（控制理论与控制工程专业论文）广播发射机监控系统的设计与实现.pdf

广播发射机监控系统的设计与实现 摘要 随着计算机技术、通信技术、网络技术和自动化技术的发展， 世界进入了数字化、信息化、网络化时代，广电系统对电台提出了 更高的要求，要求实现播出的自动化、智能化。对广播发射机的控 制不单要有自动开、关机和状态检测，还应具有联网控制、智能控 制等功能。在这样的大环境下，研究开发广播发射机的自动监控系 统成为必然。 本文设计了上、下位机结构的广播发射机监控系统。监控系统 由上位机( p c ) 、下位机( 发射机控制器) 和通信链路组成。下位机 选用w 7 7 e 58 单片机为主控制器，主要由主控模块、输入输出模块、 人机接口模块和存储模块等组成，软件选用c 51 语言编程。它主要完 成的功能是：( 1 ) 自动开、关机；( 2 ) 对发射机的模拟量、开关量 和控制量进行实时检测和存储；( 3 ) 故障处理等。上位机即是p c 机。 上位机利用v i s u a lb a s i c6 0 开发基于w i n d o w s 的友好人机界面，利用 v i s u a lb a s i c6 0 自带的m s c o m m 通信控件，通过r s 4 8 5 总线实现与下 位机通信，利用通信控制下位机进而达到对发射机进行监控的目的。 上位机具有的主要功能：( 1 ) 向下位机发送指令并与下位机进行信 息传输；( 2 ) 打印报表和值班日志等；( 3 ) 存储历史记录。为确保 监控系统在强电磁场干扰的环境中可靠地工作，在系统的硬件电路 和软件编程等方面进行了专门的抗干扰设计。监控系统具有界面友 好、易操作，低成本，高可靠性的特点，通用性较好，稍做扩展即 可用于各种发射机的监控。 关键词：广播发射机，监控系统，微控制器，r s 4 8 5 总线 d es i g na n dr e a l i z a t i o no f b r o a d c a s tt r a n s m i t t e r m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n s ， n e t w o r ka n da u t o m a t i o n ，t h ew o r l dh a sc o m ei n t oa ne r ao f d i g i t a l i z a t i o n i n f o r m a t i o na n dn e t w o r k s o a h i g h e rd e m a n d i s p r e s e n t e dt os t a t i o n sb yt h eb r o a d c a s t i n ga n d t e l e v i s i o ns y s t e mi no r d e r t or e a l i z ea u t o m a t i o na n di n t e l l e c t u a l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e 。 a u t o m a t i co n o f fa n dc o n d i t i o ni n s p e c t a t i o na r en o tt h eo n l yf u n c t i o n st o b ea c h i e v e d ，jo i n e dn e t w o r kc o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o ls h o u l da l s o b er e a l i z e di nc o n t r o l l i n gt r a n s m i t t o r s u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e ，i t so f n e c e s s i t y t o c a r r y o u tar e s e a r c ha n d d e v e l o p a n a u t o m a t i c a l l y m o n i t o r i n gs y s t e m t h em o n i t o r i n g s y s t e mo fb r o a d c a s tt r a n s m i t t o r sw i t hah o s t c o m p u t e ra n ds l a v eo n e si sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i ti sc o m p o s e do fa h o s tc o m p u t e r ( p c ) ，as l a v ec o m p u t e r ( m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e r ) a n d c o m m u n i c a t i o n1 i n k w 7 7 e 58s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri se l e c t e da s h o s tc o n t r o l l e ro ft h es l a v ec o m p u t e r ，m a i n l ym a d eu po fh o s tm o d u l e ， i n p u t & o u t p u tm o d u l e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ea n ds t o r a g e m o d u l e ，a n dc 51l a n g u a g ep r o g r a m m i n gi se l e c t e da si t ss o f t w a r e t h e s l a v ec o m p u t e rc h i e f l yf u l f i l l st h ef u n c t i o n so fs w i t c h i n go na n d0 f f m a c h i n e s a u t o m a t i c a l l y ，r e a l - t i m e d e t e c t i o na n ds t o r a g eo fa n a l o g q u a n t i t i e s ，s w i t c h i n gq u a n t i t i e sa n dc o n t r o l l i n gq u a n t i t i e s ，a n df a i l u r e t r e a t m e n t t h eh o s t c o m p u t e r ，t h a t i s p c ，d e v e l o p s a f r i e n d l y m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb a s e do nw i n d o w sb yv i s u a lb a s i c6 0 a c h i e v e s c o m m u n i c a t i o nw i t ht h es l a v ec o m p u t e rb yu s eo fc o m m u n i c a t i o n c o n t r 0 1m s c o m mo fv i s u a lb a s i c6 0t h r o u g hr s 4 8 5b u si no r d e rt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt r a n s m i t t e r s i t sm a i o rf u n c t i o n si n c l u d es e n d i n g i n s t r u c t i o n sa n dt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o nt ot h es l a v ec o m p u t e r ，p r i n t i n g r e p o r t sa n dw a t c h i n gl o g sa n ds t o r i n gp r e v i o u sr e c o r d s t oe n s u r et h a t i l t h em o n i t o r i n gs y s t e mw o r k sr e l i a b l yi nah i g h f r e q u e n c ye n v i r o n m e n t a n di n t e n s em a g n e t i cf i e l d ，a n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t a n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gi sg i v e n b e i n gu s e r f r i e n d l y ，l o w c o s ta n d h i g h l yr e l i a b l e ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mc a nb ea p p l i e dt om o n i t o r i n g v a r i o u st r a n s m i t t e r sw i t hs o m ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：b r o a d c a s tt r a n s m i t t e r s ，s u r p e r v i s i n ga n d c o n t r o l l i n g s y s t e m ，m i c r o c o n t r o l l e r ，r s - 4 8 5 i i i 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 荛丝丝 日 期：2 q q2 生笸西 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阋；本人授权陕西科技大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，耋丝兰三导师签名：吃窒生9 期：2 q q 旦碰旦一 1 绪论 1 1 课题的背景 广播产生于2 0 世纪2 0 年代，是利用无线电技术进行传播的一种大众传 媒，它具有“传播迅速、廉价、方便、移动收听”等优点，是国家意识形态的 产业。截至2 0 0 5 年底全国( 未包括香港、澳门特别行政区和台湾地区) 共有 中央、省级和省辖市级广播电台2 7 3 座，县级广播电台19 3 2 座，广播人口综 合覆盖率9 4 4 8 t2 。2 0 0 8 年中国广播电影电视发展报告( 广电蓝皮书) 指 出，2 0 0 7 年全国广播人口覆盖率达到9 5 4 3 ，0 7 年全年全国广电总收入为 13 8 3 6 6 亿元。由此可见广播在我国信息传播中具有不可或缺地位，是其它手 段无法取代的。 随着与其它新兴传媒如网络等传媒方式的融合，广播迎来了它发展的又一 个春天。广播的规模和覆盖面不断扩大，广播发射机承担着传递广播信息内容 的任务，是广播信息从制作到听众接收链条中重要的一环。广播发射机运行的 好坏与稳定性直接关系到广播节目播出的质量。在现代测控技术与信息技术发 展的基础上，高性能的广播发射机监控系统是广播发射机良好运行的重要保 障。 广播发射机监控系统是综合计算机技术、通信技术、网络技术以及自动化 控制技术等多门学科知识，对广播系统的重要设备一发射机进行监控的系统。 它能对广播发射机的各种参数和运行状况进行实时采集和监视，依据一定的控 制法则在出现故障时做出相应的动作，实现对发射机的优化运行与管理。 国内从上世纪八十年代开始就有人研制广播发射机监控系统，但由于受到 当时计算机技术、通信技术和电子元器件等诸多条件限制，仅能实现自动开关 机等简单功能，发射机监控的大部分工作主要靠人工完成。值班人员必须常年 在高频、高温和高噪声环境下高度紧张地昼夜轮班；周而复始频繁地做着巡机、 抄表和处理故障，这样不仅劳动强度大，而且易产生操作差错，也无法实时准 确地反映并记录发射机的运行状况：加之值班人员技术水平参差不齐，往往不 能准确判断、及时处理设备故障而延长停播时间。 随着计算机技术、网络技术和通信技术等学科的发展，提高广播发射机监 控系统的处理能力和实现人性化的人机操作接1 2 1 成为可能。国外已经开发出比 较成熟的广播发射机监控系统，不但能完成自动开关机，状态检测，还具有产 生故障分析报告，实现异地监控等功能。与国外的广播监控技术相比，我国有 着不小的差距。 为了缩短与国外的差距，提高广播播出的可靠性，杜绝停播事故，降低值 班人员的劳动强度，减少值班人员和降低开支，研发出一套满足要求，运行可 靠，功能良好的广播发射机监控系统成为迫切需求。 1 2 国内外研究概况和趋势 随着计算机技术的飞跃发展，广播发射机的自动化程度不断提高。8 0 年代， 国内开始采用可编程顺序控制器( p s c ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 、单片机( 8 0 31 ， z 8 0 ) 等对广播发射机进行自动控制。9 0 年代，开始把发射机控制器作为发射机 的一个不可分割的部件1 3j ，与发射机融于一体，实现发射机的自动化。 近些年，广播发射机生产厂家相继采用p d m ，p s m 等新的调制方式，他 们在提高发射机整机效率的同时，还纷纷在提高发射机本身的自动化程度上下 功夫，将控制器引入发射机用以担负发射机的自动控制和实时监测。国内外广 播发射机的控制技术基本上可以分为两大类，一是传统的数字逻辑电路控制， 二是计算机控制。传统的数字逻辑电路控制只能实现相对比较简单的功能，如 开机、关机和发生故障时的保护性动作。在采用计算机控制后的广播发射机监 控系统可以实现上面的所有功能，并可根据客户的要求加以改进。大多数采用 计算机控制的广播发射机具有通信能力，可以实现对广播发射机的远程监控。 国外方面，法国汤姆卡斯特公司( t h o m c a s t ) 在其生产的t r e 2 3 15 型10 k w p d m 短波广播发射机上使用了微处理器，实现对整机的实时监控【4 】。在其 生产的m 2 w 系列产品中采用了带液晶显示触摸屏的控制系统，所有操作、设 置及运行记录查询等尽在弹指一挥间。美国大陆电子公司生产的4 2 0 c 型 5 0 0 k w 短波广播发射机，采用p s m 调制方式。机中直接采用了一台2 8 6 型计 算机作为控制核心，开创了由计算机直接控制发射机的新一代机器【5 】。 国内各个发射机生产厂家在这几年加快了对广播发射机的技术改造，而发 射机控制器是其中一个非常重要的部分。鞍山通用广播电视设备有限公司设计 的5 k w 调频立体声全固态广播发射机具有l c d 指示工作参数，操作简单，读 数直观，便于维护和进行故障判断，整机提供并行接口，可监控、遥控，可实 现数字化播出。杭州众力公司的z h l 6 18 系列调频立体声发射机采用了嵌入式 微处理器控制1 5 j 。现在有多家公司专门面向广播发射机生产厂家开发新的调制 技术和发射机控制技术，部分地解决了发射机生产厂家技术力量不足的现状。 目前，国内外广播发射机监控系统的功能主要包括以下几个部分： ( 1 ) 依据发射机运行情况能自动开、关机( 包括启动与关闭控制系统电 2 源、风机等。) ； ( 2 ) 自动巡检、监测和打印发射机的工作状态信息( 如电压、电流等) ，并 且能越限报警； ( 3 ) 存储发射机的运行状态和开关机时间； ( 4 ) 发生故障时具有声光报警功能，并对典型故障有分析、诊断和处理 的能力。 1 3 课题研究的目的和意义 我们受陕西某单位的委托，为其研发广播发射机计算机监控系统。目的是： ( 1 ) 提高广播发射机的可靠性，稳定性，使设备操作方便； ( 2 ) 充分发挥计算机技术优势，提高广播发射机的维护管理水平，使广 播发射机的管理向自动化、智能化发展； ( 3 ) 减少发射台值班人员，提高维护效率，降低维护成本，逐步做到“有 人留守，无人值班”。 广播发射机计算机监控系统，不仅能监测发射机的工作状况，控制发射机 的开和关，更重要的是可以及时发现劣播、停播等故障现象，反馈给值班工作 人员，以便及时排除故障，缩短故障持续时间，减少停播率；同时，广播发射 机监控系统能确保发射机的安全工作，延长发射机的寿命，减轻值班人员的劳 动强度，避免人为事故的发生，提高播出的可靠性、稳定性。 1 4 论文的主要内容 本文从系统的总体需求、技术指标及应具有的功能等方面的分析入手，结 合用户要求和实际情况，提出了一个完整的广播发射机监控系统解决方案，设 计出了具体的硬件电路图和监控界面。本文主要内容包括： 第一章介绍了广播发射机监控系统的提出背景，国内外研究状况和发展 趋势，本课题的研究目的和意义等内容。 第二章本着实用可靠，低成本，便于扩展的原则设计出了广播发射机监 控系统的总体方案。 第三章对广播发射机监控系统终端( 下位机) 的硬件和软件进行详细的 设计，说明了上、下位机的通信协议和实现过程。 第四章利用v i s u a lb a s i c6 0 开发了基于w i n d o w s 的友好人机界面，完成了 监控中心( 上位机) 的软件设计。 第五章分析了广播发射机监控系统干扰的主要来源，分别从硬件抗干扰 和软件抗干扰两方面对监控系统实施了相关抗干扰措施。 第六章总结了本文所做的主要工作，对广播发射机监控系统的改进和提 高进行了展望。 4 2 系统的总体方案设计 2 1 广播发射机基本结构 广播发射机的用途是将待传送的音频信号经过一定的方式调制到载波上， 并放大到额定的功率，然后利用天线以电磁波的方式发送出去，覆盖所需要的 范围。图2 1 是1k wf m 广播发射机( 含发射机控制器) 整体框图。 图2 1 发射机整体框图 f i 9 2 1o v e r a l ld i a g r a mo ft r a n s m i t t e r s 广播发射机主要由激励器、发射机控制器( 选配器件) 、功率放大器、功 率合成器、开关电源、功率分配器、轴流风机组、天线等组成【6 】。下面简单介 绍广播发射机各部分的作用。 轴流风机组：主要作用是降低广播发射机各个功能部件的温度。防止因为 电压、电流、反射功率过大引起的零件烧坏。 激励器：激励器是发射机系统的核心，它对输入音频及附加信道信号进行 处理并合成基带信号，基带信号调制到v h f 波段的载波上，并经激励器功放放 大输出。 前级放大器：功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度， 提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。 二分配器：二分配器是一种将路输入信号能量分成两路相等输出能量的 器件，每个功分器的输出端口之间应保证有一定的隔离度。 功率放大器：对前级放大器送出的信号进行不失真的功率放大。 功率合成器：功率合成器能把较小功率组合成更大的输出功率。 定向耦合器：在很多高频发射设备中，常在末级功放至发射天线的通路中 插入一个定向耦合器来测量发射设备的发射功率或测量天线的反射功率。 发射机控制器不是发射机的必要组成器件，它能检测电源、风机、激励器、 功率放大器等的各种参数，并控制这些模块，使之协调工作。在出现故障时， 能采取相应的措施，保护发射机。为了满足客户需求，适应市场竞争，现在大 多数发射机厂家都在发射机中配置了体现自身技术水平的不同的发射机控制 器。 2 2 监控系统总体需求分析和技术要求 设计发射机监控系统首先必须了解监控系统的总体需求，明确设计任务。 有的人常常忽视需求分析，盲目设计，最后事倍功半，造成许多不必要的麻烦， 甚至给整个项目留下严重的隐患。 本课题是设计一种应用于广播发射台的，能对多部发射机进行监控的实时 监控系统。监控系统在对广播发射机的工作状态( 包括模拟量、开关量和故障 量) 进行数据采集后，经比较分析，能及时地做出控制操作并实时显示。因为 对于不同的发射机，只是在信号采集的方式上和需要采集的参数方面有所不 同，但是从监测系统的整体框架、数据传输方式、上下位机之间的通信和上位 机的数据显示等诸多方面讲，基本上是一致的。所以，为了叙述方便，本文下 面主要围绕1k w 调频发射机监控系统的设计进行阐述。 lk w 调频发射机的设计要求如下： ( 1 ) 模拟量采集，12 路，精度要求0 0 1 v 。模拟量包括功放电压、功放电 流、整机入射功率、整机反射功率、电源一档电压、电源一档电流、p a l 功放 温度、p a 2 功放温度、电源二档电压、电源二档电流、过激励和+ l2 v 电压。 ( 2 ) 输入开关量，5 路，包括风机开关、电源一档、电源二档、门联锁和 外部联锁，低电平有效。 ( 3 ) 输出开关量，5 路，包括风机开关、电源一档、激励器开关、报警信 号和电源二档，低电平有效。 ( 4 ) 能实现一周定时自动开关机； ( 5 ) 能实时响应各种操作，能够长时间地记录机器的工作状态，在发生 故障时能及时记录并产生保护发射机的相应动作； ( 6 ) 能对发射机进行远程监控。 2 3 监控系统的设计思路和原则 为保证发射机监控系统能够正常稳定运行，依据课题要求，本着如下的思 6 路和原则进行设计：( 1 ) 稳定性和可靠性；( 2 ) 通用性和可扩展性；( 3 ) 系统 的实用性和安全性；( 4 ) 系统的人性化。 2 4 监控系统总体设计方案的选择 2 4 1 监控系统的结构方式选择 广播发射机监控系统的构成与网络结构类型、发射机数量和机型、与控制 室的距离以及系统的功能有着密切的关系。从当前我国的应用情况看：广播发 射机实时监控系统一般分为现场直接式和现场分布式两种7 1 。如图2 2 所示。 发取样 1卜 习 奏 射控制 机电路 现场直接式 上 发下 刊! 竺怿 网位 射 位 卡机 机机 图2 2 实时监控系统结构图 f i g2 - 2b l o c kd i a g r a mo fr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m 现场直接式监控系统，指的是监控计算机( 上位机) 直接监控发射机。它是 通过多功能数据采集控制卡或其它输入输出卡直接与发射机的模拟开关取样 电路和控制电路等进行连接监控。优点是系统结构简单，缺点是监控距离短， 抗干扰能力差。 现场分布式监控系统是指各发射机分别设有自己的控制前端( 下位机) ，然 后通过一定方式连接到集中控制计算机( 上位机) ，上位机通过下位机对发射机 进行监控。系统中，如果上位机出现故障不会影响下位机正常工作。下位机一 般用可编程逻辑控制器( p l c ) 、单片机或a r m 等作为监控核心，结合一些输入 输出模块，对发射机多个模拟量和开关量进行现场数据采集，同时能对发射机 发出控制命令，进行各种控制。如：开、关机，升、降功率等，这种方式易于 实现远程监控。 对于下位机的选择，有单片机、可编程逻辑控制器( p l c ) 和a r m 等多种选 择方案，经过分析，三种方案均能满足系统要求，考虑到单片机较之可编程逻 辑控制器( p l c ) 和a r m 芯片等，价格便宜，实现监控系统的性价比高。所以本 课题最终选择采用了由“p c 机+ 单片机 组成上、下位机结构形式的监控系统。 7 2 4 2 监控系统的通信方式选择 监控系统的下位机能在脱离上位机的情况下完成对发射机的各种监控功 能。上位机是下位机功能上的扩展，上位机通过与下位机通信，达到利用下位 机进行数据的采集和上传以及控制发射机的目的。本监控系统中，上、下位机 的通信必不可少。 按照通信方式，数据通信一般分为并行通信和串行通信。串行通信是数据 逐位发送，而并行通信是数据的所有位同时发送。在并行通信中，数据有多少 位就需要多少条传输线，而串行通信只需要一条传输线。故串行通信能节省传 输线，当位数很多或长距离传送时，这个优点就显得特别突出。如下位机和上 位机之间采用并行数据通信，则通信线的根数至少不少于数据总线的位数，这 就导致硬件设计十分复杂，投资增大。虽然串行通信方式相对于并行通信方式 来说，传输速度慢、效率低，但是其功能能够满足本系统的设计需求，而且还 可以大量节省硬件的投资，所以本系统选择串行通信方式。在串行通讯时，要 求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通 讯。常用的串行通信总线接口标准有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 一4 8 5 等接口标准 【2 9 】 o ( 1 ) r s 2 3 2 接口标准 r s 2 3 2 接口标准是e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 广泛使用的标准， 它有多种不同的版本，例如r s 2 3 2 c 、r s 2 3 2 d 、r s 2 3 2 e 等。r s 2 3 2 c 标 准是2 0 世纪6 0 年代为了利用电话网络作为媒介，通过调制解调器把不同距离 范围内的设备相互连接在一起而制定的【29 1 ，它是异步串行通信中应用最广的标 准总线，其逻辑电平对地是对称的，与t t l 、c m o s 逻辑电平不同。逻辑0 电 平规定为+ 5 + 15 v ，逻辑1 电平规定为一5 15 v 之间【引。 r s 2 3 2 c 由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不可能使用双端信 号，因此，共模噪声会耦合到信号系统中，这是迫使r s 2 3 2 c 使用较高传输 电压的主要原因。即便如此，该标准的信号传输速率也只能达到2 0 k b s ，而且 传播距离短( 典型值为1 5 m ) 。随着数据传输速率越来越快、传输距离越来越 远，为了弥补r s 2 3 2 c 标准的不足，以获得在更远的距离上传输比r s 2 3 2 c 标准更高的信号传输带宽，e i a 推出了r s 4 2 2 标准。 ( 2 ) r s 4 2 2 接口标准 r s 一4 2 2 标准是e i a 公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准。 这个标准是为改善r s 2 3 2 标准的电气特性，又考虑与r s 2 3 2 兼容而制定的。 r s 4 2 2 与r s 2 3 2 的关键不同在于把单端输入改为双端差分输入，信号地不再 8 共用，双方的信号地也不再接在一起【9 】。 r s 4 2 2 规定了对电缆、驱动器的要求，规定了双端电气接口形式，其标 准是双绞线传送信号。它通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，通过 传输线接收器，又把电位差转变成逻辑电平，实现信号接收。r s 4 2 2 比r s 2 3 2 传输信号距离长、速度快。传输率最大为10 m b s ，在此速率下，电缆允许长 度是1 2 0 r n 。如果采用较低传输速率，如9 0 k b s 时，最大距离可达1 2 0 0 m 。 ( 3 ) r s 4 8 5 接口标准 r s 4 8 5 是从r s 4 2 2 基础上发展而来的【50 1 ，所以r s 4 8 5 许多电气规定与 r s 4 2 2 相仿，如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。符 合r s 4 2 2 接口标准的驱动器适合于集团线路类型的应用系统，这种应用系统 允许一个驱动器进行传送，而总线上至多可以有l0 个接收器进行接收。但是 r s 4 2 2 标准不能用于构成真正的多点总线，因为一个真正的多点总线应由连 接至单总线的多个驱动器和接收器组成，并且其中任何一个均可发送或者接收 数据。为适应真正的多点通信的需要，e i a 于19 8 3 年制定了r s 4 8 5 总线标准。 r s 4 8 5 总线标准符合r s 4 2 2 的所有要求，它扩展了r s 4 2 2 的性能，同时允 许多达3 2 个驱动器和3 2 个接收器连接于单总线，从而实现了真正的多点单总 线。r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 的性能比较见表2 。l 。 表2 1r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 性能比较 t a b2 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fr s 2 3 2 、r s 一4 2 2a n dr s - 4 8 5 总之，r s 4 8 5 与r s - 2 3 2 相比，具有传输距离长，速度快，抗干扰能力强 等优点，所以，本系统选择r s 4 8 5 串行通信方式进行现场通信。 9 2 5 监控系统总体设计方案的确定 通过以上分析，得出监控系统的总体结构方案如图2 3 所示。 图2 3 系统整体结构图 f i g2 - 3o v e r a l lb l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m 本系统是一种使用下位机对分散在发射台的多个发射机的工作参量( 如电 流，电压，功率温度等) 进行采集、控制，通过与中心计算机通信，实现集群 管理的监控系统。系统总体结构由上位机、多台下位机以及两者之间的r s 4 8 5 通信链路组成。上位机就是我们通常说的p c 机，下位机是嵌入在发射机中的 发射机控制器，上位机和下位机通过r s 4 8 5 接口进行通信。 系统采用m a x 4 8 5 芯片实现下位机端的r s 4 8 5 串行接1 3 ，在上位机端，由 于p c 机的串行接口为r s 2 3 2 标准【1 0 】，所以选用了专用的r s 2 3 2 4 8 5 转换器进行 接1 2 2 1 转换。r s 2 3 2 4 8 5 转换器一边与计算机的r s 2 3 2 标准接口相连，另一边与 r s 4 8 5 总线相连。 2 6 系统工作过程 发射机控制器( 既下位机) 嵌入在广播发射机中，对广播发射机进行直接 监控，是整个监控系统的最底层，是比较典型的计算机测试控制系统。控制器 把经过测量单元( 传感器) 、变送单元和a d 转换接口等送来的数字信号与设定 值相比较，根据其偏差做出相应的控制操作或者输出信息给操作者。从本质上 讲，发射机控制器的工作可归纳为以下三种： ( 1 ) 实时数据采集，对输入的模拟量和开关信号进行检测并记录。 1 0 ( 2 ) 实时数据处理，对采集到的数据进行分析，按照一定的法则，做出 控制决策。 ( 3 ) 控制输出，根据控制决策，适时地对执行装置发出控制信号，完成 工作任务。 在实际工作过程中，上述过程要不断重复进行。所谓“实时 是指对信号 的输入、运算处理和输出都要在一定的时间内完成，即要求控制器要对输入的 开关量和模拟量进行快速的测量和处理，并及时做出反应或产生相应的控制。 对时间的要求要以具体的发射机的实际情况为准，一般不同型号的发射机对控 制器的操作实时性要求不同。 p c 机通过与发射机控制器进行通信而达到对发射机进行监控的目的，这种 方式下p c 机的监控是发射机控制器的一种扩展功能。此时，对发射机的操作既 可以通过发射机控制器直接进行，也可以通过p c 机对发射机进行操作，并且发 射机控制器拥有绝对控制权。由于发射机控制器本身可以独立工作，p c 机监控 只是一种扩展功能，这样系统有很高的稳定可靠性，而且实现成本相对较低。 发射机控制器实际上已经能对发射机做所有的工作，而p c 机则是通过与发射机 控制器的通信，实现发射机控制器的所有功能，另外，p c 机还可以通过与不同 的发射机控制器通信，实现对多台发射机的监控。 2 7 本章小结 本章围绕广播发射机监控系统的总体方案这一主题进行展开。首先介绍了 广播发射机的基本结构，依据项目的总体需求和技术要求，在比较不同设计方 案和通信方式的基础上，依据实用可靠，低成本，便于扩展等原则确定了监控 系统的总体方案，说明了系统的工作过程。 3 系统监控终端( 下位机) 的硬软件设计 3 1 监控终端的硬件结构 监控系统的监控终端( 下位机) 硬件主要完成如下功能：( 1 ) 完成对发射 机信号的采集与处理；( 2 ) 建立与上位机的通讯联系；( 3 ) 对发射机的运行状 态进行实时监控；( 4 ) 存储并显示发射机的各种信息和参数。 下位机的工作过程大体如下：发射机控制器将测量单元( 传感器) 、变送器 等送过来的信号进行处理以后与预先设定好的值进行比较，根据比较的结果得 出发射机现在的工作情况。若比较后得出发射机有异常情况，则根据异常情况 的不同给出相应的动作；发射机控制器响应按键，通过键功能的识别来做对应 的事情；发射机控制器响应远程命令，通过对命令的识别来执行命令的动作； 发射机控制器通过比较预设的定时开关机时间与当前的时间，实现定时开关机 功能；发射机控制器通过记录发射机的开机时间定时对发射机状态数据进行存 储。监控终端硬件结构框图如图3 1 所示。 l 存储器r 一 h 巴兰兰f 微 b 控 制 器 肼叫 图3 - 1 监控终端硬件框图 f i 9 3 1d i a g r a mo ft e r m i n a lu n i th a r d w a r e 监控终端以单片机w 7 7 e 5 8 为核心，包括模拟量输入电路、开关量输入电 路、开关量输出电路、键盘、显示电路、存储电路和电源电路等模块。来自发 射机的功放电流和电压、电源电流和电压、功放温度等模拟量，首先经过低通 滤波电路滤除高频干扰，然后采用多路开关对信号进行选通，最后经过 m a x l9 7 实行a d 转换，成为数字信号，进入微控制器进行处理。发射机的开 关量则是经过光电隔离，经锁存电路锁存状态后送入微控制器进行处理。微控 制器输出的控制信号也需要经过光电隔离，接着进行适当的放大后去推动继电 1 2 器动作，完成各种控制功能。通过使用键盘可以查看系统的工作状态及各通道 采集的数据，并在l c d 显示器上显示，发射机控制器通过r s 4 8 5 总线和监控 中心的p c 机建立远程通信连接，将采集到的数据传输到监控中心主机并接受 主机命令实现远程监控。远程监控模块扩展了系统的功能，通过远程监控模块 可以在远程计算机上看到与现场一样的情况，并能与现场一样作出相同的操 作。这样能实现广播发射机现场的“有人留守，无人值班 的功能，并且通过 远程监控模块可以让一台远程上位机同时监控多台发射机，实现广播发射机的 群集管理。 3 2 微控制器的选择 3 2 1 微控制器的选择原则 当前市场中微控制器的种类和型号很多，有4 位、8 位、1 6 位以及3 2 位 的；有i o 功能强的，输入、输出点数多的；内含r o m 和r a m 各不相同，有 扩展方便的，有不能扩展的；有带片内a d 的，有不带片内a d 的等等。下 面说明几条选择原则【7 j 。 ( 1 ) 根据任务要求 根据任务要求有许多选择方法，比如，对象要求的控制精度高，响应速度 快则要选择位数高的16 位、3 2 位机；对象要求的速度一般可选择应用最广泛 的8 位机；如果对象要求有a d 转换体积又要小，可选择内部带a d 的芯片 世 守。 ( 2 ) 考虑开发环境 单片机( 即微控制器) 的开发以及调试都需要仿真器系统，因此最好选择 市场上容易购买和熟悉的仿真器系统。如果选用单片机的类型，买不到合适的 开发系统，同样也很难完成任务。 ( 3 ) 尽量考虑选择熟悉的微控制器。同样条件下选择熟悉的微控制器， 可以减少开发时间。 从广播发射机的本身特点及对发射机控制器的技术要求中，我们可以分析 出所需微控制器应具有的特点： ( 1 ) 强抗干扰性。由于大功率广播发射机的工作环境和其本身的强电磁 干扰，要求微控制器必须有很强的抗干扰能力： ( 2 ) 需要的i o 口数量众多； ( 3 ) 系统高速性。能实现实时监控，及时处理各种异常情况，能快速地 响应键盘命令与远程命令，并且将发射机的各种状态与命令及时反映到画面上 来； ( 4 ) 大的数据存储能力。要求微控制器能存储大量的发射机状态数据和 异常状态数据； ( 5 ) 其他方面。微控制器需要精确的时间来为定时开关机作基准，远程 通信时的抗干扰等。 考虑到上述要求的多i o 口、高速、强抗干扰等特点，本系统选用的微控 制器是中国台湾华邦电子公司( w i n b o n d ) 推出的高速、高集成、增强型 m c s 一51 系列高性能的单片机w 7 7 e 5 8 。 3 2 2w 7 7 e 5 8 简介 w 7 7 e 5 8 是台湾华邦公司生产的，与m c s 51 系列单片机兼容的可多次编 程的快速微处理器，在它内部集成有3 2 k 的可重复编程的f l a s hr o m ，2 5 6 字节的片内存储器、lk 的用m o v x 指令访问的s r a m 、可编程的看门狗定时 器、3 个16 位定时器、2 个增强型的全双工串行口、片内含r c 振荡器、双16 位数据指针等诸多功能【5 1 。在很多应用场合，几乎不用扩展外围芯片就能够满 足系统需要，而且由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和 存储周期，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传 统8 0 51 系列快1 5 到3 倍。一般情况下，平均可达2 5 倍以上。另外，由于 w 7 7 e 5 8 采用全静态c m o s 设计，能工作在低速晶振频率下，因此和普通的8 0 5l 相比，若w 7 7 e 5 8 采用低速工作频率，在相同的指令吞吐量下，w 7 7 e 5 8 的节 电性能也将大大提高。w 7 7 e 5 8 共有1 2 个可定义两种优先级的中断源，每个中 断源都有独立的中断使能位、中断优先权位、中断标志位和中断向量】。通过 以上特点和功能的简要介绍可以看出，w 7 7 e 5 8 是一个非常难得的、功能强大 的微处理器产品，尤其特别适合于对存储器资源有一定要求和对软件运行速度 有特别要求的场合。 3 2 3w 7 7 e 5 8 的硬件特性 ( 1 ) 8 位c m o s 微控制器； ( 2 ) 每4 个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为 4 0 m h z ： ( 3 ) 与标准8 0 c 5 2 管脚兼容； ( 4 ) 指令与m c s 5 1 兼容； ( 5 ) 4 个8 位i o 口； ( 6 ) 3 个l6 位定时计数器： ( 7 ) 1 2 个中断源，2 级中断能力； 1 4 ( 8 ) 片上振荡器及时钟电路； ( 9 ) 两个增强型全双工串行口； ( 1 0 ) 3 2 k b ，f l a s he p r o m ： ( 1 1 ) 2 5 6 字节片内暂存r a m ： ( 12 ) 可编程看门狗定时器： ( 13 ) 软件复位； ( 14 ) 2 个1 6 位数据指针； ( 15 ) 对外部r a m 及外设的访问周期可以进行软件编程1 12 1 。 w 7 7 e 5 8 的管脚如图3 2 所示： p 1 0p 0 0 p l lp 0 1 p i 2p 0 2 p 1 3p 0 3 p 1 4p 0 4 p 1 5p 0 5 p 1 6p 0 6 p 1 7p 0 7 i n n p 2 0 肌0 曼 ；：2 1 t l j p 2 3 t o田p24 _ 、，p 器p p 2 2 ： p 2 7 x l r e s e t r x d t x d 1 面 a l e p 丽p s e n v c cg n d 图3 - 2w 7 7 e 5 8 的管脚图 f i 9 3 - 2p i n so fw 7 7 e 5 8 各管脚说明如表3 1 ： 表3 1w 7 7 e 5 8 引脚表 t a b 3 1p i n so fw 7 7 e 5 8 符号类型描述 r s t ， 复位：振荡器运行时，此管脚上出现两个机器周期的高电平将使器 1 件复位。 x t a x t a v s s v d d i 石英晶体1 ：晶体振荡器的输入。 0 石英晶体2 ：晶体振荡器的输出。 i 地：地电位。 i 电源：电源工作电压。 此管脚可由一个外部时钟驱动。 x t a l 2 是x t a l l 的反相端。 端口0 ：端口0 是一个双向i o 口，在访问外部存储器时，端口0 可用 p o 0 一p 0 7 i o 作低位地址数据总线。端口0 是一个开漏极端口，在进行编程时需 要连接一个外部上拉电路。 端口1 ：端口1 是一个具有内部上拉电路的双向i o 口。有复用功能位， 如下： t 2 ( p 1 0 ) ：定时计数器2 的外部计数输入 t 2 e x ( p 1 1 ) ：定时计数器2 的重装载捕获控制 p 1 0 一p 1 一 i o r x d l ( p 1 2 ) ：串行口2 r x d t x d l ( p 1 3 ) ：串行口2 t x d i n t 2 ( p 1 4 ) ：外部中断2 i n t 3 ( p 1 5 ) ：外部中断3 i n t 4 ( p 1 6 ) ：外部中断4 p 2 0 一p 2 7端口2 ：端口2 是一个具有内部上拉电路的双向i o 口。此端口提供访 i 0 问外部存储器的高位地址。 端口3 ：端口3 是一个具有内部上拉电路的双向i o 口。所有位都有复 用功能，如