TSW2500型500kW發射機嵌入式控制系統設計

杜宏文

（國家廣播電視總局二0二二臺 新疆 喀什 844000）

0 引言

TSW2500型號的發射機是我國目前科技研發中技術含量最高的研究成果之一，在實際應用中，此種型號的發射機具有操作方便、性能穩定、智能化程度高、綜合性能較強的顯著優勢。通過對發射機的有效控制，可以建立操作端與執行端兩者之間的良好交互渠道，倘若在發射機運行發生故障時，可通過控制前端開關進行故障排除，并通過調節其頻率，進行主動運行的綜合調控[1]。總之，控制發射機可為作業人員的安全提供有力保障，并為發射機前端的運行提供穩定支撐。為了實現對發射機的預控制需求，此次研究將控制系統構建置于微控制層面分析，盡管相關研究在較早時期開始投入，但因控制系統在運行中缺少與之匹配的算法與技術作為支撐，導致前端發出控制信號在終端接收時，極易受到外部環境干擾，尤其是在執行故障排除工作時，倘若終端無法及時接收信號，不僅會干擾發射機運行的穩定性，也會影響其發射信號的調諧功能。為確保發射機在多個領域中應用發揮其既定效果，本文以此型號的500 kW發射機為例，結合其運行需求，從硬件與軟件方向，開發一種針對此發射機的嵌入式控制系統。

1 硬件設計

以核心模塊組成作為硬件的基本結構，為實現對發射機的合理控制，構建如圖1的硬件結構。

從圖1可以看出，本文控制系統當中通過TTL模塊、ADDA模塊、連接器實現對FPGA控制器與功放分機和PC機的連接。整個控制系統當中，以ARM微型處理器作為控制核心，聯合多個FPGA控制器共同拼接，組成完整監控網絡。針對本文型號發射機電源的選擇，選用KFU8-CRG2-1.D型號電源，通過單通道信號調節裝置，實現不同電源之間的通用[2]。應用KFU8-CRG2-1.D型號電源可實現通電/斷電延遲調節，并且具備編程高、低報警的應用優勢。KFU8-CRG2-1.D型號電源及功放模塊的運行狀態等外部模擬量輸入信號，通過ADC進行模數轉換，得到符合控制系統處理要求的數字信號。在轉換過程中，數字信號能夠與TTL模塊輸出的信號一同匯入FPGA控制器當中，完成對控制信號采集和處理[3]。完成處理后，信號還能通過DAC模塊進行轉換，從數字信號轉變為點型號，并由連接裝置輸出，將其在控制系統上位機當中顯示。

本文選用RS-485模塊，因為其接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又與TTL電平不兼容，故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。因為RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需兩根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。RS-485模塊特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路的連接。

ADDA模塊主要由A/D轉換電路構成，為了滿足本文系統在運行中的控制需求，在電路轉換節點中內置AD2766芯片，此芯片可外接100.0 mV～3.5 V的參考信號，芯片中的轉換器可以用于逼近信號的實時轉換，差分采樣裝置可以集成在電路中進行信號的差分獲取。在此基礎上，內置信號放大保持器，用于放大待控制信號。將串行連接在電路中的接口與不同終端電壓進行對接，其中內部電壓接口與REF接口對接、電容管腳接口與APB接口對接，在接口位置輸入兩組差異信號，可以通過對信號值的模擬，進行有效轉換范圍與有效通信信道的差分選擇。

本文控制系統選擇STM32F103C8T6型號的32位ARM微控制器，該型號微控制器的技術指標及參數見表1。

表1 ARM微控制器技術指標及參數表

當前STM32F103C8T6型號ARM微控制器主要應用于工業領域、汽車領域、電子領域和計算機領域，具有十分廣闊的發展前景，將該型號微控制器應用到本文控制系統當中能為系統提供更加便利的運行條件，并進一步提高本文控制系統控制效果。

2 軟件設計

2.1 基于FPGA的發射機發射信號采集

在完成控制系統硬件結構設計基礎上，基于FPGA的應用，對發射機發出的信號進行采集。在此過程中，明確FPGA是一種在可編程控制器基礎上的衍生產物，在信號采集階段集成FPGA可解決定制電路不足問題[4]。在掌握FPGA采樣原理后，按照“取樣→保持處理→量化處理→標準編碼”的流程，進行發射信號采集。為了確保采集信號與發射機前端運行控制需求匹配，可對取樣頻率進行定義，如下公式所示：

式中：fp為發射機信號的采集頻率；fΩ為前端發射的最高頻率。只有在采集信號過程中，滿足上述提出不等式需求，確保信號頻譜中的上下兩邊帶與采集頻率不會發生重疊或相互干擾問題，否則會導致采集信號出現失真或攜帶噪聲等問題。而一旦由于操作疏忽，出現采集的發射信號中攜帶噪聲現象，需要對信號進行放大處理，進行信號陣元的分析，根據放大后信號在信道中的波束，對信號進行二進制的表達，獲取發射信號的最高有效位與最低有效位，根據不同操作位信號的時延，形成一個信號傳輸周期。對存在噪聲的信號進行降維處理，并根據信號的陣元，對采樣成果進行A/D轉換，提取轉換后的信號波束，將呈現離散狀態的波束匯聚在一起，形成一個完整的發射信號波束。按照上述提出的處理方式進行噪聲信號處理，實現對高精度信號的有效采集。

2.2 基于小波算法的發射機功放狀態檢測

在完成對發射機信號的采集后，引進小波算法，來檢測獲取的信號，以此種方式實現對發射機功放狀態的實時檢測。在此過程中，考慮到功放可同時支持發射機的遠程與本地控制[5]，其中本地控制可直接在控制系統的操作端點擊觸摸屏幕的功能按鍵實現，針對其中的遠程控制，則需要通過接口通信進行信號處理后再進行控制。功放的工作狀態轉換結構示意圖見圖2。

根據圖2所示，發射機功放共對應5種狀態，分別為本地運行狀態、初始化狀態、遠程運行狀態、復位運行狀態、故障運行狀態。為了更好地實現對發射機的控制，應實時對其進行狀態的檢測，并結合前端控制需求，對功放執行不同的控制指令。引進小波算法，根據前端收集信號在終端呈現的波形圖，對其進行信號衰減性分析，其中“波”是指信號在傳輸中的波動性，或信號在正負兩極之間的振蕩幅度。相比時空分析法，使用此種方式可通過對伸縮平移運算，對接收信號進行多方向細化處理，當細化處理后信號得到高頻時間細分區段，小波可以根據時頻信號需求，進行信號自動聚焦，達到一種自適應檢測的目的。上述提出過程，可用下述計算公式表示：

式中：p為功放的工作狀態；x為小波轉換算子；θ為高頻時段；k為初始化狀態；ai為對接收信號進行第i個尺度的細化處理；μ為復位狀態。按照上述方式，實現基于小波算法的發射機功放狀態檢測。

2.3 PC端控制程序設計

在完成上述相關設計后，對接控制發射機與控制端（PC端），對發射機的控制程序進行設計。通常情況下，PC端的運行環境為Windows環境，對應串口的通信方式可以通過控件或API通信函數表示。相比API通信函數，使用控件進行控制程序設計操作更為簡單，在確定基于控件的控制程序后，使用PC端提供的VC++6.0編程工具，進行通信接口設計，并將通信接口與發射機控制端進行對接，此時，后端便可根據前端設計需求，進行串口控制的源代碼開發。控制中，啟動PC端控制程序，在操作顯示屏幕上隨機生成一個token，等待控制端進行正確用戶身份的標識，完成對控制用戶標識的檢驗后，PC端的控制程序將自動與服務器進行對接。對接后，啟動程序執行控制指令，根據指令的指示方向，進行本次任務進程的生成，當進程與token保持一致后，主動跳轉下一進程，當進程與token存在偏差，需結束當前的控制進程，等待PC端的重新連接，直到控制進程與控制需求保持高度一致。

3 實例應用分析

基于以上論述內容，從硬件和軟件兩個層面實現對控制系統的理論設計，為進一步驗證該控制系統在實際運行環境當中的應用效果，設計以下應用實驗。

本文選擇某工業生產中常見的發射機進行研究，該發射機的型號為TSW2500，運行功率為500 kW。已知該發射機在運行過程中，需要確保其模數轉換誤差為±5 mV，公差范圍在-20～+20 mV以內，滿足發射機的控制精度要求。控制該型號發射機在運行過程中的溫度始終保持在28～35 ℃，輸入和輸出范圍均在0～5 V。在應用過程中，將顯示與控制一體化測試平臺與本文上述設計的控制系統進行連接，并將系統內部數據采集單元與發射機運行單元進行連接，針對發射機和控制系統在運行過程中的應用環境進行實時監測，并觀察其是否存在異常運行現象。

通過控制一體化測試平臺顯示的溫度、電壓等參數進行觀察得出，系統在運行過程中，其各項數值均能夠控制在合理范圍內，確保發射機的穩定運行，初步證明了本文提出的控制系統在實際應用中具有可行性。為了進一步驗證本文控制系統在實際環境中的運行精度，選擇將系統運行時模數轉換誤差作為評價指標，通過計算控制過程中模數轉換的誤差和公差，對控制系統的精度進行評價。模數轉換的誤差計算公式為：

式中，σ為模數轉換誤差；LSB為二進制接口規范標準精度；bits為控制信號的數據量；Vref為轉換系數。根據上述公式，計算得出模數轉換的誤差，并再通過公式（4），計算得出模數轉換的公差：

式中，σ為模數轉換的公差。根據上述公式（3）和公式（4）計算出相應實驗數據，并記錄其結果，見表2。

表2 控制系統應用效果記錄表

從表2可知，把本文的控制系統應用到發射機控制時，模數轉換誤差均在-2.4～+3.2 mV，模數轉換公差均在-15.3～+12.4 mV，其模數轉換誤差和模數轉換公差均在規定的合理范圍內，說明模數轉換的精度滿足系統的運行需要。因此，通過上述實驗進一步證明，本文提出的控制系統能夠實現對模糊信號的高精度轉換，進一步提高了對發射機控制的精度，確保發射機能夠按照規定的控制指令完成各項操作任務。

4 結語

綜上所述，本文針對特定型號的500 kW發射機，提出了一種全新的嵌入式控制系統，并將其應用到真實運行環境當中，證明了該系統的運行優勢，并證明了引入FPGA控制器后控制效果得到進一步提升。但此次實驗也存在一定不足，例如沒有進行控制界面可視化操作的檢驗、沒有在多個測試環境中進行系統運行可行性的分析等。因此，還需要在后續進一步的研究中，對設計的成果進行多次檢驗，設置多個具有相同功能的控制系統，將其作為傳統系統，與本文系統在實際應用中的性能進行檢驗。在未來階段，市場發展將對控制系統的運行提出更高的要求，而本文設計的系統現如今仍處于開發測試階段，僅依靠本文測試的實驗結果，仍無法將其在市場內廣泛推廣使用，還需要在進一步的優化設計中，按照模塊化測試方式，進行系統運行的同步測試，以此種方式，對系統功能進行豐富，實現對系統性能的優化。此外，可在后續的研究中，嘗試使用國產硬件設備代替進口設備，開發真正屬于我國的科研成果。