M2W中波發(fā)射機控制協(xié)議解析與運用

梁曉琪陳建偉趙小寒黃 慧吳煒穎（、廣西廣播電視無線傳播樞紐臺；、廣西廣播電視技術中心）

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M2W中波發(fā)射機控制協(xié)議解析與運用

梁曉琪1陳建偉1趙小寒2黃 慧1吳煒穎1
（1、廣西廣播電視無線傳播樞紐臺；2、廣西廣播電視技術中心）

［摘 要］介紹利用DF1協(xié)議，破解并應用發(fā)射機協(xié)議進行發(fā)射機之間互相倒換的技術，解決了基于DF1協(xié)議控制的幅相調制M2W發(fā)射機與數(shù)字循環(huán)調制DAM發(fā)射機之間互相控制的技術難題。

［關鍵詞］DF1； CRC； AVR； 單片機； 通訊協(xié)議； 發(fā)射機

1　引言

廣西廣播電視技術中心南寧分中心101臺石埠中波機房是擔負主要播出任務的機房之一，中波機房1224kHz播出頻率共有兩部發(fā)射機擔負播出任務：一部是50kW數(shù)字循環(huán)調制發(fā)射機（以下簡稱DAM機），另外一部是100kW幅相調制發(fā)射機（以下簡稱M2W機），M2W機是哈爾濱廣播公司引進世界上著名的廣播電視發(fā)射機制造廠商法國THOMCAST公司生產的當今世界上最先進的M2W制式的發(fā)射機技術而研制開發(fā)的大功率中波廣播發(fā)射機，它采用了VLSI（超大規(guī)模集成電路）和DSP（數(shù)字信號處理器）完成全過程控制和數(shù)字音頻處理，其中IUC板是MMI（人機接口）和信號處理之間的接口，也是發(fā)射機主要的控制部分，由標準PLC（可編程邏輯控制）元件組成，自動化系統(tǒng)軟件采用C#語言編寫，M2W發(fā)射機IUC 和觸摸屏通信，IUC 和計算機通信采用DF1協(xié)議。

50kW數(shù)字循環(huán)調制發(fā)射機運用了先進的直接數(shù)字頻率合成（DDS）、數(shù)字調幅、循環(huán)調制、LCD觸摸屏控制、音頻處理器以及浮動載波等技術是集美國HARRS公司DX系列及法國THALES公司M2W系列發(fā)射機等技術于一體、由哈爾濱廣播公司自行研制開發(fā)的新型數(shù)字調幅廣播發(fā)射機。

在播出過程中M2W機如遇故障掉高壓時可以通過真空天線倒換開關的互鎖接點對裝在DAM發(fā)射機內主、備倒換板的AT89C51單片機施加約3.3V的高脈沖電壓，單片機隨即對DAM機的主控單片機發(fā)出低脈沖電壓，發(fā)射機開機，而M2W發(fā)射機采用協(xié)議控制，無法單純的通過施加高低電平來控制開關機，因此DAM機出現(xiàn)問題時卻不能對M2W機進行控制，只能人工倒天線到M2W機，再手動按觸摸屏播出。由于控制室離機器較遠，一旦機器出現(xiàn)故障，人工操作倒換時間過長，影響安全播出，并導致中波機房無法實現(xiàn)完全自動化，還需要有人值守，制約了大量的人力，破解M2W發(fā)射機協(xié)議成為解決101臺乃至南寧分中心全面實現(xiàn)自動化最后一公里的關鍵，并且由于廠家原因，破解協(xié)議只能依靠技術中心自己解決。

經過論證，M2W中波發(fā)射機IUC實現(xiàn)DAM機和M2W機互倒的步驟如下：（1）DAM機通過單片機直接對M2W機發(fā)送控制字符串控制其開關機；（2）M2W機掉高壓時通過天線真空倒換開關的互鎖接點對DAM發(fā)射機進行開機控制。因此破解協(xié)議字符串是第一步，第二步是將字符串寫入單片機中，通過串口對PLC進行相關控制。

2　通訊協(xié)議破解及測試

2.1協(xié)議解析

M2W 發(fā)射機的模擬信號及控制信號，要通過發(fā)射機IUC預留的IUC_SER1 接口。IUC_SER1 可以實現(xiàn)和外部計算機進行通訊，控制數(shù)據(jù)及模擬量的采集可以從發(fā)射機控制底板X30 口IUC_SER1 獲取，X30 口是一個RS422 定義接口。其接口定義如下表：

引腳　信號名稱　描述1 GND　地2 TXD+　發(fā)送數(shù)據(jù)+ 3 RTS+　請求發(fā)送+ 4 RXD+　接收數(shù)據(jù)+ 5 CTS+　允許發(fā)送+ 6 TXD-　發(fā)送數(shù)據(jù)-7 RTS-　請求發(fā)送-8 RXD-　接收數(shù)據(jù)-9 CTS-　允許發(fā)送-

通過IUC_SER1 接口可以采集到發(fā)射機的頻率、最大功率、發(fā)射機入射功率、發(fā)射機反射功率、合成器內電壓和電流相位偏差、當前功率、級循環(huán)測試、數(shù)字信號處理測試、幅相測試、功率電平1、功率電平2、功率電平3、RF 級功率電源的直流電壓、RF級拉出的直流電流、機箱內靠近風機測量冷卻空氣現(xiàn)時溫度、發(fā)射機運行時間、顯示做為有毛病而被通報的RF級數(shù)目、跳閘積累時間、跳閘到返回的次數(shù)、功率降低步長、功率增加時間、電源故障功率、最大故障級、最小功率等和發(fā)射機運行密切相關的數(shù)據(jù)。

從客戶端程序（C#語言編譯）中，解讀出協(xié)議所需的串口通訊參數(shù)為：

COM2口傳輸比特率為9600 傳輸數(shù)據(jù)為8位 無校驗 一位停止位

COM3口傳輸比特率為19200 傳輸數(shù)據(jù)為8位 偶校驗 一位停止位，

對應的源代碼如下：

M2W發(fā)射機使用的協(xié)議部分依據(jù)AB-羅斯維爾公司開發(fā)的DF1全雙工協(xié)議（DF1協(xié)議廣泛應用于PLC工業(yè)控制，常用于機場行李分揀、工廠流程控制）。由于發(fā)射機的IUC 又不是純粹的PLC，只是使用了DF1 的控制器，協(xié)議在DF1的基礎上根據(jù)發(fā)射機的功能需求進行了大量修改，因此不能完全按照DF1協(xié)議破解相關的控制字符串命令幀，如何才能正確破解和識別出發(fā)射機真正的協(xié)議成為難點。

仔細閱讀了廠家留下的《DF1 Protocol Manual-M2W》（M2W協(xié)議手冊）（英文版），由于《DF1 Protocol Manual-M2W》只對數(shù)據(jù)幀中的某一字符串（用于地址尋址及相關計算）進行了闡述，并未對整個協(xié)議進行完整的闡釋，因此，下載了《DF1協(xié)議指令集》（英文版），翻譯了全部將近300頁的內容，并查閱了相關的資料和閱讀了有關DF1協(xié)議的程序源代碼，經過艱苦努力，根據(jù)程序源代碼對照DF1協(xié)議，解讀出M2W機使用的協(xié)議數(shù)據(jù)幀為：

控制幀：

DLE STX DST SRC CMD STS TNS FNC SELE—N0 DLE ETX CRC

回復幀：

DLE STX SRC DST CMD STS TNS FNC DATA DLE ETX CRC

現(xiàn)將協(xié)議詳解如下：

DLE STX：控制字符 表示開始傳送命令幀,其中：DLE取ASCII碼十六進制值為10，STX的ASCII碼為02

DST：目的地址，

SRC：源地址

CMD：命令碼（決定具體執(zhí)行何種命令）

STS: 表示命令傳輸?shù)臓顟B(tài)，在沒有錯誤的情況下一般為00

TNS：命令傳輸次數(shù)計數(shù)器，主要是統(tǒng)計命令傳送的次數(shù)，該字符決定了即使同一種命令也有不同的字符。

FNC:功能碼（決定具體執(zhí)行何種功能）

SELE—N0包括

1、Byte Size ：傳送的命令字節(jié)大小

2、File Number：命令文件名

3、Element Number：存儲地址單元號，一般取值為FF

4、Sub_element Number：存儲地址的第二級單元號,取值為FF

DLE ETX：控制字符 表示結束傳送命令幀,其中：DLE取ASCII碼十六進制值為10，STX的ASCII碼為03

DATA：命令數(shù)據(jù)

CRC： CRC校驗值

由協(xié)議可區(qū)分命令幀和回復幀：命令幀是執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)串，其CMD（即數(shù)據(jù)串的第五位）一般為0F，而回復幀是顯示PLC當前的狀態(tài)，其CMD一般為4F。所以我們在收測數(shù)據(jù)的時候可根據(jù)該位來判斷該數(shù)據(jù)串的內容。

由此可測出PLC處理器與上位機應答過程：

PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機，對方是否發(fā)送回數(shù)據(jù)串10 06，如果發(fā)送回10 06、接著發(fā)下一條指令，如果沒收到，發(fā)10 05，直到收到10 06 ，再發(fā)下一條指令。

2.2協(xié)議算法

隨著IUC不斷發(fā)出同樣功能的數(shù)據(jù)串，F(xiàn)NC是不斷增大的，也就是說每發(fā)出同樣的一串數(shù)據(jù)串，命令傳輸次數(shù)計數(shù)器根據(jù)統(tǒng)計命令傳送的次數(shù)不斷的將該值按一定的步進數(shù)增加，數(shù)據(jù)串的最后兩位也跟著變化，因此在實際傳送中須發(fā)三次FNC步進值加1的指令IUC才會應答。

最后兩個字符是CRC值，該值是DST SRC CMD STSTNS FNC SELE—N0加上DLE后，用CRC函數(shù)計算得出，所以FNC變化CRC值也跟著變化，CRC用于循環(huán)冗余校驗，所謂循環(huán)冗余校驗，就是利用除法及余數(shù)的原理來進行錯誤檢測的.將接收到的碼組進行除法運算，如果除盡，則說明傳輸無誤；如果未除盡，則表明傳輸出現(xiàn)差錯。在M2W發(fā)射機客戶端程序中，最后兩位字符轉換為二進制共十六個比特分別存入CRC寄存器的低八位和高八位，組成十六位CRC值，對0X1（該值是CRC的多項式：X16 + X15 + X2 + X0的代碼）進行異或，如果結果不等于零，表明接受的命令是正確的。否則，命令錯誤。

相關代碼：

CRC寄存器對最后兩位數(shù)據(jù)串處理過程：

對CRC數(shù)據(jù)的校驗過程：

2.3利用協(xié)議進行發(fā)射機開關機測試

雖然理論上驗證了開機數(shù)據(jù)串，但正確與否，仍需從IUC串口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)以進一步驗證，IUC板上的PLC（可編程邏輯控制器）芯片是摩托羅拉MC68302FC20C，,它是由摩托羅拉8位微處理器MC6800升級而來，該芯片有兩個讀寫口，讀寫口1是通過光電隔離組件由232接口板與觸摸屏相連，由于有光電隔離組件，很好的避免了浪涌電壓對PLC芯片的損壞，讀寫口2通過在控制背板的兩塊通訊芯片DSC2631和DSC2632接到串口IUC-SER1，為全雙工RS422接口。由于從觸摸屏處接入串口導致觸摸屏死屏，為謹慎起見，需用帶光電隔離的接口轉換器從連接機房上位機串口的電纜處收測，但未測得數(shù)據(jù)串，疑為串口芯片已燒毀，需更換控制背板，而后更換控制背板，測試繼續(xù)進行，最后通過反復比對測試驗證，得到：開機指令：10 06 10 02 01 02 0F 00 3F 08 AB 02 10 10 89 02 00 01 00 01 00 01 00 10 03 1A 24 關機指令：10 06 10 02 01 02 0F 00 A9 0A AB 02 10 10 89 00 00 01 00 01 00 01 00 10 03 16 E8 待機指令：10 06 10 02 01 02 0F 00 AB 06 AB 02 10 10 89 01 00 01 00 01 00 01 00 10 03 95 75

那么如何通過技術手段運用協(xié)議進行實現(xiàn)開關機的驗證操作呢？方法是在發(fā)射機無播出任務并保證發(fā)射機安全工作的前提下，通過ATmega128單片機控制板對M2W發(fā)射機進行待機、上高壓、掉高壓及關機等控制指令的操作。

測試設備主要如下：

配有RS232串口的IBM筆記本一臺

M2W發(fā)射機

ATmega128單片機控制板

RS232轉RS422接口模塊

RS232轉RS232光電隔離模塊

測試用單片機開發(fā)板及軟件配置

（1） 基于ATmega128單片機控制板的特性如下：8 位ATmega128控制芯片，支持以支持100/10Base-T太網接口，CAN總線， 支持16032 LCD，支持RS232串口，另外配置4個按鍵，以及部分I/O接口。

（2） 程序流程圖

圖1　主程序流程圖

程序流程包含兩部分，主程序及中斷子程序。在主程序中設置系統(tǒng)參數(shù)及串口的波特率、校驗位，等待外部按鍵觸發(fā)或下降沿中斷的產生，流程圖如圖1所示。圖2所示的中斷子程序主要任務是當主機發(fā)生故障時能及時判斷并發(fā)送開機指令。

除了模擬產生所需要的功能之外，結合實際現(xiàn)場測試開關機指令的正確性?，F(xiàn)場連接形式如圖3所示。用RS232 / RS422模塊將單片機發(fā)送的RS232信號轉成發(fā)射機需要的RS422信號。

①按鍵開關機：

由于發(fā)射機有待機、上高壓、掉高壓及關機等4種狀態(tài)，所以設置4個按鍵進行操作。實踐證明，按鍵程序和發(fā)送指令都是正確的。

②倒機指令：

當主機產生故障需要倒機時，發(fā)射機主控芯片會產生一個下降沿的跳變，為了能及時的產生響應，本部分采用的是中斷查詢方式，實踐證明，中斷程序和發(fā)送指令都是正確的。

圖2　中斷子程序流程圖

圖3　測試連接形式

經過測試，驗證了單片機對M2W發(fā)射機簡單的控制及主備機倒換的功能。

因為按鍵的硬件設計采用的是查詢方式，所以在每次按鍵時都應該持續(xù)按鍵2秒以上，以保證查詢結果的正確性，這在實際應用中不是非常方便。并且當時設計硬件控制板時沒有把全部I/O引腳引出，所以中斷引腳的連接不是非常方便。

經過試驗驗證了開關機數(shù)據(jù)幀，樞紐臺研發(fā)組把此協(xié)議幀寫入開關采集器，并通過采集器控制50kWDAM備機，實現(xiàn)了主備機的倒換。

3　應用效果

通過多年的運行，兩部發(fā)射機倒換效果良好，保證了安全播出。

4　結束語

通過對M2W及DAM發(fā)射機進行倒換，在全國的發(fā)射臺是首創(chuàng)，具有極高的創(chuàng)新及推廣價值（全國有不少M2W機），同時中波機房實現(xiàn)全面自動化，解放了大量的人力，保證了安全播出，為推行有人留守無人值班奠定了基礎。

參考文獻：

［1］ DF1 Protocol Manual-M2W. 美國羅克威爾自動化公司

［2］ Allen-Bradley on DF1. 美國羅克威爾自動化公司

［3］ 熊世桓 ，袁熙 ，朱宇峰:基于CDMA / GPRS的DF1協(xié)議通訊驅動的開發(fā).貴陽.貴州教育學院. 數(shù)學與計算機科學.2007.

［4］ 杜思山:M2W 中波發(fā)射機自動化系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 2013.