短波发射机智能控制系统的设计与实现

摘要：随着工业自动化的普及与发展，为了实现短波发射机全自动化，要求有更加先进、稳定、可靠的设备加入到控制系统中，在这里采用了智能控制系统终端，即集合信息技术、计算机技术、控制技术为一体的控制模块，实际中对短波发射机进行了控制方面的改造，最后获得了很好的自动化控制效果，解决了工作人员的手工操作，完全可以做到无人化值班无人化控制。为未来的一体化全智能控制打下技术基础。
关键词：智能控制系统；嵌入式主板PCM-9575；短波发射机；无人化控制

0 引言
    为了改进短波发射机的自动化控制，从远到近都能自动进程，在这里技术人员采用了ICS系统来完成该设计。智能控制系统(Intelligent Control System，ICS)采用信息技术、计算机技术、控制技术等手段对传统发射机运行控制系统进行改造，以达到增强系统运行效率、提高系统智能性和快速性、增加中央控制能力等目的。
    ICS总体来说包括四部分：终端信息接收、频率调度控制、报警保护系统和终端信息服务平台。其中的每个部分都需要智能控制模块的参与，比如说：在终端信息采集部分，需要智能控制模块提供发射机的运行情况信息；在频率调度控制部分，智能控制模块作为控制的接收端，负责接收节传中心的调度指挥信息；报警保护系统需要智能控制模块与发射机的控制保护小盒相连，给出报警信号；智能控制模块还是运行信息情况服务的接收平台，把各个操作信息(比如倒频花费时间等)显示给频调中心。因此，智能控制模块是ICS系统中非常重要的组成部分，下面详细介绍智能控制模块的功能与设计实现方法。

1 智能控制模块的功能
    根据ICS系统的要求，智能控制模块应具有如下功能：检测发射机状态；终端与ICS控制中心通信；报警，包括自动报警和自动保护；本台包括局中心内监听；显示调度信息。
    ICS系统的结构示意图如图1所示。

2 智能控制模块的设计
    该终端基于上述各种功能，要求在数据传输、数据采集、实时控制，即时保护做出相应的智能处理。故该智能控制模块应由下列部分构成：
2．1 主控模块
    嵌入式主板PCM-9575在本系统中作为控制中心，协调各个模块的工作。以实现系统全部的控制流程，数据采集、界面显示、实时保护、外界通信等。
    PCM-9575是台湾公司生产的一款专用于工业控制的嵌入式主板，目前已广泛应用于高速公路收费站以及一些监测系统之中。其特性如下：
    集成嵌入式低功耗VIA Eden／Ezra处理器，支持667／800 MHz主频；
    支持PC／104，PC／104+总线插槽；
    支持36位1024×768分辨率TFT LCD，支持VGA、音频接口；
    支持100／10Base T以太网接口、兼容802．3U；
    4串口、USB 1．10接口、硬盘、光驱、软驱、CF卡接口。
    其连接图如图2所示。

2．2 控制发射机模块
    该部分控制了发射机的倒频、各路电机位置驱动、各个调谐点的粗细调。整体工作就是接收到命令后按所编程要求的产生指令对发射机进行倒频，调谐。在此，选用Xilinx公司的较新的一款FPGA芯片，SpartanⅡ家族中的XC2S200PQ208，系统门数为20万门，208个管脚，程序的编写基于VHDL语言和原理图结合的方法，采用Foundation 3．1作为软件平台，将超大规模集成电路(VLSI)的逻辑集成的优点与用户可编程的易于设计生产的好处结合在一起，把以前由多个TTL、PLD和EPLD器件执行的逻辑功能集成到其器件内。在软件上实现了灵活的管理功能，用户可以方便地对数据库中的数据进行查询、更改、删除等操作，并且该数据库是采用文本文件的方式存储，用户也可以利用USB接口将频率库COPY到PC机上进行批量编辑。今后的工作一旦有什么要改造的部件，通过软件里的数据变更，就能使用新的器件特性，克服了原来调谐系统固定的工作模式，不用因为一个器件的加入，而重换整个调谐控制系统。主要分为四部分：嵌入式通信的模块、实际位置计数模块、电机控制模块、电源模块。
2．2．1 通信模块
    通信模块负责接收嵌入式发送过来的命令，包括电机的实际位置、预置位置和现场所需要的一些控制信号，以及向嵌入式发送电机的实际位置，现场的一些状态等。采用UART通信方式、RS 232通信标准，具有很好的抗干扰能力。
2．2．2 实际位置计数模块
    该模块通过一系列的脉冲记数，利用脉冲控制计数，利用方向信号控制计数器的加减，从而达到实际的正确位置。
2．2．3 步进电机控制模块
    步进电机控制模块主要包括步进电机升降速曲线控制逻辑、实际位置和预置位置比较逻辑。
    升降速曲线控制逻辑：送出控制电机的脉冲信号，并且控制脉冲的频率，使电机能够平稳地升降速。
    实际位置和预置位置比较逻辑：将嵌入式发送过来的电机预置位置和实际位置进行比较，若预置位置大于实际位置，则送出正转信号，反之送出反转信号，并且使步进电机曲线控制逻辑送出控制电机的旋转脉冲。
    对于其他控制信号，如粗／细调信号，调谐完成、降功率等信号是通过嵌入式发送过来的数据进行译码得出。
2．2．4 电源模块
    考虑到开关电源设计的复杂性，适用于FPGA的有三种方案，其比较如表1所示。

    通过上面的比较，基于特殊的工作环境(电磁干扰)，为此机器上使用的是电源模块的供电方式。
2．3 数据采集部分
    数据采集处理是一个进程，它包括主线程和辅线程。主线程完成当前发射机状态信息的读取、写入、实时显示及查询；辅线程实现一个时钟以提供用户当前时间，并定时对发射机上运行时间频率进行检测和动态显示，在情况不对时发出警告。另外应用程序还可以将该信息(包括机号、机器状态、当前数据频率及当前时间)通过OLED显示屏提供给用户，并写入一个文件进行记录。如果有需要的话，文件传输进程会将该文件传输到上位机。上面中心就能通过串口和上位机进行通信从而得到实时信息。该模块能够提供给机房实时的发射机运行参数：如频率、调幅度、播出功率、声效监听等。
    目前短波发射机已经运用的是PM511P。PM511P足一块PC104总线的多功能数据采集板，适用于工业现场、实验室、嵌入式设备等多种场合，具有16路A／D转换通道、4路D／A通道、24路可编程开关量输入输出、3路计数通道，其AD频率为100kHz，输出精度为12b。
2．4 自动保护与监测部分
    在这里采用的是Xilinx公司的XCS-40控制逻辑芯片，该芯片具有过荷保护的全部逻辑功能，有对过荷动作信号指示及锁存功能，还具备与微机系统连接的现场总线功能。当机器出现过荷现象时首先就由该控制部分拉断发射机的高频，将其封锁住对发射机进行保护，其次通过外部接口将信息传到外部，这样可对外部工作人员进行报警，达到监测的目的。
    该外部通信口采用100M网卡通过机房多机系统的局域网将电控系统与监控系统以及网络服务器连接起来，从而实现电控系统的遥控与监测。而内部的通信则是通过RS 232串行口连接实现的。

3 智能终端软件系统的设计
    首先介绍程序响应的中断系统。由于单片机与模块之间的通信是不定期、不定长的，为了保证不出现阻塞情况，系统采用中断接收方式：把接收到的所有数据在中断过程中放入对应的循环缓冲区之中，然后由主程序解析接收到的串口数据。单片机还要响应另外两个中断：一个是报警按钮被按下时触发的中断；另一个是定时中断，它每20 ms触发一次，用于检测模块的超时应答。智能终端软件系统的主要功能是由主程序完成的。主程序采用状态机的系统结构，其总体结构图如图3所示。

    图3(a)为总体流程框图，图3(b)为原定频率设置流程图，图3(c)为临时频率设置流程图。终端可以处于6种状态：空闲、上传开机频率信息、定时上传开机频率信息、实时上传状态信息、报警、保护。状态间的切换主要由机房控制中心通过计算机的命令进行控制。先进行初始化工作，然后进入主控制循环。在主控制循环中首先检查原定频率设置区中是否有更新的频率数据包，如果有则进行解析、验证，并根据协议中的控制命令改变终端所处的状态(注：其优先权后于临时频率设置区)。接着判断临时频率设置区是否有临时的频率数据包，如果有则进行解析、验证，最后根据终端所处的状态对终端进行操作。

4 结语
    该智能系统已运用于短波发射机中，主要是控制部分的运用，但中心化集中控制还没彻底运用上，一方面是一些远程检测部分受发射机干扰比较严重，影响数据的实时传输；另一方面是技术上还存在或多或少的纰漏，但相对于原始的控制系统来说，这个自动化程度是彻底的提高，未来更有进一步的运用价值。