中波广播发射机自动化系统的硬件接口设计.doc

1、中波广播发射机自动化系统的硬件接口设计厦门广播电视集团发射中心201 台 魏玉轮摘要：发射机自动化监控系统中，下位机与发射机之间的接口电路设计关系到整个系统的稳定和可靠，是系统设计的关键部分之一。我台共有10 个频率二十部发射机，涉及的机型五个厂家8 种机型，在数据采集（数字输入DI 、模拟输入AI ）和控制（数字输出DO）方面需要采用不同的方式，实施过程中也解决了了一些难题。本文将介绍硬件的各个子系统及解决的各种难题以供相关的发射机台站技术人员参考。关键词：数字输入DI模拟输入AI数字输出DO天线 /假负载倒换控制和指示一、前言经过近十几年的发展，许多发射台站的发射机已经实现固态化和数字化，

2、这为发射机的实时监控奠定了坚实的基础。发射机种类众多，接口各异，用户对监控的不同要求，这些是监控系统设计的难度。 设计一套稳定可靠的下位机硬件系统， 配以灵活可靠的软件系统和网络传输，才能朝“有人留守，无人值班”的方向大步前进。二、控制器选取和架构选择设计监控系统要考虑到可操作性、先进性、兼容性、可扩展性、可靠性、安全性和经济适用性。目前发射机监控有四种形式：一是工控机带数据采集卡，二是PLC ，三是单片机，四是 PAC（可编程自动化控制器）。从各方面考虑， 我们选择了泓格公司的8000 系列和 7000系列 PAC 控制器，它的优点有：它具备PLC 的抗扰标准，控制器不需要特别的屏蔽，与监控

3、点的连接用普通导线，监控数据准确，工作稳定可靠；体积小，可嵌入在发射机内部，可降低进出发射机的引线过长受射频干扰的风险；它软件编写灵活，提供了多种语言，对于不同的要求可采用不同的编写语言，可降低开发难度；每套下位机（含控制器及模块）的总价格在一万元之内，投入较低；可灵活配置，实现对我们台八种机型的发射机进行监控。确定泓格控制器之后，我们对监控系统硬件的结构进行综合考虑，采用了一部发射机嵌入一套下位的方案。它的优点在于，（ 1）主备发射机里各嵌入一套下位机，而不用在外面公共部分专门加一个控制箱，进出发射机的线少而短，降低射频干扰的风险； （2）当一部发射机的下位机因意外断电或死机， 另一部发射机

4、和下位机也能自动、 正常地工作。 缺点主要是增加了软件编写的难度，结果证明，我们很好地克服了这个困难。三、整体架构简介如图一，开关电源1（ +12V ）仅供控制器使用，开关电源2 供数字输入DI 外接电源（ DI.COMB ）、数字输出 DO 外接电源（ DO.PWR ）和天线 / 假负载倒换控制和指示 （ TZ-+12V ）使用；大部分的信号都经接口板（并接0.01 电容）出入控制器箱；天线 / 假负载倒换控制和指示系统中的同轴开关安装在主机机顶， 接线排和倒换控制的继电器安装在主机内部； 有串口通讯则改用实线表示此种发射机需串口通讯； 右边备发射机和控制器整体结构与主发射机一样。接下来，将

5、详细讨论各部分的设计思路、出现的问题和解决的方案。四、电源防干扰从电源的可靠性来考虑，我们将发射机和下位机的电源分开。 所有的下位机电源各接一个空气开关，所有的空气开关由同一个UPS 供电。这样好处在于：UPS可以稳定可靠优质地给下位机供电，当外电短暂停电时，又可以保证下位机控制器内部程序不间断运行，增加稳定性。我们选用的控制器及模块的电源都所需的电源都在 +10+30V 间，我们选定了+12V 的电源电压。我们选用的AI 、DI 、DO 模块都采用了光耦合器或 ADC 来进行隔离，但还需要防止共地干扰，隔离地线噪声、隔离高共模电压等。以模块 87053（整体框图看图三）为例，如图二，光耦次级

6、电路中的GND 与控制器GND连，如果U1 初级电路中的地与控制器GND 相连，初级和次级就起不到光耦隔离的作用，干扰信号就能沿着图中虚线引入控制器，影响控制器的工作稳定性，因此初、次级的地和DI相GND不能相连，即不存在图中虚线。为了杜绝这种干扰，我们采用两套开关电源：开关电源悬浮 GND （ V-端）；开关电源2 供 DI 模块 87053 外接电源1 专供泓格控制器，它有单独的DI.COMB 、 DO 模块外接电源DO.PWR 和天线 / 假负载倒换及指示用，它的GND （V-端）与发射机的地相连接。这两个开关电源的通断由一个按钮同步控制，按钮上方的两个指示灯分别指示它们的工作状态，指示

7、灯如图十三所示。五、数字输入 DI 的不同接线方式、遇到的问题和解决方案因为所采用的DI 模块有数种， 现以最常用的87053 模块来说明。 它的每个DI 输入阻抗为 3K ，最高输入电压为 +30V ，我们外接电源采用的为 +12V 电源，所以它的光耦合器初级电流最高为 12/3K=4mA ；每个 DI 都有一个指示灯来指示此通道的工作状态，灯熄表示“0”或“ OFF”，灯亮表示“1”或“ ON ”。如图三中所示四种接线方式，分别是继电器干接点、TTL/CMOS逻辑，NPN 输出和 PNP输出。我台存在着不同机型的发射机，其DI 的取样都不同，所以采取的方式也不一样：（ 1） PDM 机的大

8、多数DI 采样点都是输出输入板上继电器的触点，同轴开关的触点也都是干接点， 我们采用的是最简单的第一种干接点方式，即：DI.COM 接开关电源2 的+12V ，每对继电器的触点分别接DIX和电源地。当触点闭合时， 87053 里的光耦初级导通，模块相应的 DIX 指示灯亮，接入电路参考图二；（ 2）上广电 10KW PDM 还有二十几个主备指示灯及红绿指示灯，哈广3KW 机上有 8 个主备指示灯，我们需要把获取全部的指示灯信号，而这些 DI 信号在发射机的输出接口板获取不到，最初我们考虑图四的接法，分析和实验得到的结果是： D2 亮时， R2 上端 +15V，电压高于DI.COMB，光耦发光二

9、极管熄；D2 熄时， R2上端 0V，电压低于 DI.COMB，光耦发光二极管亮；当发射机关低压时，由于CMOS输出高阻， DI.COMB-U2发光二极管 -D1-R2-D2 形成通路，所有这样接法的 DIX 和 D2都亮了。为了防止上述的误显示，我们采用图五的接法。从图中分析可知 DIX的亮熄与否与发射机 D2 指示灯的亮熄同步。（ 3）哈里斯 DX-10 采用第三种接线方式。如图六所示， DI.COMB接开关电源 2的 +12V ，哈里斯机内部 Q1 基极导通后，光耦 U1 发光二极管亮， DIX 指示灯亮。但是，当只关发射机低压时，而不关控制器开关电源时发现，所有这样接法的DIX指示灯都

10、亮了。经过电路图分析，我们发现即使 Q1 次级不导通，但是发射机+22V还接着其它的负载，这样就存在着DI.COMB-U1发光二极管 -R2-D1- 发射机 +22V的电流通路。 为了解决这个问题，我们首先考虑第一种方案：DI.COMB 改接发射机输出接口线排上的一个+15V 接点，它可提供175mA的电流，当低压关时， DI.COMB和“发射机 +12V”同时失电，不会再误指示；缺点在于，违背了模块外接电源与发射机电源不同路由的大方向。因此我们采用了第二种方案：由于D1在此电路只是当Q1集电级高于 +22V 起作用，而我们的DI.COMB只有 +12V。这样分析之后， 我们将 D1 焊掉，

11、DI.COMB还继续接开关电源2的 +12V。用方案处理后，这些DI 不会再出现以上所描述的误显示。六、模拟输入 AI 的接线方式我们主要采用的模块是87017 和 8017（内部电路图相同，见图七左），它们的输入范围为 -10V+10V ，输入高阻且带ADC 隔离。 87017 的采样速率为10 次 /s，足以监测发射机的变动缓慢的采样点，只需要将采样的电压两端接入模块的最高可到16K 次 /s，用来监测发射机的输入音频和输出音频。Vinx+ 和 Vinx- 。 8017 的采样频率输入音频和输出音频都经过自制的电路板（图七中幅度检波）进行处理，将音频信号变为音频的幅度信号，再用 8017

12、采集后，我们就能得到输入音频和输出音频的大小变化， 上位机就能根据音频的大小及有无来判断发射机的工作正常与否。图七右中所示的是输入音频的监测。七、数字输出 DO 的不同接线方式、遇到的问题和解决方案因为所采用的DO模块有数种，现以最常用的87057模块来说明。如图八，模块每个DO 输出最大外接电压为30V ，最大负载电流为100mA ， DO.PWR 接开关电源2 的 +12V ，DO.PWR 接地；每个DO 通道都有一个指示灯，灯熄表示“0”或“ OFF ”，灯亮表示“ 1”或“ ON”。图八中的两种方式，第一种方式最简单最安全，通过继电器的触点来进行控制。但综合不同发射机的特点，我们也采取

13、了不同方式。（ 1）大部分发射机的 DO和天线 / 假负载倒换控制我们采用第一种方式，用继电器的触点来控制发射机；（ 2）对于哈里斯机，我们采用第二种方式。如图九所示， DO.PWR 接开关电源2 的 +12V ，当控制器发送U1 二极管导通的控制信号，发射机U2发光二极管也导通，再通过发射机U2的次级电路来达到控制发射机。（ 3）天线 / 假负载倒换控制中有三个继电器，以603KHZ 为例，分别是主机上天线、备机上天线、启动假负载，如图十所示，这三个继电器由两部发射机上的控制器共同控制，其电源端 TZ-+12V 为天线 /假负载倒换和指示的电源。根据我们所设计意图，主机和备机的开关电源 2

14、+12V 及控制 DOx 应该是相互隔离的， 不会相互影响。 但是我们单独只开备机的控制电源开关 （即图中备机开关电源 2 +12V 来电）时，发现主机开关电源 2 的电源指示灯 （图中 D6）亮起；同样地， 单独只开主机的控制电源开关时， 备机开关电源 2 的电源指示灯 （图中 D9）也会亮起。经过电路图中的分析， 我们发现， 备机开关电源 2 +12V-D2-K1-D4-R1-D6 线路上形成了通路。这样的结果是，电源不能相互隔离。为了解决这个问题，我们考虑了两种方案：当继电器 K1 产生逆向电压时， D4 可以防止 Q1 被反向击穿，而 D3 也能起这种保护功能。这样焊除 D4（ D8）

15、可以防止误显示，但此方案会改变模块的内部线路，于是我们放弃了这种方案；在DO.PWR和开关电源2 +12V 间接入二极管（D5和 D7）起隔离作用，这样原先的电流通道就不再存在，不足之处在于， +12V 还是会被引入到 DO模块的次级电路，但是它不会引起误操作和误显示。最终我们选用第二种方案，最终工作稳定、正常。八、抗干扰的接口板（并接0.01 电容）虽然采用了PLC 抗扰级别的PAC 控制器系统，它自身的抗干扰级别高，但是在发射机房这种射频干扰复杂的环境下，如果不对输入输出信号进行一些处理，控制器的抗干扰压力还是很重，轻则监测的数据不准，重则产生误动作。经过测量，如果AI采样信号直接接入控制

16、器，它携带的射频干扰信号峰峰值最高达到3.5 伏，而我们普通的AI 采样信号都在 4V 左右。对此，我们考虑了接 RC 网络来降低射频干扰，但是这个接口板我们还应用于 DI 、DO 和直流电源这些输入内阻小的电路，而 RC 网络不适合应用于低输入阻抗的电路，以 DO 为例，如图十一所示， R1 是 RC 网络的电阻，R2 是所用继电器的内阻， 当 Q1 次级导通时， I=12/ （ R1+R2 ），电流大大降低， K1 可能不会动作。因此，我们选择只并接C 来降低干扰（图十二） 。对于接线方式， 我们作了一些试验， 采用普通导线和屏蔽线以不同接法，如表一（9XB3-2为发射机入射功率采样点）

17、。最后结果，只需采用最简单的普通接线，并在近控制器端并接电容 C（ 0.01 电容），就能很明显地将射频干扰控制在600mv，极大地降低控制器的抗干扰压力。表格最后一行也试验了这种接法接RC 低通网络的效果，得到的值也是600mV ，由此我们肯定了只并接电容C 的效果。我们做了多接点的转接板，每块板接40 条线。发射机的 DI ，慢速 AI ， DO 和直流电源都可以通过此板进出。并接 C屏蔽层信号地线AI控 制 器9XB3-2控 制 器测量值9XB3-2控制器接9XB3-2AI-0-0端 机 壳AI-0-0端AI-0-0 端端机壳地端机壳地地端机壳地3.3V600mV3.4V屏640 mV蔽

18、640 mV线640 mV720 mV600 mV3.5V普70OmV通960mV线3V600 mV普 通 线600 mV（ +300R）表一不同接线方式的测量值九、串口通讯需注意的问题汤姆逊 10KW 和哈广 10KW/3KW 机的部分监控只能通过串口通讯，我们配置了相应的模块，通过 RS422 来实现对发射机本机的基本监测和控制，串口地线悬空，以防止发射机与控制器共地，引入干扰，并且不能经过接口板进出，否则采集不到正常的数据。为此串口通讯要求控制器和发射机串口直通， 接线尽量短， 降低干扰的风险。 同时我们还需对发射机进行另外的监控，这些数据线和控制线可通过接口板来进出。十、天线 /假负载

19、控制和指示系统的功能及联锁以 603KHZ 的 3#和 4#机为例，图十三中是两机泓格控制器机箱面板。每部发射机面板上各有一个开关电源开关（上方两个指示灯为两个开关电源指示灯）、一个上天线按钮（带指示灯），和一个假负载指示灯。此套系统接线排装在4#机内部， 倒换装置同轴开关也在4#机顶部，它的控制和指示所需的电源+12V 由两部发射机的共同提供，两条电源输入线都接二极管 IN4007 进行相互隔离， 两个二极管的负极连接到同一个点，这个点（定义为TZ-+12V ，图十五中有标识）就作为天线/ 假负载控制及指示的电源。参考图十三，它完成的功能有：（ 1）在两部板上的面板按本机上天线按钮，就能把天线倒换到本机工作；（ 2）倒换成功后，本机的天线按钮指示灯亮， 表示天线已经倒换成功； （ 3）控制器发天线倒换命令， 也能完成手动按钮的功能；（4）如果假负载上的发射机手动或自动开机时， 控制器会发命令启动假负载， 此发射机上的假负载指示灯亮；（ 5）如果某部发射机故障需要抢修，则关掉此部发射机及其控制器的供电，此系统由另外一部发射机的+12V 供电，以保证控制和指示不中断。要完成以上功能， 主备机天线 /假负载的倒换需要做到以下联锁才能保证安全：（1）在