M2W中波發(fā)射機(jī)控制協(xié)議解析與運(yùn)用

梁曉琪陳建偉趙小寒黃 慧吳煒?lè)f（、廣西廣播電視無(wú)線傳播樞紐臺(tái)；、廣西廣播電視技術(shù)中心）

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M2W中波發(fā)射機(jī)控制協(xié)議解析與運(yùn)用

梁曉琪1陳建偉1趙小寒2黃 慧1吳煒?lè)f1
（1、廣西廣播電視無(wú)線傳播樞紐臺(tái)；2、廣西廣播電視技術(shù)中心）

［摘 要］介紹利用DF1協(xié)議，破解并應(yīng)用發(fā)射機(jī)協(xié)議進(jìn)行發(fā)射機(jī)之間互相倒換的技術(shù)，解決了基于DF1協(xié)議控制的幅相調(diào)制M2W發(fā)射機(jī)與數(shù)字循環(huán)調(diào)制DAM發(fā)射機(jī)之間互相控制的技術(shù)難題。

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

1　引言

廣西廣播電視技術(shù)中心南寧分中心101臺(tái)石埠中波機(jī)房是擔(dān)負(fù)主要播出任務(wù)的機(jī)房之一，中波機(jī)房1224kHz播出頻率共有兩部發(fā)射機(jī)擔(dān)負(fù)播出任務(wù)：一部是50kW數(shù)字循環(huán)調(diào)制發(fā)射機(jī)（以下簡(jiǎn)稱DAM機(jī)），另外一部是100kW幅相調(diào)制發(fā)射機(jī)（以下簡(jiǎn)稱M2W機(jī)），M2W機(jī)是哈爾濱廣播公司引進(jìn)世界上著名的廣播電視發(fā)射機(jī)制造廠商法國(guó)THOMCAST公司生產(chǎn)的當(dāng)今世界上最先進(jìn)的M2W制式的發(fā)射機(jī)技術(shù)而研制開發(fā)的大功率中波廣播發(fā)射機(jī)，它采用了VLSI（超大規(guī)模集成電路）和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）完成全過(guò)程控制和數(shù)字音頻處理，其中IUC板是MMI（人機(jī)接口）和信號(hào)處理之間的接口，也是發(fā)射機(jī)主要的控制部分，由標(biāo)準(zhǔn)PLC（可編程邏輯控制）元件組成，自動(dòng)化系統(tǒng)軟件采用C#語(yǔ)言編寫，M2W發(fā)射機(jī)IUC 和觸摸屏通信，IUC 和計(jì)算機(jī)通信采用DF1協(xié)議。

50kW數(shù)字循環(huán)調(diào)制發(fā)射機(jī)運(yùn)用了先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成（DDS）、數(shù)字調(diào)幅、循環(huán)調(diào)制、LCD觸摸屏控制、音頻處理器以及浮動(dòng)載波等技術(shù)是集美國(guó)HARRS公司DX系列及法國(guó)THALES公司M2W系列發(fā)射機(jī)等技術(shù)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(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)。

在播出過(guò)程中M2W機(jī)如遇故障掉高壓時(shí)可以通過(guò)真空天線倒換開關(guān)的互鎖接點(diǎn)對(duì)裝在DAM發(fā)射機(jī)內(nèi)主、備倒換板的AT89C51單片機(jī)施加約3.3V的高脈沖電壓，單片機(jī)隨即對(duì)DAM機(jī)的主控單片機(jī)發(fā)出低脈沖電壓，發(fā)射機(jī)開機(jī)，而M2W發(fā)射機(jī)采用協(xié)議控制，無(wú)法單純的通過(guò)施加高低電平來(lái)控制開關(guān)機(jī)，因此DAM機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)卻不能對(duì)M2W機(jī)進(jìn)行控制，只能人工倒天線到M2W機(jī)，再手動(dòng)按觸摸屏播出。由于控制室離機(jī)器較遠(yuǎn)，一旦機(jī)器出現(xiàn)故障，人工操作倒換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響安全播出，并導(dǎo)致中波機(jī)房無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，還需要有人值守，制約了大量的人力，破解M2W發(fā)射機(jī)協(xié)議成為解決101臺(tái)乃至南寧分中心全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化最后一公里的關(guān)鍵，并且由于廠家原因，破解協(xié)議只能依靠技術(shù)中心自己解決。

經(jīng)過(guò)論證，M2W中波發(fā)射機(jī)IUC實(shí)現(xiàn)DAM機(jī)和M2W機(jī)互倒的步驟如下：（1）DAM機(jī)通過(guò)單片機(jī)直接對(duì)M2W機(jī)發(fā)送控制字符串控制其開關(guān)機(jī)；（2）M2W機(jī)掉高壓時(shí)通過(guò)天線真空倒換開關(guān)的互鎖接點(diǎn)對(duì)DAM發(fā)射機(jī)進(jìn)行開機(jī)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(jī)中，通過(guò)串口對(duì)PLC進(jìn)行相關(guān)控制。

2　通訊協(xié)議破解及測(cè)試

2.1協(xié)議解析

M2W 發(fā)射機(jī)的模擬信號(hào)及控制信號(hào)，要通過(guò)發(fā)射機(jī)IUC預(yù)留的IUC_SER1 接口。IUC_SER1 可以實(shí)現(xiàn)和外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，控制數(shù)據(jù)及模擬量的采集可以從發(fā)射機(jī)控制底板X30 口IUC_SER1 獲取，X30 口是一個(gè)RS422 定義接口。其接口定義如下表：

引腳　信號(hào)名稱　描述1 GND　地2 TXD+　發(fā)送數(shù)據(jù)+ 3 RTS+　請(qǐng)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(qǐng)求發(fā)送-8 RXD-　接收數(shù)據(jù)-9 CTS-　允許發(fā)送-

通過(guò)IUC_SER1 接口可以采集到發(fā)射機(jī)的頻率、最大功率、發(fā)射機(jī)入射功率、發(fā)射機(jī)反射功率、合成器內(nèi)電壓和電流相位偏差、當(dāng)前功率、級(jí)循環(huán)測(cè)試、數(shù)字信號(hào)處理測(cè)試、幅相測(cè)試、功率電平1、功率電平2、功率電平3、RF 級(jí)功率電源的直流電壓、RF級(jí)拉出的直流電流、機(jī)箱內(nèi)靠近風(fēng)機(jī)測(cè)量冷卻空氣現(xiàn)時(shí)溫度、發(fā)射機(jī)運(yùn)行時(shí)間、顯示做為有毛病而被通報(bào)的RF級(jí)數(shù)目、跳閘積累時(shí)間、跳閘到返回的次數(shù)、功率降低步長(zhǎng)、功率增加時(shí)間、電源故障功率、最大故障級(jí)、最小功率等和發(fā)射機(jī)運(yùn)行密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。

從客戶端程序（C#語(yǔ)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(wú)校驗(yàn) 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(yàn) 一位停止位，

對(duì)應(yīng)的源代碼如下：

M2W發(fā)射機(jī)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(yīng)用于PLC工業(yè)控制，常用于機(jī)場(chǎng)行李分揀、工廠流程控制）。由于發(fā)射機(jī)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(chǔ)上根據(jù)發(fā)射機(jī)的功能需求進(jìn)行了大量修改，因此不能完全按照DF1協(xié)議破解相關(guān)的控制字符串命令幀，如何才能正確破解和識(shí)別出發(fā)射機(jī)真正的協(xié)議成為難點(diǎn)。

仔細(xì)閱讀了廠家留下的《DF1 Protocol Manual-M2W》（M2W協(xié)議手冊(cè)）（英文版），由于《DF1 Protocol Manual-M2W》只對(duì)數(shù)據(jù)幀中的某一字符串（用于地址尋址及相關(guān)計(jì)算）進(jìn)行了闡述，并未對(duì)整個(gè)協(xié)議進(jìn)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(yè)的內(nèi)容，并查閱了相關(guān)的資料和閱讀了有關(guān)DF1協(xié)議的程序源代碼，經(jīng)過(guò)艱苦努力，根據(jù)程序源代碼對(duì)照DF1協(xié)議，解讀出M2W機(jī)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(fù)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(jìn)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(méi)有錯(cuò)誤的情況下一般為00

TNS：命令傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器，主要是統(tǒng)計(jì)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(chǔ)地址單元號(hào)，一般取值為FF

4、Sub_element Number：存儲(chǔ)地址的第二級(jí)單元號(hào),取值為FF

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

DATA：命令數(shù)據(jù)

CRC： CRC校驗(yàn)值

由協(xié)議可區(qū)分命令幀和回復(fù)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(fù)幀是顯示PLC當(dāng)前的狀態(tài)，其CMD一般為4F。所以我們?cè)谑諟y(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)候可根據(jù)該位來(lái)判斷該數(shù)據(jù)串的內(nèi)容。

由此可測(cè)出PLC處理器與上位機(jī)應(yīng)答過(guò)程：

PLC發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，對(duì)方是否發(fā)送回?cái)?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(méi)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(shuō)每發(fā)出同樣的一串?dāng)?shù)據(jù)串，命令傳輸次數(shù)計(jì)數(shù)器根據(jù)統(tǒng)計(jì)命令傳送的次數(shù)不斷的將該值按一定的步進(jìn)數(shù)增加，數(shù)據(jù)串的最后兩位也跟著變化，因此在實(shí)際傳送中須發(fā)三次FNC步進(jìn)值加1的指令I(lǐng)UC才會(huì)應(yīng)答。

最后兩個(gè)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(jì)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(yàn)，所謂循環(huán)冗余校驗(yàn)，就是利用除法及余數(shù)的原理來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)的.將接收到的碼組進(jìn)行除法運(yùn)算，如果除盡，則說(shuō)明傳輸無(wú)誤；如果未除盡，則表明傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。在M2W發(fā)射機(jī)客戶端程序中，最后兩位字符轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制共十六個(gè)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(duì)0X1（該值是CRC的多項(xiàng)式：X16 + X15 + X2 + X0的代碼）進(jìn)行異或，如果結(jié)果不等于零，表明接受的命令是正確的。否則，命令錯(cuò)誤。

相關(guān)代碼：

CRC寄存器對(duì)最后兩位數(shù)據(jù)串處理過(guò)程：

對(duì)CRC數(shù)據(jù)的校驗(yàn)過(guò)程：

2.3利用協(xié)議進(jìn)行發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)測(cè)試

雖然理論上驗(yàn)證了開機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)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(jí)而來(lái)，該芯片有兩個(gè)讀寫口，讀寫口1是通過(guò)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(duì)PLC芯片的損壞，讀寫口2通過(guò)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(dǎo)致觸摸屏死屏，為謹(jǐn)慎起見(jiàn)，需用帶光電隔離的接口轉(zhuǎn)換器從連接機(jī)房上位機(jī)串口的電纜處收測(cè)，但未測(cè)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(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行，最后通過(guò)反復(fù)比對(duì)測(cè)試驗(yàn)證，得到：開機(jī)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(guān)機(jī)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(jī)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(guò)技術(shù)手段運(yùn)用協(xié)議進(jìn)行實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)的驗(yàn)證操作呢？方法是在發(fā)射機(jī)無(wú)播出任務(wù)并保證發(fā)射機(jī)安全工作的前提下，通過(guò)ATmega128單片機(jī)控制板對(duì)M2W發(fā)射機(jī)進(jìn)行待機(jī)、上高壓、掉高壓及關(guān)機(jī)等控制指令的操作。

測(cè)試設(shè)備主要如下：

配有RS232串口的IBM筆記本一臺(tái)

M2W發(fā)射機(jī)

ATmega128單片機(jī)控制板

RS232轉(zhuǎn)RS422接口模塊

RS232轉(zhuǎn)RS232光電隔離模塊

測(cè)試用單片機(jī)開發(fā)板及軟件配置

（1） 基于ATmega128單片機(jī)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(wǎng)接口，CAN總線， 支持16032 LCD，支持RS232串口，另外配置4個(gè)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)及串口的波特率、校驗(yàn)位，等待外部按鍵觸發(fā)或下降沿中斷的產(chǎn)生，流程圖如圖1所示。圖2所示的中斷子程序主要任務(wù)是當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)判斷并發(fā)送開機(jī)指令。

除了模擬產(chǎn)生所需要的功能之外，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開關(guān)機(jī)指令的正確性?，F(xiàn)場(chǎng)連接形式如圖3所示。用RS232 / RS422模塊將單片機(jī)發(fā)送的RS232信號(hào)轉(zhuǎn)成發(fā)射機(jī)需要的RS422信號(hào)。

①按鍵開關(guān)機(jī)：

由于發(fā)射機(jī)有待機(jī)、上高壓、掉高壓及關(guān)機(jī)等4種狀態(tài)，所以設(shè)置4個(gè)按鍵進(jìn)行操作。實(shí)踐證明，按鍵程序和發(fā)送指令都是正確的。

②倒機(jī)指令：

當(dāng)主機(jī)產(chǎn)生故障需要倒機(jī)時(shí)，發(fā)射機(jī)主控芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿的跳變，為了能及時(shí)的產(chǎn)生響應(yīng)，本部分采用的是中斷查詢方式，實(shí)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(cè)試連接形式

經(jīng)過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了單片機(jī)對(duì)M2W發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)單的控制及主備機(jī)倒換的功能。

因?yàn)榘存I的硬件設(shè)計(jì)采用的是查詢方式，所以在每次按鍵時(shí)都應(yīng)該持續(xù)按鍵2秒以上，以保證查詢結(jié)果的正確性，這在實(shí)際應(yīng)用中不是非常方便。并且當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)硬件控制板時(shí)沒(méi)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(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了開關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)幀，樞紐臺(tái)研發(fā)組把此協(xié)議幀寫入開關(guān)采集器，并通過(guò)采集器控制50kWDAM備機(jī)，實(shí)現(xiàn)了主備機(jī)的倒換。

3　應(yīng)用效果

通過(guò)多年的運(yùn)行，兩部發(fā)射機(jī)倒換效果良好，保證了安全播出。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)M2W及DAM發(fā)射機(jī)進(jìn)行倒換，在全國(guó)的發(fā)射臺(tái)是首創(chuàng)，具有極高的創(chuàng)新及推廣價(jià)值（全國(guó)有不少M(fèi)2W機(jī)），同時(shí)中波機(jī)房實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化，解放了大量的人力，保證了安全播出，為推行有人留守?zé)o人值班奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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