會(huì)根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，自己選擇Proactor（windows）框架還是Reactor（linux）框架。

2）對(duì)底層數(shù)據(jù)加密，剝離出來一個(gè)類，可以通過給這個(gè)類注入自己的加密算法完成對(duì)數(shù)據(jù)包的加密，使數(shù)據(jù)在被竊取后也不能知道真正內(nèi)容，保證數(shù)據(jù)的安全性。

3）完善的日志系統(tǒng)，服務(wù)器會(huì)動(dòng)態(tài)的記載當(dāng)前處理指令情況，每個(gè)鏈接處理數(shù)據(jù)包的時(shí)間，數(shù)量，以及工作線程的狀態(tài)。提供給開發(fā)者最完善的數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)，也提供給開發(fā)人員對(duì)服務(wù)器的效率進(jìn)行分析和配置。

4）服務(wù)器和客戶端做了心跳處理，會(huì)自動(dòng)斷開或重連無效鏈接。

5）在發(fā)送一些大數(shù)據(jù)時(shí)候，采用自主研發(fā)的粘包算法，避免大數(shù)據(jù)的粘包問題。

6）大量使用內(nèi)存池和對(duì)象池，使組件運(yùn)行效率更高、速度更快。

7）允許和禁止接入的IP地址控制，避免非法終端接入，竊取機(jī)密數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)更加具有安全性。

8）簡(jiǎn)化調(diào)用接口，在設(shè)置好配置文件后，開發(fā)人員只需要調(diào)用一個(gè)函數(shù)就可完成UDP，TCP/IP及MDP等網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，并可通過回調(diào)函數(shù)和發(fā)送函數(shù)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)管理。

2.基于多線程的類visio可視組件包

工業(yè)控制軟件對(duì)圖形處理要求很高，需要很強(qiáng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，往往開發(fā)類似的界面需要花費(fèi)很長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)間，尤其是當(dāng)您的應(yīng)用程序還需要支持打印、關(guān)系復(fù)雜的連接圖以及拖拉操作等功能的時(shí)候就更是如此，此類應(yīng)用程序要求用戶可以能夠在上面動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)各種數(shù)據(jù)關(guān)系，并處理非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)流程。再加上MFC只提供了一些最基本的GDI調(diào)用函數(shù)，它能夠提供給我們的幫助非常非常少。因此開發(fā)這類應(yīng)用程序不僅要求開發(fā)人員要去處理大量的非常復(fù)雜的Windows GDI的調(diào)用，而且還需要繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。這將是一個(gè)非常耗時(shí)耗力的工作。

因此，為了節(jié)省每次系統(tǒng)的開發(fā)周期，通過研究與實(shí)踐，我臺(tái)自主開發(fā)出了一套類似visio功能的組件。開發(fā)人員可通過此組件，在改動(dòng)少量的代碼條件下，就可實(shí)現(xiàn)適合各自的業(yè)務(wù)需求軟件。

由于舊系統(tǒng)的圖形組件都是基于事件觸發(fā)的，當(dāng)繪制未完成時(shí)，用戶如果點(diǎn)擊鼠標(biāo)或輸入等操作，軟件會(huì)出現(xiàn)未響應(yīng)及假死情況發(fā)生，進(jìn)而使關(guān)鍵指令不能及時(shí)觸發(fā)處理，帶來嚴(yán)重的后果。因此，本組件采用多線程繪制模式，即不在基于以往的事件觸發(fā)模式，而是啟動(dòng)一個(gè)獨(dú)立的線程，對(duì)加入組件并且需要顯示的元素進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制顯示，讓用戶不再碰到假死情況。并且經(jīng)過開發(fā)人員測(cè)試和用戶測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)隨意功能操作，而軟件不會(huì)出現(xiàn)未響應(yīng)的情況，保證用戶操作的連續(xù)性。充分解決了舊系統(tǒng)“未響應(yīng)”事件和軟件假死情況的發(fā)生。

為了適應(yīng)軟件在開發(fā)好后，在不需要開發(fā)人員參與情況下，使用者就可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的增、刪、改功能，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新布局，此套組件擁有編輯功能，非開發(fā)人員可通過鼠標(biāo)便可手動(dòng)操作設(shè)備。用戶可以自行編輯當(dāng)前交換天關(guān)邏輯，并可對(duì)設(shè)備的大小、位置、角度等參數(shù)及設(shè)備屬性進(jìn)行修改和保存，生成后的交換天關(guān)邏輯圖將自動(dòng)加載，并根據(jù)新的邏輯圖運(yùn)行，具有非常好的通訊性。

3.基于多線程的日志組件包

軟件運(yùn)行日志的對(duì)象是軟件維護(hù)人員、資深客戶（比如客戶方的系統(tǒng)管理員）。軟件中的錯(cuò)誤信息，應(yīng)該分為兩類，一類是軟件用戶能夠理解的，另一類是軟件用戶不能理解的，需要軟件維護(hù)人員介入的。前者，通常與軟件用戶的操作行為相關(guān)，軟件用戶在得到提示后，可以自行進(jìn)行處理；而后者，通常與軟件自身缺陷、軟件部署環(huán)境問題相關(guān)的，只有軟件維護(hù)人員才能處理的。很明顯，對(duì)于后者的詳細(xì)內(nèi)容，沒必要用告警對(duì)話框的方式提供給軟件用戶，而且這樣做，會(huì)大大增加軟件錯(cuò)誤處理的復(fù)雜度。直接將其寫入運(yùn)行日志，是最簡(jiǎn)便、也最可靠的方法?？梢韵胂笙旅娴膱?chǎng)景，應(yīng)用軟件在某臺(tái)電腦上運(yùn)行出錯(cuò)，軟件維護(hù)人員或客戶方系統(tǒng)管理員查看運(yùn)行日志，發(fā)現(xiàn)了一些系統(tǒng)模塊調(diào)用失敗的信息，并與開發(fā)人員遠(yuǎn)程溝通，開發(fā)人員根據(jù)這些信息，迅速定位報(bào)告錯(cuò)誤的代碼，隨后開發(fā)人員可能反饋，某個(gè)系統(tǒng)組件沒有的到正確的配置，也可能反饋，軟件中有一處缺陷，將在下一個(gè)版本或補(bǔ)丁包中得到修正。不管是哪一種情況，這一過程都可以提高軟件的健壯性。

現(xiàn)代軟件日益復(fù)雜，徹底消除軟件中的錯(cuò)誤已經(jīng)被證明是不可能的，那么，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、定位錯(cuò)誤現(xiàn)場(chǎng)信息，迅速排除軟件錯(cuò)誤就成為非常重要的事情，甚至在軟件實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中也是如此。因此，軟件運(yùn)行日志就是捕獲錯(cuò)誤現(xiàn)場(chǎng)信息的一種重要手段。日志流程圖如圖1所示：

圖1 日志流程圖

4.基于microsoft speech sdk v5.1語音組件包

應(yīng)用微軟提供的SAPI可以讓我們的軟件能說會(huì)道。軟件中的語音技術(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是語音識(shí)別（speech recognition），另外一個(gè)是語音合成（speech synthesis），也即是文本語音轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（TTS）。TTS系統(tǒng)使用合成語音合成文本字符串和文件到聲音音頻流。而語音識(shí)別系統(tǒng)則是轉(zhuǎn)換人類的聲音語音流到可讀的文本字符串或者文件。這兩個(gè)工作，都是通過各種語音引擎來完成的。微軟所提供的SAPI（全稱The Microsoft Speech API），正是在應(yīng)用程序和語音引擎之間提供一個(gè)高級(jí)別的接口，它實(shí)現(xiàn)了所有必需的對(duì)各種語音引擎的實(shí)時(shí)的控制和管理等低級(jí)別的細(xì)節(jié)。語音引擎通過DDI層（設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口）和SAPI進(jìn)行交互，應(yīng)用程序通過API層和SAPI通信。通過使用這些API，我們可以快速開發(fā)在語音識(shí)別或語音合成方面應(yīng)用程序。SAPI應(yīng)用程序編程接口（API）明顯的減少了構(gòu)建一個(gè)使用語音識(shí)別和文本語音轉(zhuǎn)換的應(yīng)用程序所需要的高層代碼，使語音技術(shù)更加容易使用并且更加擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。雖然現(xiàn)在SAPI并不是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，但是應(yīng)用非常廣泛。

雖然SAPI功能如此強(qiáng)大，但其是基于COM技術(shù)，使用起來過于復(fù)雜，若每次開發(fā)都從新布置，大大延長(zhǎng)了開發(fā)周期，而且加大了出錯(cuò)概率。因此，我臺(tái)技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行了二次封裝，讓未來開發(fā)人員在不需要了解SAPI底層細(xì)節(jié)的情況下，正確使用。語音組件邏輯流程圖如圖2所示：

圖2 語音組件邏輯流程圖

5.天控編輯平臺(tái)

由于以往平臺(tái)都是定制開發(fā)，即開發(fā)的平臺(tái)只適用與當(dāng)前臺(tái)站，當(dāng)在其它臺(tái)站需要部署相同設(shè)備，但邏輯不同時(shí)，需要對(duì)軟件進(jìn)行重新開發(fā)。就如我們臺(tái)，此次加了一臺(tái)備機(jī)和一個(gè)同軸開關(guān)，若使用舊系統(tǒng)，需要再次請(qǐng)開發(fā)人員重新設(shè)計(jì)開發(fā)，大大增加了人力、物力及財(cái)力。因此，為了解決這個(gè)問題，本系統(tǒng)在開發(fā)之初，經(jīng)過整個(gè)團(tuán)隊(duì)的整體研究，并結(jié)合我臺(tái)自動(dòng)化方面的基礎(chǔ)，自主開發(fā)了一套編輯平臺(tái)，在未來可能需要新加入發(fā)射機(jī)、交換開關(guān)或天線時(shí)，不再需要對(duì)軟件重新開發(fā)，只需要通過編輯功能自動(dòng)加入或刪除相應(yīng)的設(shè)備即可使用，這樣不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且，經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)行和維護(hù)，相應(yīng)的邏輯功能也會(huì)變得越來越穩(wěn)定。

我機(jī)房交換開關(guān)系統(tǒng)技術(shù)改造后，使備機(jī)融入代播體系，使其發(fā)揮最大效益，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)功能更加完善，在安全播出工作中取得了明顯的效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：梁延成（1976—），男，河北南皮人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：短波發(fā)射機(jī)維護(hù)。