短波發(fā)射機智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：隨著工業(yè)自動化的普及與發(fā)展，為了實現(xiàn)短波發(fā)射機全自動化，要求有更加先進、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)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)為一體的控制模塊，實際中對短波發(fā)射機進行了控制方面的改造，最后獲得了很好的自動化控制效果，解決了工作人員的手工操作，完全可以做到無人化值班無人化控制。為未來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；無人化控制

0 引言
    為了改進短波發(fā)射機的自動化控制，從遠到近都能自動進程，在這里技術(shù)人員采用了ICS系統(tǒng)來完成該設(shè)計。智能控制系統(tǒng)(Intelligent Control System，ICS)采用信息技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)等手段對傳統(tǒng)發(fā)射機運行控制系統(tǒng)進行改造，以達到增強系統(tǒng)運行效率、提高系統(tǒng)智能性和快速性、增加中央控制能力等目的。
    ICS總體來說包括四部分：終端信息接收、頻率調(diào)度控制、報警保護系統(tǒng)和終端信息服務(wù)平臺。其中的每個部分都需要智能控制模塊的參與，比如說：在終端信息采集部分，需要智能控制模塊提供發(fā)射機的運行情況信息；在頻率調(diào)度控制部分，智能控制模塊作為控制的接收端，負責接收節(jié)傳中心的調(diào)度指揮信息；報警保護系統(tǒng)需要智能控制模塊與發(fā)射機的控制保護小盒相連，給出報警信號；智能控制模塊還是運行信息情況服務(wù)的接收平臺，把各個操作信息(比如倒頻花費時間等)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，下面詳細介紹智能控制模塊的功能與設(shè)計實現(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：檢測發(fā)射機狀態(tài)；終端與ICS控制中心通信；報警，包括自動報警和自動保護；本臺包括局中心內(nèi)監(jiān)聽；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
    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、實時控制，即時保護做出相應(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)各個模塊的工作。以實現(xiàn)系統(tǒng)全部的控制流程，數(shù)據(jù)采集、界面顯示、實時保護、外界通信等。
    PCM-9575是臺灣公司生產(chǎn)的一款專用于工業(yè)控制的嵌入式主板，目前已廣泛應(yīng)用于高速公路收費站以及一些監(jiān)測系統(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、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)射機模塊
    該部分控制了發(fā)射機的倒頻、各路電機位置驅(qū)動、各個調(diào)諧點的粗細調(diào)。整體工作就是接收到命令后按所編程要求的產(chǎn)生指令對發(fā)射機進行倒頻，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)門數(shù)為20萬門，208個管腳，程序的編寫基于VHDL語言和原理圖結(jié)合的方法，采用Foundation 3．1作為軟件平臺，將超大規(guī)模集成電路(VLSI)的邏輯集成的優(yōu)點與用戶可編程的易于設(shè)計生產(chǎn)的好處結(jié)合在一起，把以前由多個TTL、PLD和EPLD器件執(zhí)行的邏輯功能集成到其器件內(nèi)。在軟件上實現(xiàn)了靈活的管理功能，用戶可以方便地對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢、更改、刪除等操作，并且該數(shù)據(jù)庫是采用文本文件的方式存儲，用戶也可以利用USB接口將頻率庫COPY到PC機上進行批量編輯。今后的工作一旦有什么要改造的部件，通過軟件里的數(shù)據(jù)變更，就能使用新的器件特性，克服了原來調(diào)諧系統(tǒng)固定的工作模式，不用因為一個器件的加入，而重換整個調(diào)諧控制系統(tǒng)。主要分為四部分：嵌入式通信的模塊、實際位置計數(shù)模塊、電機控制模塊、電源模塊。
2．2．1 通信模塊
    通信模塊負責接收嵌入式發(fā)送過來的命令，包括電機的實際位置、預(yù)置位置和現(xiàn)場所需要的一些控制信號，以及向嵌入式發(fā)送電機的實際位置，現(xiàn)場的一些狀態(tài)等。采用UART通信方式、RS 232通信標準，具有很好的抗干擾能力。
2．2．2 實際位置計數(shù)模塊
    該模塊通過一系列的脈沖記數(shù)，利用脈沖控制計數(shù)，利用方向信號控制計數(shù)器的加減，從而達到實際的正確位置。
2．2．3 步進電機控制模塊
    步進電機控制模塊主要包括步進電機升降速曲線控制邏輯、實際位置和預(yù)置位置比較邏輯。
    升降速曲線控制邏輯：送出控制電機的脈沖信號，并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩(wěn)地升降速。
    實際位置和預(yù)置位置比較邏輯：將嵌入式發(fā)送過來的電機預(yù)置位置和實際位置進行比較，若預(yù)置位置大于實際位置，則送出正轉(zhuǎn)信號，反之送出反轉(zhuǎn)信號，并且使步進電機曲線控制邏輯送出控制電機的旋轉(zhuǎn)脈沖。
    對于其他控制信號，如粗／細調(diào)信號，調(diào)諧完成、降功率等信號是通過嵌入式發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行譯碼得出。
2．2．4 電源模塊
    考慮到開關(guān)電源設(shè)計的復(fù)雜性，適用于FPGA的有三種方案，其比較如表1所示。

    通過上面的比較，基于特殊的工作環(huán)境(電磁干擾)，為此機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)采集處理是一個進程，它包括主線程和輔線程。主線程完成當前發(fā)射機狀態(tài)信息的讀取、寫入、實時顯示及查詢；輔線程實現(xiàn)一個時鐘以提供用戶當前時間，并定時對發(fā)射機上運行時間頻率進行檢測和動態(tài)顯示，在情況不對時發(fā)出警告。另外應(yīng)用程序還可以將該信息(包括機號、機器狀態(tài)、當前數(shù)據(jù)頻率及當前時間)通過OLED顯示屏提供給用戶，并寫入一個文件進行記錄。如果有需要的話，文件傳輸進程會將該文件傳輸?shù)缴衔粰C。上面中心就能通過串口和上位機進行通信從而得到實時信息。該模塊能夠提供給機房實時的發(fā)射機運行參數(shù)：如頻率、調(diào)幅度、播出功率、聲效監(jiān)聽等。
    目前短波發(fā)射機已經(jīng)運用的是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、實驗室、嵌入式設(shè)備等多種場合，具有16路A／D轉(zhuǎn)換通道、4路D／A通道、24路可編程開關(guān)量輸入輸出、3路計數(shù)通道，其AD頻率為100kHz，輸出精度為12b。
2．4 自動保護與監(jiān)測部分
    在這里采用的是Xilinx公司的XCS-40控制邏輯芯片，該芯片具有過荷保護的全部邏輯功能，有對過荷動作信號指示及鎖存功能，還具備與微機系統(tǒng)連接的現(xiàn)場總線功能。當機器出現(xiàn)過荷現(xiàn)象時首先就由該控制部分拉斷發(fā)射機的高頻，將其封鎖住對發(fā)射機進行保護，其次通過外部接口將信息傳到外部，這樣可對外部工作人員進行報警，達到監(jiān)測的目的。
    該外部通信口采用100M網(wǎng)卡通過機房多機系統(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，從而實現(xiàn)電控系統(tǒng)的遙控與監(jiān)測。而內(nèi)部的通信則是通過RS 232串行口連接實現(xiàn)的。

3 智能終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計
    首先介紹程序響應(yīng)的中斷系統(tǒng)。由于單片機與模塊之間的通信是不定期、不定長的，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)在中斷過程中放入對應(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)。單片機還要響應(yīng)另外兩個中斷：一個是報警按鈕被按下時觸發(fā)的中斷；另一個是定時中斷，它每20 ms觸發(fā)一次，用于檢測模塊的超時應(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)為臨時頻率設(shè)置流程圖。終端可以處于6種狀態(tài)：空閑、上傳開機頻率信息、定時上傳開機頻率信息、實時上傳狀態(tài)信息、報警、保護。狀態(tài)間的切換主要由機房控制中心通過計算機的命令進行控制。先進行初始化工作，然后進入主控制循環(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，如果有則進行解析、驗證，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)后于臨時頻率設(shè)置區(qū))。接著判斷臨時頻率設(shè)置區(qū)是否有臨時的頻率數(shù)據(jù)包，如果有則進行解析、驗證，最后根據(jù)終端所處的狀態(tài)對終端進行操作。

4 結(jié)語
    該智能系統(tǒng)已運用于短波發(fā)射機中，主要是控制部分的運用，但中心化集中控制還沒徹底運用上，一方面是一些遠程檢測部分受發(fā)射機干擾比較嚴重，影響數(shù)據(jù)的實時傳輸；另一方面是技術(shù)上還存在或多或少的紕漏，但相對于原始的控制系統(tǒng)來說，這個自動化程度是徹底的提高，未來更有進一步的運用價值。