發(fā)射機(jī)房控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張志紅

摘要：短波發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)位于發(fā)射機(jī)核心部位，它對發(fā)射機(jī)的開關(guān)機(jī)及播音運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控起到關(guān)鍵作用，為發(fā)射機(jī)狀態(tài)提供數(shù)據(jù)和保護(hù)措施，在發(fā)射機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中意義重大，基于FPGA的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)用，很好地解決了上述各項(xiàng)要求，具有抗干擾性強(qiáng)、工作穩(wěn)定、功能簡便等特點(diǎn)，為未來一體化無人值班打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：短波發(fā)射機(jī) 控制單元 FPGA

中圖分類號：TN948 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0019-02

本文以短波發(fā)射機(jī)改造為研究背景，針對現(xiàn)有發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，從發(fā)射機(jī)自身的原理進(jìn)行充分研究，并根據(jù)實(shí)際中的運(yùn)用特點(diǎn)，確定了設(shè)計(jì)的方案及設(shè)計(jì)目標(biāo)：以FPGA為控制信號處理中心，以為A＼D轉(zhuǎn)換芯片AD574JN構(gòu)成A/D采樣，對發(fā)射機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動化改造的硬件設(shè)計(jì)。

在整體的設(shè)計(jì)上，采用FPGA軟件編程、串口通信技術(shù)，從各個控制原理入手，重點(diǎn)從控制保護(hù)理論依據(jù)、設(shè)計(jì)思想、硬件及軟件實(shí)現(xiàn)等，詳細(xì)講述了實(shí)際設(shè)計(jì)中遇見難點(diǎn)問題以及解決過程，并對創(chuàng)新點(diǎn)和功能做出闡述，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試，通過測試要求，確立該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的可行性與正確性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

1 TBH-522短波發(fā)射機(jī)工作原理

TBH-522型150KW PSM短波發(fā)射機(jī)屬于雙邊帶調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)，主要是供語言或音樂廣播，調(diào)制方式為脈沖階梯調(diào)制（PSM）工作方式的高電平調(diào)幅，該發(fā)射機(jī)將主整電源與調(diào)制器合二為一，省掉了主整電源，整機(jī)僅使用兩只發(fā)射管，頻率范圍：可在3.9-26.1MHZ范圍使用。

輸出功率：正常的載波功率≥150KW未加音頻，其輸出功率可以從水冷假負(fù)載的進(jìn)水溫度和出水溫度的溫差計(jì)算出。

公式為：P=1.16×Q×△T（KW） Q---為流量計(jì)的流量，單位噸/小時（t/h）， △T---進(jìn)水溫度的溫差。此種算法為熱功當(dāng)量法，計(jì)算的是平均功率。發(fā)射機(jī)的基本核校標(biāo)準(zhǔn)功率，都是通過此方法。

調(diào)幅功率：發(fā)射機(jī)加音頻后的輸出功率，其計(jì)算公式：Po=Pc×（1+m2/2） Po 為調(diào)幅功率Pc為載波功率m調(diào)幅度，當(dāng)m為100%調(diào)幅時，發(fā)射機(jī)的輸出功率為Po=3/2Pc，比如，輸出功率為150KW時，Po為225KW。

邊帶功率：調(diào)幅功率知道后，就可以計(jì)算出有用的邊帶功率，這是真正所需的功率。

計(jì)算公式：Po-Pc（調(diào)幅功率-載波功率），在m=1時，150KW的邊帶功率為（225KW-150KW）=75KW，相當(dāng)于額定輸出載波功率的一半。

反射功率：計(jì)算公式：P反={（ρ-1）2/（ρ+1）2}×Pc P反為反射功率Pc為載波功率ρ為駐波比（ρ≥1），當(dāng)駐波比為2時，P反=1/9 Pc，比如Pc=150KW，P反=150/9=16.6KW。

整機(jī)效率：在3.9-26.1MHZ頻率范圍內(nèi)，調(diào)制度m=0-1時，η≥70%。

信雜比：優(yōu)于56dB。

調(diào)幅度不對稱性：在調(diào)幅度為95%時，上下調(diào)幅度不對稱性<5%。

2 發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)簡介

控制系統(tǒng)的主要功能是：發(fā)射機(jī)開機(jī)后，可將發(fā)射機(jī)各個部分的供電按照規(guī)定的順序依次接通如圖1；在關(guān)機(jī)后，按相反的順序依次斷開。當(dāng)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障或過荷后，可自動對發(fā)射機(jī)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)故障排除后，可使發(fā)射機(jī)迅速恢復(fù)正常工作，另外，還能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)壓穩(wěn)壓功能，給燈絲等部分提供穩(wěn)定的供電電壓。

控制系統(tǒng)按照電路的原理來劃分，可分成兩大部分：

（1）指示燈控制電路，在此部分，指示燈的點(diǎn)亮與否，直接關(guān)系到程序控制的每一步與門條件滿足與否，因此指示燈控制電路是很重要的一部分，對維護(hù)中起到提示作用。

（2）電源邏輯控制電路，該電路分為“手動”、“自動”、“遙控”三種工作模式。

主分為六步驟：1）合冷卻/斷冷卻控制；2）合燈絲控制；3）合偏壓控制；4）合高前板壓控制；5）合高末高壓控制；6）合高末簾柵壓控制。

3 自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：發(fā)射機(jī)的開關(guān)機(jī)由控制單元控制全程，由其發(fā)出指令控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程應(yīng)嚴(yán)格遵循整機(jī)電氣控制原理，分析各個執(zhí)行點(diǎn)的相關(guān)操作，控制要求如下：（1）當(dāng)開機(jī)后，冷卻系統(tǒng)、調(diào)壓器供電、偏壓、高前電壓、高末電壓，依次根據(jù)邏輯供給電源，各路的間隔性要好，以保證正確的通電導(dǎo)通順序。（2）啟動調(diào)壓器后，分三段供電，80V、150V、220V，正常開機(jī)后并設(shè)有高低電壓限度，能自動控制穩(wěn)定電壓，從而保護(hù)電子管燈絲。（3）各個開關(guān)電源，在開機(jī)后，有很好的邏輯控制關(guān)系，保證在一路出現(xiàn)故障時，能立刻拉斷相關(guān)的電源，保證設(shè)備的安全。開啟關(guān)機(jī)后，在5分鐘后，逐個退去開關(guān)電源，直到停止運(yùn)行。

在此，我們選用Xilinx公司的FPGA芯片，Spartan II家族中的XC2S200PQ208 和XCS-40兩種模塊，程序的編寫基于VHDL語言和原理圖結(jié)合的方法，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。用戶可以方便地對數(shù)據(jù)庫中的數(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(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，通過軟件里的數(shù)據(jù)變更，就能使用上新的器件特性，克服了原來調(diào)諧系統(tǒng)固定的工作模式，不用因?yàn)橐粋€器件的加入，而重?fù)Q整個調(diào)諧控制系統(tǒng)。

FPGA的邏輯部分的設(shè)計(jì)主要包括與單片機(jī)接口模塊，實(shí)際位置計(jì)數(shù)模塊，電機(jī)控制模塊三個部分的設(shè)計(jì)：（1）單片機(jī)接口模塊：單片機(jī)接口模塊負(fù)責(zé)與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)中的單片機(jī)負(fù)責(zé)與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)，接收嵌入式發(fā)送過來的命令，傳輸FPGA中記錄的現(xiàn)場狀態(tài)信號，包括電機(jī)的實(shí)際位置、預(yù)置位置和現(xiàn)場所需要的一些控制信號等等，從而實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的協(xié)同工作，完成各種復(fù)雜的功能。（2）實(shí)際位置計(jì)數(shù)模塊：FPGA不具備存儲功能，掉電之后實(shí)際位置會丟失，需要在下一次上電時將實(shí)際位置重新寫入實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，實(shí)際位置由嵌入式系統(tǒng)中的一個文件進(jìn)行記憶，當(dāng)系統(tǒng)掉電后重新啟動時，嵌入式系統(tǒng)將該文件中的數(shù)據(jù)寫入實(shí)際位置技術(shù)器，是增量碼盤的數(shù)據(jù)絕對化。（3）譯碼控制模塊：對于2路腔體，需要控制氣泵進(jìn)行充放氣，從FPGA控制邏輯總送出充放氣信號，并且采集氣泵節(jié)點(diǎn)信號，控制腔體移動。對于其他控制信號，如粗/細(xì)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(jìn)行譯碼得出。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)程序之前，針對發(fā)射機(jī)整體控制的過程進(jìn)行分析，將每一個器件動作過程和邏輯條件進(jìn)行規(guī)劃，把這一個整體過程規(guī)范化、程序化，就得到了完善的控制流程圖，在后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)中，以流程圖為主軸，采用FPGA的編程語言，將全部過程一一展開分化：

整體流程圖（見圖1）。

5 上機(jī)測試實(shí)效

控制系統(tǒng)模擬測試，模擬調(diào)機(jī)前將FPGA的輸出端拔掉。

（1）加電 —→ 升壓繼電器J15吸合（Q1.1指示燈亮）—→ 給出調(diào)壓器零位信號 —→ 降壓繼電器J15打開（Q1.2指示燈亮）。

（2）開機(jī)：給出供電正常、斷相保護(hù)器I2.5 —→ 允許開機(jī)指示燈亮，給出燈絲斷路器合I0.4—→ 燈絲合指示燈亮，按開機(jī)按鈕 （I0.0）—→ 冷卻合指示燈亮、開冷卻繼電器K1吸合（Q0.0亮）。

（3）合偏壓：給出偏壓斷路器合I0.7、機(jī)保開關(guān)I1.4—→ 開偏壓繼電器K4吸合（Q0.2亮）

（4）合高前：給出以下信號：高前斷路器合I1.7、門開關(guān)I1.3、偏壓正常信號I1.1、饋線接地I1.6 —→ 高前允許燈亮，按合高前按鈕（I3.5）—→ 高前1檔繼電器K5吸合（Q0.3亮）—→ 給出高前1當(dāng)接點(diǎn)信號I3.2—→ 高前2檔繼電器Q0.4吸合（亮）—→ 去掉高前正常I1.0 —→ 高前正常指示燈滅。

（5）合高壓：給出高壓斷路器合I2.1、PSM合I2.3、低周風(fēng)正常 I2.0、高簾斷路器合I2.1—→高壓允許燈亮 —→ 給出天線到位 I1.5 —→ 封鎖高頻指示燈I6.2滅，按下合高壓按鈕（I3.7）—→ 高壓1檔繼電器K7吸合（Q0.5亮）—→ 給出高壓1檔接點(diǎn)信號（高壓1檔燈I2.2亮）—→ 高壓2檔繼電器K10吸合（Q1.0亮） —→ 給出高壓2檔接點(diǎn)信號I2.4（高壓2檔燈亮）—→ 高簾1檔繼電器K8吸合（Q0.6亮）—→ 給出高簾1檔接點(diǎn)信號I2.7（高簾1檔燈亮）—→ 去掉粗細(xì)調(diào)切換p—→ 粗調(diào)完成控制、封鎖寬放、封鎖PSM Q1.6滅 —→ 去掉高壓正常I3.4（高壓正常燈滅）—→ 去掉調(diào)諧完成I5.0（細(xì)調(diào)完成燈滅）—→ 高簾2檔繼電器K9吸合（Q0.7亮）—→ 給出高簾2檔接點(diǎn)信號（高簾2檔燈亮）、去掉高簾正常I6.6（高簾正常燈滅）。

（6）斷高壓：此時細(xì)調(diào)未完成，高簾1、2檔斷開（燈滅）高壓正常顯示（燈滅）。

（7）斷高前：高壓允許指示燈（燈滅），封鎖高頻指示（燈亮），封鎖高頻繼電器吸合。高前1、2檔斷開（燈滅），高前正常指示燈（燈滅）。

6 結(jié)語

相比同類產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)的控制保護(hù)系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的控制要求適應(yīng)性，降低發(fā)射機(jī)自身的缺點(diǎn)，強(qiáng)化了可延續(xù)性的能力，并構(gòu)建了基于FPGA控制系統(tǒng)未來的連接構(gòu)架。這項(xiàng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，將提高發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性，將人員從繁重的檢修任務(wù)中解放，以更多精力進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和技術(shù)提高，從而利于傳輸發(fā)射工作，并促進(jìn)全自動化平臺的擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

[1]黃曉兵.THB-522型150KW短波發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊[A].北京：中國書籍出版社，2011：P10-13.

[2]TBH-522短波發(fā)射機(jī)說明書[A].北京：北京廣播器材廠出版，2001：P23-42.

[3]TBH-522型短波發(fā)射機(jī)自動控制技術(shù)說明書[A]北京：福昊達(dá)科技開發(fā)有限公司出版 2006：P4-32.