基于觸摸屏控制的發(fā)射機(jī)主備機(jī)切換器設(shè)計(jì)

李世駿，李 享

（玉溪市老尖山廣播電視發(fā)射臺(tái)，云南 玉溪 652600）

0 引 言

發(fā)射機(jī)主備機(jī)智能切換控制器是廣播電視發(fā)射臺(tái)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。目前，盡管市場上有成套的發(fā)射機(jī)切換控制產(chǎn)品，但這些成品不一定能滿足發(fā)射臺(tái)站的實(shí)際需求。地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)從開機(jī)到功率輸出至預(yù)定值，一般會(huì)耗時(shí)幾十秒。主備發(fā)射機(jī)機(jī)切換時(shí)，如果采用“關(guān)閉主發(fā)射機(jī)電源，切換同軸開關(guān)后再開啟備用發(fā)射機(jī)電源”的方法，將會(huì)造成較長的停播時(shí)間。為減少主備機(jī)切換時(shí)的播出信號(hào)中斷時(shí)間，有時(shí)可讓備機(jī)處于熱備份狀態(tài)（備機(jī)開機(jī)，但不開啟功放功率），當(dāng)需要從主機(jī)切換到備機(jī)工作時(shí)，可通過發(fā)射機(jī)通信串口向主機(jī)發(fā)送關(guān)閉功率命令，然后進(jìn)行同軸開關(guān)切換，之后再通過串口向備機(jī)發(fā)送開啟功率命令。如此，將明顯降低因切換造成的播出中斷時(shí)間[1]。采用工控觸摸屏+可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）（或IO 模塊）制作的主備機(jī)切換控制器，能通過串口與發(fā)射機(jī)通信，并能通過PLC（或IO模塊）檢測、控制同軸開關(guān)和發(fā)射機(jī)的電源開關(guān)[2]。切換控制器不但能完成主備發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)采集工作，而且能智能地完成不同條件下的主備切換流程控制。

1 觸摸屏簡介

工控觸摸屏是一種可接收手指、觸筆等輸入信號(hào)的感應(yīng)式顯示裝置，是自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中重要的人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，觸摸屏的集成度、功能性能越來越高，有豐富的通信接口，支持大量的通信協(xié)議，能保存相當(dāng)數(shù)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能通過網(wǎng)絡(luò)向上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。觸摸屏都配備有相應(yīng)的開發(fā)工具，可以非常容易地設(shè)計(jì)制作出界面漂亮、功能強(qiáng)大的監(jiān)測控制人機(jī)界面。

昆侖通態(tài)TPC7072Gt 觸摸屏是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，采用Cortex-A5 4 核CPU，系統(tǒng)內(nèi)存512 MB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間4 GB，配備RJ-45、USB 接口和3 個(gè)RS-232/RS-485 接口，配置7 英寸液晶觸控屏。其底層操作系統(tǒng)為Linux，已預(yù)裝了McgsPro 運(yùn)行版組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能?？衫妹赓M(fèi)的McgsPro 組態(tài)軟件，方便、快捷地設(shè)計(jì)出觸摸屏應(yīng)用系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)主備機(jī)切換器采用一套切換控制器控制一個(gè)頻道的兩臺(tái)主備發(fā)射機(jī)的架構(gòu)。主備切換器作為控制中心，完成對主、備發(fā)射機(jī)狀態(tài)參數(shù)、同軸開關(guān)狀態(tài)及其他參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障，切換器能自動(dòng)判斷故障并控制發(fā)射機(jī)、同軸開關(guān)協(xié)調(diào)動(dòng)作，安全、快捷地切換到備機(jī)工作。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 發(fā)射機(jī)監(jiān)控及主備切換控制框架圖

2.1 切換控制器主要硬件

切換控制器主要硬件包括TPC7072Gt 觸摸屏、MODBUS-IO8R-A 模塊、AD8362 模塊、直流供電模塊以及中間繼電器等。其中，中間繼電器與相關(guān)接口的組合構(gòu)成同軸開關(guān)檢測控制模塊和主、備機(jī)電源控制接口模塊，如圖2 所示。

圖2 主備機(jī)監(jiān)控切換控制器硬件設(shè)計(jì)

MODBUS-IO8R-A模塊具有8路開關(guān)量輸入口、8 路開關(guān)量繼電器輸出口以及6 路模擬量輸入口。該模塊由觸摸屏通過串口控制，執(zhí)行發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)、功率開啟或關(guān)閉、同軸開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)、狀態(tài)檢測以及發(fā)射功率模擬量采集等任務(wù)。AD8362 模塊是一塊可檢測50 Hz ～3.8 GHz 射頻功率的對數(shù)檢波器，輸入范圍為-55 ～+15 dBm，輸出電壓范圍為0.35 ～4 V，基本按50 mV·dB-1比例變化，經(jīng)人工進(jìn)一步調(diào)校后，實(shí)測誤差低于0.4 dB。使用該模塊通過耦合器或監(jiān)測口對發(fā)射機(jī)輸出功率進(jìn)行檢測。當(dāng)發(fā)射機(jī)串口通信不正常，該功率檢測值將作為判定發(fā)射功率是否正常的數(shù)據(jù)來源。

2.2 各接口模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 同軸開關(guān)檢測控制模塊

同軸開關(guān)檢測控制模塊電路如圖3 所示。KA1—KA4 為中間繼電器。KA1，KA2 主要起隔離作用，其線圈供電由IO 模塊的開關(guān)輸出口控制。當(dāng)軟件控制1L-0.0 端口設(shè)置為“開”，KA1 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，接口2 輸出220 V 交流電，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)1L-0.1 端口設(shè)置為“開”時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。需要注意的是，1L-0.0，1L-0.1 端口不能同時(shí)設(shè)置為“開”，否則同軸開關(guān)電機(jī)正、反端同時(shí)得電，將發(fā)生不可預(yù)知的問題，為此，設(shè)置KA3，KA4進(jìn)行互鎖，使得正、反電機(jī)同時(shí)得電的情況不會(huì)發(fā)生。K1 是自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，同軸開關(guān)的正、反轉(zhuǎn)由開關(guān)K2 手動(dòng)控制。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)到位，端口4 和端口5 將連通，3M-0.0 端獲得高電平，軟件收到電機(jī)正轉(zhuǎn)到位信號(hào)。同理，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)到位，軟件收到電機(jī)反轉(zhuǎn)到位信號(hào)。

圖3 同軸開關(guān)檢測控制模塊電路圖

2.2.2 主、備機(jī)電源開關(guān)控制接口模塊

主、備機(jī)電源開關(guān)控制接口模塊如圖4 所示。中間繼電器KA5—KA8 起隔離作用，受控于2L-0.4至2L-0.7 端口電平，端口電平由軟件控制并模擬人工開機(jī)、關(guān)機(jī)按鈕，即無論是開機(jī)還是關(guān)機(jī)，相應(yīng)的端口都要輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間約2 s（可調(diào)整）的高電平，其余時(shí)間端口均處于零電平。具體控制流程是：當(dāng)2L-0.5 端口為高電平，表示開機(jī)，則KA6 線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，交流接觸器KM1 線圈通電，其主觸點(diǎn)閉合，主發(fā)射機(jī)通電，同時(shí)輔助觸點(diǎn)也閉合。2 s 后，雖然2L-0.5 端口轉(zhuǎn)為零電平，KA6 常開觸點(diǎn)斷開，但由于KM1 輔助觸點(diǎn)仍閉合，交流接觸器處于自保持導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)2L-0.4端口為高電平，表示進(jìn)行關(guān)機(jī)，則KA5 線圈通電，其常閉觸點(diǎn)斷開，交流接觸器線圈失電，其主、輔觸點(diǎn)均斷開，停止主發(fā)射機(jī)供電。2 s 后，雖然2L-0.4 端口轉(zhuǎn)為零電平，KA5 常閉觸點(diǎn)閉合，但KM1 仍處于關(guān)斷狀態(tài)。備發(fā)射機(jī)電源開關(guān)控制過程與上述原理完全一致。圖4 中右側(cè)部分為模塊外部交流接觸器接線方法。可在這部分加裝自動(dòng)/手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于發(fā)射機(jī)應(yīng)急手動(dòng)開關(guān)機(jī)操作。

圖4 主、備機(jī)電源開關(guān)控制接口模塊圖

3 軟件設(shè)計(jì)

切換控制器的軟件設(shè)計(jì)就是利用McgsPro 組態(tài)軟件對觸摸屏進(jìn)行工程組態(tài)。組態(tài)好的工程可以通過USB 或RJ-45 接口下載到觸摸屏。觸摸屏?xí)詣?dòng)運(yùn)行工程，進(jìn)入監(jiān)控工作狀態(tài)。如圖5 所示，組態(tài)工作就是對組態(tài)環(huán)境中的主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五大部分分別進(jìn)行組態(tài)，利用系統(tǒng)提供的構(gòu)件構(gòu)造應(yīng)用系統(tǒng)，配置各種參數(shù)，快速形成一個(gè)有豐富功能、可實(shí)際應(yīng)用的發(fā)射機(jī)監(jiān)控及主備切換控制工程[3]。

圖5 McgsPro 組態(tài)環(huán)境基本界面

3.1 軟件設(shè)計(jì)基本過程

軟件設(shè)計(jì)的主要工作包括構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、建立數(shù)據(jù)通信連接、設(shè)計(jì)人機(jī)交互窗口界面、編制流程控制腳本程序等。

3.1.1 構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，是根據(jù)監(jiān)測、控制需要，構(gòu)建所有需要的數(shù)據(jù)對象（變量），并對每個(gè)數(shù)據(jù)對象進(jìn)行屬性設(shè)置及操作方法（報(bào)警屬性、報(bào)警處理和存盤處理等）設(shè)置[4]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫將成為連接各部分的數(shù)據(jù)中心，發(fā)揮核心功能作用。

3.1.2 建立數(shù)據(jù)通信連接

建立數(shù)據(jù)通信連接是指建立系統(tǒng)與外部通信設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)。其中，與主、備發(fā)射機(jī)通信，需要向廠家獲取發(fā)射機(jī)的串口通信協(xié)議，使用“串口收發(fā)數(shù)據(jù)”構(gòu)件與發(fā)射機(jī)進(jìn)行通信。與MODBUS-IO8R-A 模塊通信，只需添加ModbusRTU構(gòu)件，按模塊通信協(xié)議進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，即可讀取模擬量、開關(guān)量或設(shè)置輸出開關(guān)狀態(tài)。與上位機(jī)通信，可通過添加“ModbusTCPIP 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備”構(gòu)件，進(jìn)行通道與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象關(guān)聯(lián)設(shè)置，可將觸摸屏構(gòu)建為一個(gè)ModbusTCP 從站（數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)器），上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問從站數(shù)據(jù)，對從站有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作。

3.1.3 設(shè)計(jì)人機(jī)交互窗口界面

人機(jī)交互窗口界面設(shè)計(jì)是通過創(chuàng)建窗口，在窗口中放置圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件等各種圖形對象，并對圖形對象進(jìn)行設(shè)置，建立與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象的鏈接，從而完成圖形界面的設(shè)計(jì)工作?？筛鶕?jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)窗口，并設(shè)計(jì)由各種功能構(gòu)件（比如動(dòng)畫構(gòu)件、策略等）來操控窗口的各項(xiàng)功能。

3.1.4 編制流程控制腳本程序

編制流程控制腳本程序，是通過創(chuàng)建各種策略并編寫腳本，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行流程進(jìn)行自由控制，使系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的順序和條件操作數(shù)據(jù)對象，控制用戶窗口狀態(tài)，修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提高控制過程的實(shí)時(shí)性和有序性。主備機(jī)切換有嚴(yán)格的條件和流程，通過編寫策略，可以很好地對流程進(jìn)行控制。

3.2 軟件設(shè)計(jì)有關(guān)要點(diǎn)

3.2.1 發(fā)射機(jī)串口數(shù)據(jù)讀寫

由于發(fā)射機(jī)串口通信協(xié)議均為私有協(xié)議，需按以下方法進(jìn)行串口通信操作。（1）在設(shè)備窗口中添加“通用串口父設(shè)備”，設(shè)置COM 端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等通信參數(shù)。在“通用串口父設(shè)備”下添加“串口收發(fā)數(shù)據(jù)”構(gòu)件，設(shè)置最小采集周期、協(xié)議類型（字符串/16 進(jìn)制）、讀串口的結(jié)束方式、通信等待時(shí)間、讀串口停止字符、讀串口停止長度等參數(shù)。（2）在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中新建兩個(gè)字符串型數(shù)據(jù)writeData、readData，分別存放寫命令字串和返回?cái)?shù)據(jù)字串。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建發(fā)射功率、反射功率、功放電壓、電流等發(fā)射機(jī)物理指標(biāo)數(shù)據(jù)對象。（3）創(chuàng)建循環(huán)策略，編寫發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)讀解腳本程序，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，將按設(shè)定的循環(huán)時(shí)間，周期性地向發(fā)射機(jī)通信串口發(fā)送讀數(shù)據(jù)請求命令，并獲取返回?cái)?shù)據(jù)，對返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解析、實(shí)時(shí)更新發(fā)射機(jī)物理指標(biāo)數(shù)據(jù)對象。

3.2.2 主備機(jī)切換控制策略

主備機(jī)切換流程控制需要遵循的要點(diǎn)是：只有當(dāng)主機(jī)和備機(jī)同時(shí)沒有功率輸出，才能進(jìn)行同軸開關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。相較于傳統(tǒng)的以機(jī)械互鎖的方式來進(jìn)行主備切換控制，本設(shè)計(jì)要求以更智能的方式進(jìn)行主備切換。即，無論主、備機(jī)是處于開機(jī)還是關(guān)機(jī)狀態(tài)、功率輸出是有還是無、同軸開關(guān)處于正位還是反位等多種組合狀態(tài)，切換器都能正確判斷并進(jìn)行全流程安全、自動(dòng)切換控制。通過控制發(fā)射機(jī)功率輸出來進(jìn)行主備切換是首選的方法。只有與發(fā)射機(jī)串口通信中斷或?qū)β士刂剖r(shí)，才采用關(guān)閉/開啟發(fā)射機(jī)（或功放）電源的方法進(jìn)行主備切換控制。

3.3 切換界面設(shè)計(jì)

切換界面設(shè)計(jì)充分利用McgsPro 提供的圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件等圖形對象，繪制主備機(jī)機(jī)柜、連接饋線、同軸開關(guān)、假負(fù)載等設(shè)備圖形，將這些圖形與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象關(guān)聯(lián)建立動(dòng)畫連接。程序運(yùn)行時(shí)，相關(guān)電源、功率等指示、射頻信號(hào)能流流向、同軸開關(guān)位置狀態(tài)、假負(fù)載圖形狀態(tài)等將隨實(shí)際的設(shè)備工作狀態(tài)改變而發(fā)生變化。發(fā)生主備切換時(shí)，界面還能實(shí)時(shí)顯示切換流程狀態(tài)，便于維護(hù)人員了解切換過程細(xì)節(jié)。圖6 是主→備切換完成后的界面。

圖6 主→備切換完成后的界面

4 應(yīng)用效果

該切換器能很好地實(shí)現(xiàn)對主、備發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)達(dá)到切換條件，切換器能根據(jù)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)智能地進(jìn)行全流程主備自動(dòng)切換，而且圖形界面會(huì)直觀展示切換進(jìn)程細(xì)節(jié)。該切換器用于地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)主備切換，也可用于調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)主備切換，既是切換器也是數(shù)據(jù)采集器。在臺(tái)站監(jiān)控系統(tǒng)中的使用情況表明，其運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，已成為臺(tái)站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

5 結(jié) 語

本文利用觸摸屏較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、通信、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理以及生動(dòng)的圖形動(dòng)畫顯示功能，簡易地設(shè)計(jì)出功能完善、性能穩(wěn)定的發(fā)射機(jī)主備監(jiān)控切換器。設(shè)計(jì)思路新穎，開發(fā)容易，造價(jià)低廉，是值得推薦的方案。