基于FPGA 技術(shù)的中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯有強(qiáng)

（東營(yíng)市融媒體中心，山東 東營(yíng) 257091）

0 引言

隨著中波廣播發(fā)射臺(tái)向“有人值守、無(wú)人值班”的運(yùn)行模式發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)的嵌入使用無(wú)疑是最佳選擇，尤其在播出控制系統(tǒng)領(lǐng)域完成數(shù)字化、自動(dòng)化升級(jí)后，能夠有效提升系統(tǒng)工作效率和安全播出能力。目前，中波廣播發(fā)射臺(tái)普遍采用集中控制管理模式，當(dāng)播控系統(tǒng)突發(fā)故障時(shí)，由于單機(jī)不具備自動(dòng)化控制能力，會(huì)直接導(dǎo)致多個(gè)工作頻率設(shè)備停播，進(jìn)而造成一系列安全播出事故[1]。因此，采用分布式設(shè)計(jì)思路，將集中控制管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧泄芾?、分布控制模式，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)重點(diǎn)解決單機(jī)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，能夠提高中波廣播發(fā)射臺(tái)的自動(dòng)化水平，降低重大停播事故發(fā)生的概率。

1 中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)

中波廣播發(fā)射臺(tái)播控系統(tǒng)是一種基于多設(shè)備、多平臺(tái)綜合運(yùn)行的播出控制系統(tǒng)，在正常工作中會(huì)因設(shè)備間的互擾、平臺(tái)間的串?dāng)_導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)难舆t、停滯或者信號(hào)本身受到影響，導(dǎo)致廣播電視安全播出異常。本文利用FPGA 技術(shù)完成對(duì)中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的組織架構(gòu)如圖1 所示，重點(diǎn)突出自動(dòng)控制管理與應(yīng)急處置，確保中波廣播發(fā)射臺(tái)整體穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

圖1 中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)

從圖1 可以看出，F(xiàn)GPA 對(duì)中波廣播發(fā)射臺(tái)的下位機(jī)側(cè)（中后端）完成基帶信號(hào)處理與控制信號(hào)的管理，通過(guò)預(yù)置在存儲(chǔ)器中的控制信號(hào)自動(dòng)完成對(duì)發(fā)射機(jī)、音頻信號(hào)以及電源等的自動(dòng)控制與處理，監(jiān)測(cè)發(fā)射臺(tái)各型電子設(shè)備的工作狀態(tài)和外部環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)，利用切換機(jī)適時(shí)干預(yù)和控制，同時(shí)將指令和預(yù)期結(jié)果回傳至中波廣播發(fā)射臺(tái)的上位機(jī)側(cè)（前端），通過(guò)交換機(jī)下達(dá)播控指令，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)中波廣播發(fā)射臺(tái)播控系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)、控制與管理。

2 中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)

單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于云平臺(tái)“監(jiān)、管、維”一體的控制管理系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[3]，如圖2 所示，幫助中波廣播發(fā)射臺(tái)整體上了解單機(jī)的運(yùn)行情況，關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容播出的穩(wěn)定性，及時(shí)預(yù)警異常情況。

圖2 單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 單機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由中央處理器、云端存儲(chǔ)器及集成控制器等組成。它采用RISC 微處理器（Advanced RISC Machine，ARM）架構(gòu)，以FPGA 技術(shù)為基礎(chǔ)，融入數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）算法。中央處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)集成控制器進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、記錄、報(bào)警等功能，與保護(hù)設(shè)備、遠(yuǎn)程控制中心及其他設(shè)備通信，實(shí)時(shí)掌握發(fā)射機(jī)、音頻信號(hào)處理器、電源、存儲(chǔ)器以及切換機(jī)的運(yùn)行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障。各間隔層單元保留應(yīng)急手動(dòng)操作跳、合閘手段，各本地配屬的單元相互獨(dú)立、互不影響，功能上不依賴嵌入式系統(tǒng)，因此監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和可用性強(qiáng)。

2.1.2 中央管理系統(tǒng)

中央管理系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、多維度分析、報(bào)表參數(shù)查詢等功能?？梢詫⒅醒牍芾硐到y(tǒng)視為上位機(jī)側(cè)，將單機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)視為下位機(jī)側(cè)。系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，按照Socket 協(xié)議使用套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)分析數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，為系統(tǒng)運(yùn)行管理提供依據(jù)。設(shè)備管理主要包含自動(dòng)調(diào)控、異常監(jiān)控、智能檢測(cè)等功能。通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)上報(bào)告警信息，通過(guò)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制，在保障中波節(jié)目安全播出的同時(shí)，降低設(shè)備負(fù)荷，減少安全故障發(fā)生的概率。

2.1.3 運(yùn)維云平臺(tái)

運(yùn)維云平臺(tái)接入加裝在嵌入式系統(tǒng)的在線監(jiān)控裝置、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器及單機(jī)的攝像頭，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單機(jī)工作環(huán)境溫濕度、電纜接頭及線纜溫度、開(kāi)閉狀態(tài)等。本地監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)集成在云平臺(tái)上，從而達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)單機(jī)的運(yùn)行情況，在發(fā)生單機(jī)工作狀態(tài)參量超過(guò)設(shè)置值預(yù)警或環(huán)境異常變化時(shí)及時(shí)檢測(cè)到，并通過(guò)手機(jī)App 或者短信報(bào)警給技術(shù)人員和管理人員，確保第一時(shí)間予以響應(yīng)和處理。

2.2 發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)

以單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)為基點(diǎn)，發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)還需要增加邏輯控制模塊、自主響應(yīng)模塊等，同時(shí)提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化外部接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)中波廣播發(fā)射臺(tái)播控系統(tǒng)的自動(dòng)化管控維。

2.2.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊主要包括開(kāi)/關(guān)邏輯控制、功率邏輯控制等部分，通過(guò)緊湊型EtherCAT 控制器和插片式輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口設(shè)計(jì)[4]，即Core i 級(jí)微處理器、最小的可編程自動(dòng)化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）、模 塊化I/O 和高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）。邏輯控制模塊將網(wǎng)關(guān)、運(yùn)動(dòng)控制、I/O 數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)總線、機(jī)器視覺(jué)和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集成到一個(gè)邏輯控制平臺(tái)中，既易于集成又易于擴(kuò)展，且具備高性能處理能力、開(kāi)放的平臺(tái)和極為可靠的擴(kuò)展能力，為發(fā)射臺(tái)播控系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)提供了更好的邏輯控制能力。

2.2.2 自主響應(yīng)模塊

自動(dòng)化播控系統(tǒng)必須具備自主響應(yīng)能力，能夠自動(dòng)完成應(yīng)急處置。當(dāng)單機(jī)工作出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)需要自動(dòng)判斷故障類型，并選擇適合的應(yīng)急處置策略。第一，自動(dòng)巡檢所有電源、發(fā)射機(jī)、切換機(jī)等設(shè)備，如電源出現(xiàn)問(wèn)題，包括整個(gè)發(fā)射臺(tái)供電故障，如電源功率低，保險(xiǎn)燒毀、電源插頭接觸不良等，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并上報(bào)；第二，定時(shí)巡檢傳感器位置是否出現(xiàn)偏移，同時(shí)檢查傳感器的傳感位置和靈敏度，若出現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)節(jié)，如果傳感器壞掉需立刻更換；第三，不定時(shí)檢查控制器、切換機(jī)，隨著設(shè)備的振動(dòng)而出現(xiàn)控制器等設(shè)備松動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)回傳數(shù)據(jù)分析判斷后及時(shí)處置。

以上監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，需要自主響應(yīng)模塊及時(shí)干預(yù)，并輸出倒備機(jī)控制信號(hào)，確保播控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨后通過(guò)主機(jī)的自動(dòng)連接發(fā)出報(bào)警信息，顯示異常情況，并輔助中央管理系統(tǒng)、單機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照預(yù)置方案完成故障處置[5]。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化接口

標(biāo)準(zhǔn)化接口能夠?yàn)檫h(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)處理提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，也可為中波廣播發(fā)射臺(tái)的外部控制提供可視化界面，有利于進(jìn)行整體的性能監(jiān)測(cè)。

2.3 基于FPGA 的軟件環(huán)境

根據(jù)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的組織架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在ARM 基礎(chǔ)上，利用FPGA+DSP 技術(shù)將控制信號(hào)集成化，實(shí)現(xiàn)中波廣播發(fā)射臺(tái)的自動(dòng)化播控能力。FPGA 邏輯資源可用于實(shí)現(xiàn)播控系統(tǒng)自動(dòng)化的控制電路功能，如圖3 所示。其中，F(xiàn)PGA 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的高速比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）控制、播控系統(tǒng)的PID 控制，并完成與上位機(jī)側(cè)的管理系統(tǒng)的通信功能[6]。

圖3 基于FPGA 技術(shù)的自動(dòng)化播控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)FPGA 的靈活性設(shè)計(jì)平臺(tái)，搭建ZYNQ信號(hào)采樣模塊，并與單機(jī)狀態(tài)采集、發(fā)射臺(tái)系統(tǒng)狀態(tài)采集等傳感器互聯(lián)；增加多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（Multiple Phase Shift Keying，MPSK）調(diào)控、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，提高控制信號(hào)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)邏輯控制模塊與自主響應(yīng)模塊工作的時(shí)效性；上位機(jī)側(cè)編寫GNURadio 軟件平臺(tái)，及時(shí)處理基帶數(shù)據(jù)，并傳輸至下位機(jī)側(cè)，由下位機(jī)利用控制器進(jìn)行分析，發(fā)布指令。利用FPGA 控制，系統(tǒng)更加容易擴(kuò)展，提升了可靠性。

3 中波臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 線路規(guī)劃

由于中波臺(tái)機(jī)房?jī)?nèi)電子電氣設(shè)備數(shù)量多、型號(hào)雜，自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)需要各類設(shè)備能夠完成信號(hào)通聯(lián)，且在一定信號(hào)干擾下能夠保持通聯(lián)的有效性。因此，需要在前期對(duì)各類電子電氣設(shè)備進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和系統(tǒng)配置，盡可能降低互擾和串?dāng)_，即基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）進(jìn)行布線，實(shí)現(xiàn)播控系統(tǒng)自動(dòng)化。設(shè)備的通聯(lián)線路分別設(shè)置在機(jī)房的兩端，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)、控制、同步、安全等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，降低自動(dòng)化播控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

3.2 設(shè)備配置

原始信號(hào)源是中波廣播電視臺(tái)的核心要素。一旦出現(xiàn)信源無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要自主響應(yīng)搜索備用信源，自動(dòng)進(jìn)行信源切換。本文選擇ZHC348-4020SZ/RCA 音頻切換器，通過(guò)支持4 路非平衡模擬音頻輸入（RCA 接口，支持墊樂(lè)），經(jīng)自動(dòng)切換后2 路非平衡模擬音頻分配輸出（RCA 接口，內(nèi)容相同），能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)切換模式，即在手動(dòng)狀態(tài)下可以方便地通過(guò)按鈕選擇所需音頻通道，在自動(dòng)模式下通過(guò)智能判斷通道音頻狀態(tài)進(jìn)行切換。此外，自主式的信號(hào)處理需要完成中波信號(hào)間的自動(dòng)控制，保持輸出信號(hào)波形基本保持不變，避免產(chǎn)生嚴(yán)重波動(dòng)或失真[7]。本文選擇TesiraFORT AVB AI 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理器，借助8 路可配置通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）通道，并將TesiraFORT 直接與USB 主機(jī)連接，用作獨(dú)立設(shè)備或與TesiraDSPs、擴(kuò)展器和控制器結(jié)合使用。完成信號(hào)路由、均衡、濾波、動(dòng)態(tài)、延遲以及不同線路之間脈沖信號(hào)的控制、監(jiān)控和診斷，進(jìn)一步利用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)播控系統(tǒng)自動(dòng)化。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，中波廣播發(fā)射臺(tái)正由數(shù)字化向網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化方向發(fā)展，自動(dòng)化播控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將使得中波臺(tái)的整體運(yùn)行達(dá)到更高水平。本文通過(guò)對(duì)中波廣播發(fā)射臺(tái)自動(dòng)化播控系統(tǒng)的研究，從組織架構(gòu)、設(shè)計(jì)思路到實(shí)現(xiàn)方法等層面構(gòu)建了一套“邏輯控制、自主響應(yīng)”于一體的自動(dòng)化播控系統(tǒng)，更好地滿足融媒體發(fā)展業(yè)態(tài)下的中波業(yè)務(wù)支撐的現(xiàn)實(shí)需要。