短波發(fā)射機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及與發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)短波發(fā)射機(jī)全自動(dòng)化，要求有更加先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠的設(shè)備加入到控制系統(tǒng)中，在這里采用了智能控制系統(tǒng)終端，即集合信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)為一體的控制模塊，實(shí)際中對(duì)短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行了控制方面的改造，最后獲得了很好的自動(dòng)化控制效果，解決了工作人員的手工操作，完全可以做到無(wú)人化值班無(wú)人化控制。為未來(lái)的一體化全智能控制打下技術(shù)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：智能控制系統(tǒng)；嵌入式主板PCM-9575；短波發(fā)射機(jī)；無(wú)人化控制

0 引言
    為了改進(jìn)短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化控制，從遠(yuǎn)到近都能自動(dòng)進(jìn)程，在這里技術(shù)人員采用了ICS系統(tǒng)來(lái)完成該設(shè)計(jì)。智能控制系統(tǒng)(Intelligent Control System，ICS)采用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等手段對(duì)傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行效率、提高系統(tǒng)智能性和快速性、增加中央控制能力等目的。
    ICS總體來(lái)說(shuō)包括四部分：終端信息接收、頻率調(diào)度控制、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)和終端信息服務(wù)平臺(tái)。其中的每個(gè)部分都需要智能控制模塊的參與，比如說(shuō)：在終端信息采集部分，需要智能控制模塊提供發(fā)射機(jī)的運(yùn)行情況信息；在頻率調(diào)度控制部分，智能控制模塊作為控制的接收端，負(fù)責(zé)接收節(jié)傳中心的調(diào)度指揮信息；報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)需要智能控制模塊與發(fā)射機(jī)的控制保護(hù)小盒相連，給出報(bào)警信號(hào)；智能控制模塊還是運(yùn)行信息情況服務(wù)的接收平臺(tái)，把各個(gè)操作信息(比如倒頻花費(fèi)時(shí)間等)顯示給頻調(diào)中心。因此，智能控制模塊是ICS系統(tǒng)中非常重要的組成部分，下面詳細(xì)介紹智能控制模塊的功能與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

1 智能控制模塊的功能
    根據(jù)ICS系統(tǒng)的要求，智能控制模塊應(yīng)具有如下功能：檢測(cè)發(fā)射機(jī)狀態(tài)；終端與ICS控制中心通信；報(bào)警，包括自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)保護(hù)；本臺(tái)包括局中心內(nèi)監(jiān)聽(tīng)；顯示調(diào)度信息。
    ICS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 智能控制模塊的設(shè)計(jì)
    該終端基于上述各種功能，要求在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制，即時(shí)保護(hù)做出相應(yīng)的智能處理。故該智能控制模塊應(yīng)由下列部分構(gòu)成：
2．1 主控模塊
    嵌入式主板PCM-9575在本系統(tǒng)中作為控制中心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部的控制流程，數(shù)據(jù)采集、界面顯示、實(shí)時(shí)保護(hù)、外界通信等。
    PCM-9575是臺(tái)灣公司生產(chǎn)的一款專(zhuān)用于工業(yè)控制的嵌入式主板，目前已廣泛應(yīng)用于高速公路收費(fèi)站以及一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中。其特性如下：
    集成嵌入式低功耗VIA Eden／Ezra處理器，支持667／800 MHz主頻；
    支持PC／104，PC／104+總線插槽；
    支持36位1024×768分辨率TFT LCD，支持VGA、音頻接口；
    支持100／10Base T以太網(wǎng)接口、兼容802．3U；
    4串口、USB 1．10接口、硬盤(pán)、光驅(qū)、軟驅(qū)、CF卡接口。
    其連接圖如圖2所示。

2．2 控制發(fā)射機(jī)模塊
    該部分控制了發(fā)射機(jī)的倒頻、各路電機(jī)位置驅(qū)動(dòng)、各個(gè)調(diào)諧點(diǎn)的粗細(xì)調(diào)。整體工作就是接收到命令后按所編程要求的產(chǎn)生指令對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行倒頻，調(diào)諧。在此，選用Xilinx公司的較新的一款FPGA芯片，SpartanⅡ家族中的XC2S200PQ208，系統(tǒng)門(mén)數(shù)為20萬(wàn)門(mén)，208個(gè)管腳，程序的編寫(xiě)基于VHDL語(yǔ)言和原理圖結(jié)合的方法，采用Foundation 3．1作為軟件平臺(tái)，將超大規(guī)模集成電路(VLSI)的邏輯集成的優(yōu)點(diǎn)與用戶可編程的易于設(shè)計(jì)生產(chǎn)的好處結(jié)合在一起，把以前由多個(gè)TTL、PLD和EPLD器件執(zhí)行的邏輯功能集成到其器件內(nèi)。在軟件上實(shí)現(xiàn)了靈活的管理功能，用戶可以方便地對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、更改、刪除等操作，并且該數(shù)據(jù)庫(kù)是采用文本文件的方式存儲(chǔ)，用戶也可以利用USB接口將頻率庫(kù)COPY到PC機(jī)上進(jìn)行批量編輯。今后的工作一旦有什么要改造的部件，通過(guò)軟件里的數(shù)據(jù)變更，就能使用新的器件特性，克服了原來(lái)調(diào)諧系統(tǒng)固定的工作模式，不用因?yàn)橐粋€(gè)器件的加入，而重?fù)Q整個(gè)調(diào)諧控制系統(tǒng)。主要分為四部分：嵌入式通信的模塊、實(shí)際位置計(jì)數(shù)模塊、電機(jī)控制模塊、電源模塊。
2．2．1 通信模塊
    通信模塊負(fù)責(zé)接收嵌入式發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，包括電機(jī)的實(shí)際位置、預(yù)置位置和現(xiàn)場(chǎng)所需要的一些控制信號(hào)，以及向嵌入式發(fā)送電機(jī)的實(shí)際位置，現(xiàn)場(chǎng)的一些狀態(tài)等。采用UART通信方式、RS 232通信標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的抗干擾能力。
2．2．2 實(shí)際位置計(jì)數(shù)模塊
    該模塊通過(guò)一系列的脈沖記數(shù)，利用脈沖控制計(jì)數(shù)，利用方向信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的加減，從而達(dá)到實(shí)際的正確位置。
2．2．3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊
    步進(jìn)電機(jī)控制模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)升降速曲線控制邏輯、實(shí)際位置和預(yù)置位置比較邏輯。
    升降速曲線控制邏輯：送出控制電機(jī)的脈沖信號(hào)，并且控制脈沖的頻率，使電機(jī)能夠平穩(wěn)地升降速。
    實(shí)際位置和預(yù)置位置比較邏輯：將嵌入式發(fā)送過(guò)來(lái)的電機(jī)預(yù)置位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，若預(yù)置位置大于實(shí)際位置，則送出正轉(zhuǎn)信號(hào)，反之送出反轉(zhuǎn)信號(hào)，并且使步進(jìn)電機(jī)曲線控制邏輯送出控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)脈沖。
    對(duì)于其他控制信號(hào)，如粗／細(xì)調(diào)信號(hào)，調(diào)諧完成、降功率等信號(hào)是通過(guò)嵌入式發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼得出。
2．2．4 電源模塊
    考慮到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，適用于FPGA的有三種方案，其比較如表1所示。

    通過(guò)上面的比較，基于特殊的工作環(huán)境(電磁干擾)，為此機(jī)器上使用的是電源模塊的供電方式。
2．3 數(shù)據(jù)采集部分
    數(shù)據(jù)采集處理是一個(gè)進(jìn)程，它包括主線程和輔線程。主線程完成當(dāng)前發(fā)射機(jī)狀態(tài)信息的讀取、寫(xiě)入、實(shí)時(shí)顯示及查詢；輔線程實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘以提供用戶當(dāng)前時(shí)間，并定時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)上運(yùn)行時(shí)間頻率進(jìn)行檢測(cè)和動(dòng)態(tài)顯示，在情況不對(duì)時(shí)發(fā)出警告。另外應(yīng)用程序還可以將該信息(包括機(jī)號(hào)、機(jī)器狀態(tài)、當(dāng)前數(shù)據(jù)頻率及當(dāng)前時(shí)間)通過(guò)OLED顯示屏提供給用戶，并寫(xiě)入一個(gè)文件進(jìn)行記錄。如果有需要的話，文件傳輸進(jìn)程會(huì)將該文件傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上面中心就能通過(guò)串口和上位機(jī)進(jìn)行通信從而得到實(shí)時(shí)信息。該模塊能夠提供給機(jī)房實(shí)時(shí)的發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)：如頻率、調(diào)幅度、播出功率、聲效監(jiān)聽(tīng)等。
    目前短波發(fā)射機(jī)已經(jīng)運(yùn)用的是PM511P。PM511P足一塊PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集板，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室、嵌入式設(shè)備等多種場(chǎng)合，具有16路A／D轉(zhuǎn)換通道、4路D／A通道、24路可編程開(kāi)關(guān)量輸入輸出、3路計(jì)數(shù)通道，其AD頻率為100kHz，輸出精度為12b。
2．4 自動(dòng)保護(hù)與監(jiān)測(cè)部分
    在這里采用的是Xilinx公司的XCS-40控制邏輯芯片，該芯片具有過(guò)荷保護(hù)的全部邏輯功能，有對(duì)過(guò)荷動(dòng)作信號(hào)指示及鎖存功能，還具備與微機(jī)系統(tǒng)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線功能。當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)過(guò)荷現(xiàn)象時(shí)首先就由該控制部分拉斷發(fā)射機(jī)的高頻，將其封鎖住對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行保護(hù)，其次通過(guò)外部接口將信息傳到外部，這樣可對(duì)外部工作人員進(jìn)行報(bào)警，達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。
    該外部通信口采用100M網(wǎng)卡通過(guò)機(jī)房多機(jī)系統(tǒng)的局域網(wǎng)將電控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)的遙控與監(jiān)測(cè)。而內(nèi)部的通信則是通過(guò)RS 232串行口連接實(shí)現(xiàn)的。

3 智能終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    首先介紹程序響應(yīng)的中斷系統(tǒng)。由于單片機(jī)與模塊之間的通信是不定期、不定長(zhǎng)的，為了保證不出現(xiàn)阻塞情況，系統(tǒng)采用中斷接收方式：把接收到的所有數(shù)據(jù)在中斷過(guò)程中放入對(duì)應(yīng)的循環(huán)緩沖區(qū)之中，然后由主程序解析接收到的串口數(shù)據(jù)。單片機(jī)還要響應(yīng)另外兩個(gè)中斷：一個(gè)是報(bào)警按鈕被按下時(shí)觸發(fā)的中斷；另一個(gè)是定時(shí)中斷，它每20 ms觸發(fā)一次，用于檢測(cè)模塊的超時(shí)應(yīng)答。智能終端軟件系統(tǒng)的主要功能是由主程序完成的。主程序采用狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    圖3(a)為總體流程框圖，圖3(b)為原定頻率設(shè)置流程圖，圖3(c)為臨時(shí)頻率設(shè)置流程圖。終端可以處于6種狀態(tài)：空閑、上傳開(kāi)機(jī)頻率信息、定時(shí)上傳開(kāi)機(jī)頻率信息、實(shí)時(shí)上傳狀態(tài)信息、報(bào)警、保護(hù)。狀態(tài)間的切換主要由機(jī)房控制中心通過(guò)計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)行控制。先進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)入主控制循環(huán)。在主控制循環(huán)中首先檢查原定頻率設(shè)置區(qū)中是否有更新的頻率數(shù)據(jù)包，如果有則進(jìn)行解析、驗(yàn)證，并根據(jù)協(xié)議中的控制命令改變終端所處的狀態(tài)(注：其優(yōu)先權(quán)后于臨時(shí)頻率設(shè)置區(qū))。接著判斷臨時(shí)頻率設(shè)置區(qū)是否有臨時(shí)的頻率數(shù)據(jù)包，如果有則進(jìn)行解析、驗(yàn)證，最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對(duì)終端進(jìn)行操作。

4 結(jié)語(yǔ)
    該智能系統(tǒng)已運(yùn)用于短波發(fā)射機(jī)中，主要是控制部分的運(yùn)用，但中心化集中控制還沒(méi)徹底運(yùn)用上，一方面是一些遠(yuǎn)程檢測(cè)部分受發(fā)射機(jī)干擾比較嚴(yán)重，影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；另一方面是技術(shù)上還存在或多或少的紕漏，但相對(duì)于原始的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)自動(dòng)化程度是徹底的提高，未來(lái)更有進(jìn)一步的運(yùn)用價(jià)值。