莫 磊

國家廣播電視總局2023臺 海南省 臨高縣 571837

前 言

傳統(tǒng)的短波發(fā)射機采用的水溫保護(hù)開關(guān)，設(shè)定的保護(hù)閥值65℃，但該開關(guān)采用機械動作工作方式，容易受潮腐蝕，且開關(guān)的誤差達(dá)到±5℃，因此發(fā)射機播音過程中水溫開關(guān)容易因誤差過大誤操作從而使發(fā)射機掉燈絲；另外發(fā)射機對水溫監(jiān)測使用的還是機械化的水溫表，該類表不僅誤差大，隨著使用時間過長，還很容易損壞或生銹腐蝕導(dǎo)致指示不準(zhǔn)，為自動化系統(tǒng)提供了錯誤的實時數(shù)據(jù)，而且機械水溫表需要定時更換，這樣會造成很大的資源浪費，也不能及時發(fā)現(xiàn)水溫的快速變化。發(fā)射機水溫監(jiān)控系統(tǒng)通過使用顯示型溫度變送器替換機械水溫表并輔以軟件監(jiān)控，不僅能顯示準(zhǔn)確的水溫，而且由于采用光電隔離技術(shù)，具有抗干擾能力強、反應(yīng)靈敏、速度快、可調(diào)節(jié)等優(yōu)點，運行相對穩(wěn)定可靠，還為自動化系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)和預(yù)判告警功能。

短波發(fā)射機的燈絲、高壓計時器使得機房人員能夠更好的了解真空器件在發(fā)射機上的使用情況，保證了安全播出。但由于原計時器存在以下缺點：抗干擾性差，容易出現(xiàn)亂碼；計時數(shù)據(jù)易受其自身電池的影響，當(dāng)電池耗盡時，計時數(shù)據(jù)也將丟失；無背光顯示，光線暗將很難看清顯示的數(shù)據(jù)。這些缺點不僅增加了機房的維護(hù)工作難度，也增加了機房人員在后期統(tǒng)計真空器件使用時間上的工作量。新的計時系統(tǒng)能夠克服舊計時器的缺點，很大程度的減少了機房的維護(hù)工作和統(tǒng)計工作，降低了出錯的概率。

1 水溫監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 整體設(shè)計

水溫傳感器對水溫進(jìn)行測量，然后將測量到的4～20mA電流信號經(jīng)過模擬量信號隔離器（一進(jìn)兩出型）轉(zhuǎn)化為0～10V 電壓信號，一路送給發(fā)射機自動化的PLC 系統(tǒng)，一路送給改進(jìn)后的水溫開關(guān)，水溫開關(guān)通過模擬量信號隔離器送來的電壓信號大小進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電壓信號還原成水溫數(shù)據(jù)，通過將水溫數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)好的水溫閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷發(fā)射機的入水水溫是否過高，是否給發(fā)射機的CPLD（Complex Programmable Logic Device） 系統(tǒng)提供一個24VDC的開關(guān)信號來使發(fā)射機進(jìn)行溫度過高保護(hù)。如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

水溫開關(guān)主要由電源（電壓模擬量）、信號濾波（二階壓控LPF）、信號電壓調(diào)節(jié)（AD8275芯片）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADS1115 轉(zhuǎn)換器）、主控（STC 主控）、繼電器、主控復(fù)位及主控狀態(tài)監(jiān)測（MAX813L芯片）、指示燈、溫度閾值選擇（撥碼開關(guān)）等9 個模塊組成，如圖2所示。

1.2.1 電源模塊

水溫開關(guān)的供電為±12V 直流電源，經(jīng)過濾波穩(wěn)壓后，送給信號電壓調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、主控、繼電器、主控復(fù)位及主控狀態(tài)監(jiān)測、指示燈、溫度閾值等模塊電路，如圖3所示。

圖1 整體架構(gòu)框圖

圖2 硬件組成圖

圖3 電源模塊框圖

1.2.2 信號濾波及信號電壓調(diào)節(jié)模塊

輸入的模擬信號通過一個二階壓控LPF 進(jìn)行濾波后送至AD8275， AD8275 能 夠 將 ±10V的信號電壓轉(zhuǎn)換成0～4.95V的信號電壓。通過AD8275 對模擬信號的電壓進(jìn)行調(diào)整后，將模擬信號的電壓轉(zhuǎn)換至ADS1115 能夠接受的電壓范圍內(nèi)，如圖4所示。

1.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

水溫開關(guān)使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADS1115，其具有寬電源范圍（2.0V～5.5V）、低功耗、高精度、內(nèi)部具有低漂移電壓基準(zhǔn)等特點。ADS1115 對模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)通過IIC 總線送至主控，供主控進(jìn)行分析，如圖5所示。

1.2.4 主控模塊

主控模塊就像是水溫開關(guān)的大腦，主要負(fù)責(zé)讀取ADS1115 轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)，將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，通過與預(yù)設(shè)的溫度閾值進(jìn)行比較，給發(fā)射機的CPLD 送去相應(yīng)的開關(guān)量信息。水溫開關(guān)的控制核心采用ST公司生產(chǎn)的STC15 系列的單片機，型號為STC15W201S，其具有可編程、抗干擾能力強、不需要外部晶振、速度快、高可靠、價格低等特點，如圖6所示。

圖4 信號濾波及信號電壓調(diào)節(jié)模塊圖

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

圖6 主控模塊圖

1.2.5 主控復(fù)位及主控狀態(tài)監(jiān)測模塊

主控復(fù)位及主控狀態(tài)監(jiān)測模塊所使用的芯片為MAX813L，能夠?qū)﹄娫措妷哼M(jìn)行監(jiān)測，如果電源電壓不正常時能夠?qū)χ骺剡M(jìn)行復(fù)位。其內(nèi)部還有一個看門狗電路，如果主控在一定時間內(nèi)不進(jìn)行“喂狗”操作，則MAX813L將會對主控進(jìn)行復(fù)位，這起到了對主控運行狀態(tài)的監(jiān)測，避免主控程序跑飛，如圖7所示。

1.2.6 繼電器模塊

由于單片機無法直接輸出24V 直流電壓信號，所以需要用繼電器進(jìn)行控制電壓轉(zhuǎn)換，如圖8所示。

1.2.7 指示燈模塊

指示燈模塊用于顯示水溫狀態(tài)是否正常、單片機是否工作正常，如圖9所示。

1.2.8 溫度閾值選擇模塊

溫度閾值選擇模塊由一個4位撥碼開關(guān)與外圍電路構(gòu)成，通過電平高低組合成不同的閾值，供用戶設(shè)置，如圖10所示。

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 開發(fā)環(huán)境

單片機使用的編程工具為Keil C51，Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，其提供了包括C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起，如圖11所示。

圖7 主控復(fù)位及主控狀態(tài)監(jiān)測模塊圖

圖8 繼電器模塊圖

圖9 指示燈模塊圖

圖10 溫度閾值選擇模塊圖

圖11 Keil C51開發(fā)環(huán)境圖

1.3.2 控制流程

當(dāng)水溫開關(guān)上電后，單片機內(nèi)部時鐘、輸入輸出引腳、定時器0（用于定時“喂狗”）進(jìn)行初始化。初始化完成后讀取4 個連接4 位撥碼開關(guān)的引腳狀態(tài)（即高低電平），通過不同的電平組合設(shè)置好對應(yīng)的閾值。執(zhí)行完上述操作后，單片機重復(fù)執(zhí)行的執(zhí)行如下操作：

（1） 讀取 ADS1115 的取樣值。

（2）將取樣值進(jìn)行公式換算，得出對應(yīng)的溫度值。

（3）將計算出的溫度值與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若溫度值大于或等于閾值，則對應(yīng)引腳輸出高電平控制繼電器吸合，給CPLD 系統(tǒng)送去24VDC 開關(guān)量信號。若溫度值小于閾值，則證明水溫正常，返回步驟1 繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)操作，如圖12所示。

圖12 軟件控制流程圖

2 計時系統(tǒng)

2.1 計時系統(tǒng)的硬件設(shè)計

計時系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是計時器的硬件設(shè)計。計時器由電源、主控、CAN通信、按鍵輸入、數(shù)據(jù)存儲、信號輸入、LCD 顯示、LED 指示燈等8 個模塊組成。計時器模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖13所示。

2.1.1 電源模塊

在電源的輸入端和電源模塊K7803 的輸出端都串聯(lián)了一個自恢復(fù)保險絲，它們能夠在后級電路短路時斷開，恢復(fù)后導(dǎo)通，從而讓電路能夠安全的運行。

電源采用大電容并小電容的方式進(jìn)行濾波，在一定程度上濾除了電源中的噪聲。電源的穩(wěn)壓部分采用了金升陽公司的K7803-1000R3 型 號 的 DC/DC 電 源 模塊，具有寬電壓輸入、轉(zhuǎn)換效率高、負(fù)載保護(hù)等特點。該DC/DC電源模塊能夠?qū)?～36V 的直流電源轉(zhuǎn)換成3.3V的直流電源，供計時器使用。原理如圖14、圖15所示。

2.1.2 主控模塊

主控采用STM8S 系列的單片機，型號為STM8S208C8T6，具有抗干擾能力強、哈佛結(jié)構(gòu)并帶有3 級流水線的高級STM8 內(nèi)核、豐富的通信接口（SPI、CAN、UART、I2C 接口）、低功耗、價格相對較低等優(yōu)點。主控模塊為計時器模塊的核心，其主要負(fù)責(zé)真空器件的計時、信號輸入檢測、數(shù)據(jù)存儲、CAN 總線通信、按鍵輸入檢測、控制LED指示燈及LCD顯示屏狀態(tài)信息的顯示等工作。原理如圖16所示。

圖13 計時器模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

圖14 電源穩(wěn)壓濾波模塊原理圖

圖15 電源方框圖

圖16 主控模塊原理圖

2.1.3 CAN通信模塊

CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）的簡稱，其具有如下特點：具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成搜索本低等優(yōu)點；采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN總線上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的錯誤處理和檢錯機制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

發(fā)射機內(nèi)部是一個復(fù)雜的電磁環(huán)境，如何在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下進(jìn)行可靠的通信是個需要考慮的問題。結(jié)合CAN總線的優(yōu)點，故采用CAN總線通信的方式作為上位機控制軟件與計時器之間通信的方式。該模塊為計時器模塊提供通信接口，其主要提供對總線的差動收發(fā)、增大通信距離、提高抗干擾能力和保護(hù)總線等功能。其原理圖如圖17所示。

2.1.4 數(shù)據(jù)存儲模塊

計時器的數(shù)據(jù)存儲使用了Atmel公司生產(chǎn)的AT24C02 芯片，它是一顆256x8（2K）bit 的EEPROM （Electrically Erasable Programmable Read-Only Memo-ry，帶電可擦可編程只讀存儲器）芯片，其內(nèi)部能夠存儲256個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

圖17 CAN通信模塊原理圖

主控能夠通過I2C 總線與其進(jìn)行通信，將計時數(shù)據(jù)存入其中，需要時從其中讀取出來，其原理如圖18所示。

2.1.5 信號輸入模塊

發(fā)射機加/斷燈絲或加/斷高壓時，繼電器會存在吸合或斷開這兩種狀態(tài)，將這兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成主控可以識別的信號（即高低電平）就可以判斷燈絲、高壓是“加”還是“斷”的狀態(tài)了。信號輸入模塊采用了光電耦合器進(jìn)行信號隔離，在一定程度上降低了外部的干擾，減少了計數(shù)器模塊的誤動作，其原理如圖19 所示。

2.1.6 其它模塊

LED 指示燈模塊：采用兩顆紅綠雙色LED燈作為指示燈，其能夠指示當(dāng)前發(fā)射機的燈絲和高壓的通斷狀態(tài)。

按鍵輸入模塊：提供計時器燈絲和高壓計時數(shù)據(jù)的手動清零功能。

LCD顯示模塊：采用一塊1.8寸的LCD液晶屏模塊，其能夠進(jìn)行插拔，便于顯示模塊損壞后的更換。原理如圖20所示。

圖18 數(shù)據(jù)存儲模塊原理圖

圖19 信號輸入模塊原理圖

圖20 LED指示燈、按鍵輸入、LCD顯示模塊原理圖

圖21 計時器模塊軟件流程圖

2.2 計時器的軟件設(shè)計

程序采用輪詢和中斷驅(qū)動的方式進(jìn)行操作，通過單片機相應(yīng)的中斷，在中斷里進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)志位置位，在主循環(huán)里通過判斷標(biāo)志位是否置位來確定是否應(yīng)該執(zhí)行某些操作。比如定時器每滿6 分鐘（即0.1 小時）會進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲，其過程為當(dāng)定時器計滿6 分鐘時，數(shù)據(jù)存儲標(biāo)志位會進(jìn)行置位，當(dāng)主循環(huán)輪詢到數(shù)據(jù)存儲標(biāo)志位被置位后，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲操作。

在真空器件的計時上，計時器并非單獨為每一個真空器件計時，而是以計時器的時基數(shù)據(jù)為主，即計時器LCD 顯示屏上顯示的燈絲、高壓計時時間。當(dāng)有新的真空器件信息寫入計時器時，計時器會將當(dāng)前的燈絲、高壓計時時間與其一起寫入存儲器中，當(dāng)需要讀取該真空器件的使用時間時，只需將計時器當(dāng)前的燈絲、高壓計時時間減去該真空器件寫入計時器時的燈絲、高壓計時時間，即可得到該真空器件的燈絲、高壓使用時間了。計時器模塊軟件流程如圖21 所示。

3 調(diào)試與應(yīng)用

3.1 水溫監(jiān)控系統(tǒng)硬件測試

經(jīng)過一年多的測試運行，水溫監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、指示準(zhǔn)確。如圖22、表1、表2所示。

3.2 計時器硬件測試

計時器的正面和背面如圖23、圖24所示。

圖22 水溫監(jiān)控系統(tǒng)實物圖

表1 轉(zhuǎn)換模塊（4～20mA轉(zhuǎn)0～10V）測試表

表2 水溫開關(guān)模塊測試表

圖23 計時器正面圖

圖24 計時器背面圖

表3 在發(fā)射機上測試的播音時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)

通過邏輯分析儀可得到數(shù)據(jù)如圖25、表3 所示，通過該圖可以看出計時器相對于1s的計時為0.999799750s，精度為99.98%，已滿足設(shè)計要求。

總 結(jié)

發(fā)射機真空器件計時系統(tǒng)的設(shè)計和水溫監(jiān)控系統(tǒng)，在一定程度上增強了臺站參與項目人員的軟硬件設(shè)計調(diào)試能力，為臺站未來的發(fā)展提供“軟實力”，將智能化融入廣播電視發(fā)展中，也為臺站后期的技改積累技術(shù)經(jīng)驗。

發(fā)射機計時系統(tǒng)的設(shè)計引入了模塊化思想，發(fā)射機每個模塊既是一個個體，又是發(fā)射機的一個不可或缺的部分，它能自主運行，也能與發(fā)射機的大腦（主控制器）進(jìn)行通信，發(fā)射機主控制器能夠通過通信總線與其進(jìn)行通信，實時監(jiān)測模塊的狀態(tài)，也能給其發(fā)送指令，讓其進(jìn)行相應(yīng)的操作。通過這種模塊化設(shè)計，設(shè)備哪個地方出現(xiàn)問題也將能夠更快地發(fā)現(xiàn)，更快地排除。發(fā)射機真空器件在線計時系統(tǒng)只是一個開始，相信經(jīng)過后期的改進(jìn)與優(yōu)化，發(fā)射機將會變得更加穩(wěn)定、智能。

圖25 邏輯分析儀測試數(shù)據(jù)圖

水溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，更好的提供發(fā)射機水溫實時數(shù)據(jù)和預(yù)判告警功能，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，而水溫開關(guān)通過模塊化設(shè)置，其保護(hù)溫度的可設(shè)置性使該系統(tǒng)能更好的適用于其他臺站，杜絕了因原始水溫保護(hù)開關(guān)存在的大誤差性而造成的發(fā)射機停播現(xiàn)象。