調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

大連老白山微波站：張玉臣

在信息技術(shù)的支持下，調(diào)頻廣播發(fā)射臺(tái)站的“無人值守”逐漸成為必然趨勢?，F(xiàn)階段一些臺(tái)站雖然也使用了主備機(jī)自動(dòng)切換系統(tǒng)，但是只能在同廠家、同型號的發(fā)射設(shè)備之間進(jìn)行切換，具有很強(qiáng)的局限性；還有一些臺(tái)站則使用軟件平臺(tái)控制主備機(jī)切換，但是在出現(xiàn)斷電等情況時(shí)也會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)切換控制系統(tǒng)失效，無法保證廣播節(jié)目的持續(xù)播出。在這一背景下，設(shè)計(jì)和應(yīng)用一種可以支持不同型號設(shè)備靈活切換，以及支持現(xiàn)場手動(dòng)、遠(yuǎn)程遙控等多種操作模式的主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)，對保障調(diào)頻廣播節(jié)目的正常播放、優(yōu)化聽眾的節(jié)目收聽體驗(yàn)有積極幫助。

1.調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)，以STM32F103單片機(jī)作為控制中心，通過RS485接口實(shí)時(shí)采集發(fā)射機(jī)的工況參數(shù)，由調(diào)頻接收芯片AN8035開路接收確認(rèn)，并通過對比交流電輸入功率變化，智能判斷是否需要切換主備發(fā)射機(jī)。若判斷結(jié)果為“是”，則發(fā)送切換指令自動(dòng)完成切換。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：

（1）系統(tǒng)功能要求。支持上電記憶和上電自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)在斷電恢復(fù)之后完整保留，確保主備機(jī)切換后維持發(fā)射機(jī)的原工作狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。具備自檢功能，在主發(fā)射機(jī)發(fā)生故障后能夠第一時(shí)間檢測到，以最短時(shí)間完成1+1切換；（2）系統(tǒng)接口要求。電源輸入接口為三芯，允許通過最大電流10A。電源輸出接口為三孔，允許通過最大電流10A。射頻輸入/輸出采用帶法蘭的N-K接口。網(wǎng)絡(luò)通信接口采用RJ45連接座，RS485通信接口采用拔插式端子；（3）運(yùn)行環(huán)境要求。該系統(tǒng)正常工作溫度-20～50℃、相對濕度≤90%、電源電壓AC150V-300V。

2.調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

該系統(tǒng)的控制中心為STM32F103單片機(jī)，最高工作頻率72MHz，功耗36mA。內(nèi)置64KB的Flash，共有12個(gè)采樣I/O口、3個(gè)16位定時(shí)器。設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路2個(gè)外圍電路，其中時(shí)鐘電路中安裝有2個(gè)外部時(shí)鐘，工作頻率分別為8MHz和32MHz；復(fù)位電路采用上電復(fù)位模式。單片機(jī)支持3種啟動(dòng)方式，默認(rèn)為正常工作模式，BOOT1=X，BOOT0=0，此模式下從用戶的閃存啟動(dòng)。單片機(jī)的I/O分配共有5種類型，YA口支持串口通信、SWD程序下載；YB口用于切換狀態(tài)指示；YC口用于數(shù)據(jù)采集和信號接收；YD口控制三個(gè)同軸切換開關(guān)倒換主備機(jī)輸出；YE口用于主機(jī)繼電器線包吸合，具體情況如表1所示。

表1 I/O口資源分配表

2.2 電源模塊

系統(tǒng)電源由2部分組成，一路電源為220V，向主備發(fā)射機(jī)供電；另一路為12V，向控制系統(tǒng)的芯片供電。其中，220V電源分別連接電壓傳感器、繼電器，2臺(tái)繼電器的輸出電壓分別供主發(fā)射機(jī)和備發(fā)射機(jī)運(yùn)行。12V電源連接K7805-500型開關(guān)穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓后輸出5V電壓，供調(diào)頻接收電路和RD485芯片運(yùn)行；5V電壓連接AMS1117-3.3穩(wěn)壓器，輸出3.3V電壓，供單片機(jī)和其他芯片運(yùn)行。為獲得更高效的電源信號，在電路中靠近K7805-500的地方，還放置了100uf/25V的濾波電解電容（C3和C5），在靠近AMS1117-3.3的地方，放置了10μF（C4）和0.1μF（C6）陶瓷電容，具體電路如圖1所示。

圖1 ：電源模塊原理圖

2.3 通訊模塊

本系統(tǒng)中所用通信模塊有RS232和RS485兩種，前者用于自動(dòng)切換控制系統(tǒng)內(nèi)部通信，后者用于CPU與主備發(fā)射機(jī)主控進(jìn)行通信。其中，RS485通信接口使用差分接收器，進(jìn)一步提高了抗噪聲能力，降低了通信干擾、提高了信號質(zhì)量。最大傳輸速率可以達(dá)到20Mbps，理論上最大傳輸距離可達(dá)到3000m。RS485支持電氣自動(dòng)調(diào)節(jié)，在正常通信時(shí)邏輯電平置“1”，兩線電壓差為+（2-6）V，滿足通信需求；在沒有信號傳輸時(shí)，邏輯電平置“0”，兩線電壓差為-（2-6）V，延長了通行串口芯片的使用壽命。在STM32F103單片機(jī)上，選擇USART3端口做RS485的接口，使用線纜將兩個(gè)接口連接后，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主備發(fā)射機(jī)的雙向通信。

2.4 存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)使用AT45DB021D型Flash存儲(chǔ)器，額定工作電壓2.7V，含有1個(gè)256字節(jié)的SRAM緩沖器，支持Rapids串行接口通信，最大存儲(chǔ)容量可以達(dá)到64MB?？芍С?jǐn)?shù)據(jù)、程序代碼、數(shù)字語音等多種形式的信息存儲(chǔ)。該存儲(chǔ)器支持在線編程和燒錄，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)的讀取、改寫和擦除，存儲(chǔ)模塊電路如圖2所示。

圖2 ：存儲(chǔ)器模塊原理圖

2.5 切換模塊

前端傳感器采集主發(fā)射機(jī)的電壓、電流等信號，并將其反饋至CPU。由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后判斷是否存在異常。若存在異常，則進(jìn)入倒機(jī)模式。單片機(jī)生成倒機(jī)命令，并發(fā)送給前端的執(zhí)行設(shè)備。繼電器接收倒機(jī)指令后，首先從P1口切斷故障機(jī)的電源，將故障發(fā)射機(jī)隔離在調(diào)頻廣播系統(tǒng)之外，避免故障擴(kuò)大化。然后繼電器在通過P6口連接倒換同軸開關(guān)，使開關(guān)上電、閉合。在確定天線位置倒換正確后，新接入的備用機(jī)通電，從而完成了故障機(jī)和備用機(jī)的自動(dòng)切換。完成切換后，使QN8035開路，判斷廣播節(jié)目播出是否恢復(fù)正常。在控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，還必須考慮自動(dòng)切換失敗的情況，為此本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了5個(gè)按鍵，在自動(dòng)切換失敗后可進(jìn)入手動(dòng)操作模式，構(gòu)成“雙保險(xiǎn)”。手動(dòng)切換完畢后，再重新按下自動(dòng)/手動(dòng)按鈕，將切換控制模式重新恢復(fù)至自動(dòng)模式。

3.調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用RealView MDK開發(fā)環(huán)境，具有源代碼編輯器功能強(qiáng)大、對話框可自定義開發(fā)工具、可實(shí)時(shí)下載代碼程序至Flash ROM編程器等一系列特點(diǎn)。在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行時(shí)，使用μVision3設(shè)備模擬器，可模擬運(yùn)行單片機(jī)的各項(xiàng)操作指令和系統(tǒng)功能。主程序流程如圖3所示。

圖3 ：主函數(shù)流程圖

如上圖所示，執(zhí)行主程序時(shí)，首先對控制系統(tǒng)及其功能模塊做初始化處理，然后再進(jìn)入循環(huán)查詢程序。初始化內(nèi)容包括各串口復(fù)位，IP地址恢復(fù)默認(rèn)，中斷、定時(shí)器、GPIO等恢復(fù)默認(rèn)，QN8035調(diào)頻接收芯片初始化等。

3.2 系統(tǒng)檢測自動(dòng)切換主備機(jī)模塊

切換控制模塊的功能是在系統(tǒng)檢測到主發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障后，成功將主機(jī)隔離，并順利切換至備用發(fā)射機(jī)，具體有包括檢查播出時(shí)間表、檢測故障、倒換主備機(jī)等流程。每個(gè)環(huán)節(jié)對應(yīng)一個(gè)切換函數(shù)，函數(shù)類型及其功能如表2所示。

表2 切換函數(shù)類型及對應(yīng)功能

以手動(dòng)整機(jī)倒機(jī)為例，其切換流程為：（1）按下應(yīng)急檢修按鈕；（2）開啟備用發(fā)射機(jī)的電源，并等待備用機(jī)3個(gè)功放模塊完成通信；（3）檢查通信是否正常，如果正常則關(guān)閉備用機(jī)的柵壓。3個(gè)功放模塊中，有任意一個(gè)模塊通信超時(shí)自動(dòng)退出切換流程；（4）關(guān)閉故障機(jī)柵壓；（5）倒換天線，同時(shí)開啟備用機(jī)柵壓，完成手動(dòng)倒機(jī)。

3.3 串口中斷模塊

串口負(fù)責(zé)上位機(jī)與發(fā)射機(jī)之間進(jìn)行信息傳遞，例如從上位機(jī)發(fā)送故障機(jī)隔離指令、主備機(jī)切換指令等。串口中斷模塊運(yùn)行時(shí)，同樣要先執(zhí)行初始化程序。首先復(fù)位串口，并將復(fù)位后的串口在寄存器中重新配置；然后設(shè)置波特率，可以調(diào)用Void uart_init（u32 pclk2，u32 bound）初始化函數(shù)，設(shè)置時(shí)鐘頻率及波特率。完成串口初始化后，每當(dāng)串口接收到一組新的數(shù)據(jù)，RDR位移寄存器中的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到RSART_DR寄存器中。此時(shí)狀態(tài)寄存器RXNE被置位。如果CRI寄存器中RXNEIE為1，則產(chǎn)生中斷。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)口和串口的功能基本一致，都是負(fù)責(zé)不同設(shè)備之間的通信。但是串口只適用于短距離通信，并且信道容量較小，通常只負(fù)責(zé)自上而下地發(fā)送各項(xiàng)控制指令。而網(wǎng)口支持長距離通信，并且傳輸容量大、傳輸速度快，常用于將傳感器采集到的狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)行工況等實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)。網(wǎng)絡(luò)通信模式的功能實(shí)現(xiàn)有2種模式，其一是使用以太網(wǎng)收發(fā)芯片，比較常見的有ENC28J60；其二是采用嵌入式的以太網(wǎng)協(xié)議棧，常用的有UIP協(xié)議棧。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信選擇了ENC28J60芯片與UIP協(xié)議棧組合的方式。ENC28J60芯片應(yīng)用時(shí)，也要進(jìn)行初始化處理，包括將端口狀態(tài)調(diào)節(jié)為“輸出”狀態(tài)，重新配置用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的緩沖區(qū)地址，以及寫入MAC地址和初始化中斷寄存器等。

4.調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備機(jī)自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

使用以太網(wǎng)連接調(diào)頻廣播直放站網(wǎng)絡(luò)接口，然后在直放站上運(yùn)行上位機(jī)軟件，完成數(shù)據(jù)上傳和加載后，即可在軟件界面上展示發(fā)射機(jī)當(dāng)前的工況參數(shù)和設(shè)備信息，如：（1）工作狀態(tài)，包括輸出停播位、定時(shí)開關(guān)機(jī)控制位、正在控制動(dòng)作響應(yīng)延時(shí)等；（2）保護(hù)狀態(tài)，包括電流過流、溫度超限、反射過高等；（3）檢測狀態(tài)，包括主電壓異常、功放溫度過高等；（4）設(shè)備信息，包括設(shè)備地址、快速延時(shí)、主動(dòng)間隔、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等。

在主備機(jī)切換時(shí)，需要將3個(gè)功放模塊全部從主機(jī)切換到備用機(jī)，才能順利完成倒機(jī)。為此在該軟件上測試了3個(gè)發(fā)射功放的功能實(shí)現(xiàn)情況，功放模塊的系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 ：功放模塊上位機(jī)界面

在1號機(jī)上選擇“停播”項(xiàng)，輸出功率、反射功率等參數(shù)不變，點(diǎn)擊“倒機(jī)”后發(fā)現(xiàn)正在播出的功放模塊停止運(yùn)行；選擇“開機(jī)”項(xiàng)，其他參數(shù)不變，點(diǎn)擊“倒機(jī)”后發(fā)現(xiàn)停播的功放模塊恢復(fù)至播出狀態(tài)；選擇“修復(fù)否”項(xiàng)，其他參數(shù)不變，點(diǎn)擊“倒機(jī)”后，如果檢測到故障則顯示“未修復(fù)”，如果未檢測到故障則顯示“已修復(fù)”。在2號、3號機(jī)上進(jìn)行同樣測試，均顯示該軟件的各項(xiàng)控制功能正常實(shí)現(xiàn)。

5.結(jié)語

為滿足調(diào)頻廣播發(fā)射臺(tái)站主備機(jī)自動(dòng)切換的要求，本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F103單片機(jī)為核心，使用以太網(wǎng)接口采集發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)工況，并判斷是否需要進(jìn)行主備切換的控制系統(tǒng)。在輪流循環(huán)檢測中，判斷需要主備切換后，利用3組獨(dú)立的功放模塊遠(yuǎn)程控制自動(dòng)倒機(jī)。該系統(tǒng)投入使用后，將顯著降低廣播節(jié)目的停播率，降低維修工作難度，創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。