發(fā)射機房控制系統(tǒng)的設計

張志紅

摘要：短波發(fā)射機的控制系統(tǒng)位于發(fā)射機核心部位，它對發(fā)射機的開關機及播音運行狀態(tài)的監(jiān)控起到關鍵作用，為發(fā)射機狀態(tài)提供數(shù)據和保護措施，在發(fā)射機運行系統(tǒng)中意義重大，基于FPGA的控制系統(tǒng)設計與運用，很好地解決了上述各項要求，具有抗干擾性強、工作穩(wěn)定、功能簡便等特點，為未來一體化無人值班打下堅實的技術基礎。

關鍵詞：短波發(fā)射機 控制單元 FPGA

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

本文以短波發(fā)射機改造為研究背景，針對現(xiàn)有發(fā)射機的控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，從發(fā)射機自身的原理進行充分研究，并根據實際中的運用特點，確定了設計的方案及設計目標：以FPGA為控制信號處理中心，以為A＼D轉換芯片AD574JN構成A/D采樣，對發(fā)射機的控制系統(tǒng)進行了自動化改造的硬件設計。

在整體的設計上，采用FPGA軟件編程、串口通信技術，從各個控制原理入手，重點從控制保護理論依據、設計思想、硬件及軟件實現(xiàn)等，詳細講述了實際設計中遇見難點問題以及解決過程，并對創(chuàng)新點和功能做出闡述，最后對整個系統(tǒng)進行測試，通過測試要求，確立該系統(tǒng)軟硬件設計的可行性與正確性，達到了預期的設計目的。

1 TBH-522短波發(fā)射機工作原理

TBH-522型150KW PSM短波發(fā)射機屬于雙邊帶調幅廣播發(fā)射機，主要是供語言或音樂廣播，調制方式為脈沖階梯調制（PSM）工作方式的高電平調幅，該發(fā)射機將主整電源與調制器合二為一，省掉了主整電源，整機僅使用兩只發(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載的進水溫度和出水溫度的溫差計算出。

公式為：P=1.16×Q×△T（KW） Q---為流量計的流量，單位噸/小時（t/h）， △T---進水溫度的溫差。此種算法為熱功當量法，計算的是平均功率。發(fā)射機的基本核校標準功率，都是通過此方法。

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

邊帶功率：調幅功率知道后，就可以計算出有用的邊帶功率，這是真正所需的功率。

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

反射功率：計算公式：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），當駐波比為2時，P反=1/9 Pc，比如Pc=150KW，P反=150/9=16.6KW。

整機效率：在3.9-26.1MHZ頻率范圍內，調制度m=0-1時，η≥70%。

信雜比：優(yōu)于56dB。

調幅度不對稱性：在調幅度為95%時，上下調幅度不對稱性<5%。

2 發(fā)射機控制系統(tǒng)簡介

控制系統(tǒng)的主要功能是：發(fā)射機開機后，可將發(fā)射機各個部分的供電按照規(guī)定的順序依次接通如圖1；在關機后，按相反的順序依次斷開。當發(fā)射機出現(xiàn)故障或過荷后，可自動對發(fā)射機進行保護，當故障排除后，可使發(fā)射機迅速恢復正常工作，另外，還能實現(xiàn)自動調壓穩(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，指示燈的點亮與否，直接關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)的硬件設計

系統(tǒng)技術規(guī)范：發(fā)射機的開關機由控制單元控制全程，由其發(fā)出指令控制外圍執(zhí)行機構，設計過程應嚴格遵循整機電氣控制原理，分析各個執(zhí)行點的相關操作，控制要求如下：（1）當開機后，冷卻系統(tǒng)、調壓器供電、偏壓、高前電壓、高末電壓，依次根據邏輯供給電源，各路的間隔性要好，以保證正確的通電導通順序。（2）啟動調壓器后，分三段供電，80V、150V、220V，正常開機后并設有高低電壓限度，能自動控制穩(wěn)定電壓，從而保護電子管燈絲。（3）各個開關電源，在開機后，有很好的邏輯控制關系，保證在一路出現(xiàn)故障時，能立刻拉斷相關的電源，保證設備的安全。開啟關機后，在5分鐘后，逐個退去開關電源，直到停止運行。

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語言和原理圖結合的方法，將超大規(guī)模集成電路（VLSI）的邏輯集成的優(yōu)點與用戶可編程的易于設計生產的好處結合在一起。用戶可以方便地對數(shù)據庫中的數(shù)據進行查詢、更改、刪除等操作，并且該數(shù)據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機上進行批量編輯。今后的工作一旦有什么要改造的部件，通過軟件里的數(shù)據變更，就能使用上新的器件特性，克服了原來調諧系統(tǒng)固定的工作模式，不用因為一個器件的加入，而重換整個調諧控制系統(tǒng)。

FPGA的邏輯部分的設計主要包括與單片機接口模塊，實際位置計數(shù)模塊，電機控制模塊三個部分的設計：（1）單片機接口模塊：單片機接口模塊負責與單片機系統(tǒng)進行數(shù)據交換，系統(tǒng)中的單片機負責與嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據傳輸，采用RS232通信標準，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，包括電機的實際位置、預置位置和現(xiàn)場所需要的一些控制信號等等，從而實現(xiàn)軟件和硬件的協(xié)同工作，完成各種復雜的功能。（2）實際位置計數(shù)模塊：FPGA不具備存儲功能，掉電之后實際位置會丟失，需要在下一次上電時將實際位置重新寫入實際位置計數(shù)器，實際位置由嵌入式系統(tǒng)中的一個文件進行記憶，當系統(tǒng)掉電后重新啟動時，嵌入式系統(tǒng)將該文件中的數(shù)據寫入實際位置技術器，是增量碼盤的數(shù)據絕對化。（3）譯碼控制模塊：對于2路腔體，需要控制氣泵進行充放氣，從FPGA控制邏輯總送出充放氣信號，并且采集氣泵節(jié)點信號，控制腔體移動。對于其他控制信號，如粗/細調信號，調諧完成、降功率等信號，是通過嵌入式發(fā)送過來的數(shù)據進行譯碼得出。

4 控制系統(tǒng)的軟件設計

設計程序之前，針對發(fā)射機整體控制的過程進行分析，將每一個器件動作過程和邏輯條件進行規(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)的軟件設計中，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 上機測試實效

控制系統(tǒng)模擬測試，模擬調機前將FPGA的輸出端拔掉。

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

（2）開機：給出供電正常、斷相保護器I2.5 —→ 允許開機指示燈亮，給出燈絲斷路器合I0.4—→ 燈絲合指示燈亮，按開機按鈕 （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、機保開關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當接點信號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檔接點信號I2.7（高簾1檔燈亮）—→ 去掉粗細調切換p—→ 粗調完成控制、封鎖寬放、封鎖PSM Q1.6滅 —→ 去掉高壓正常I3.4（高壓正常燈滅）—→ 去掉調諧完成I5.0（細調完成燈滅）—→ 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：此時細調未完成，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 結語

相比同類產品，本文設計的控制保護系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的控制要求適應性，降低發(fā)射機自身的缺點，強化了可延續(xù)性的能力，并構建了基于FPGA控制系統(tǒng)未來的連接構架。這項設計的實現(xiàn)，將提高發(fā)射機的穩(wěn)定性，將人員從繁重的檢修任務中解放，以更多精力進行設備維護和技術提高，從而利于傳輸發(fā)射工作，并促進全自動化平臺的擴展。

參考文獻

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