基于觸摸屏控制的發射機主備機切換器設計

李世駿，李 享

（玉溪市老尖山廣播電視發射臺，云南 玉溪 652600）

0 引 言

發射機主備機智能切換控制器是廣播電視發射臺機房監控系統的重要設備之一。目前，盡管市場上有成套的發射機切換控制產品，但這些成品不一定能滿足發射臺站的實際需求。地面數字電視發射機從開機到功率輸出至預定值，一般會耗時幾十秒。主備發射機機切換時，如果采用“關閉主發射機電源，切換同軸開關后再開啟備用發射機電源”的方法，將會造成較長的停播時間。為減少主備機切換時的播出信號中斷時間，有時可讓備機處于熱備份狀態（備機開機，但不開啟功放功率），當需要從主機切換到備機工作時，可通過發射機通信串口向主機發送關閉功率命令，然后進行同軸開關切換，之后再通過串口向備機發送開啟功率命令。如此，將明顯降低因切換造成的播出中斷時間[1]。采用工控觸摸屏+可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）（或IO 模塊）制作的主備機切換控制器，能通過串口與發射機通信，并能通過PLC（或IO模塊）檢測、控制同軸開關和發射機的電源開關[2]。切換控制器不但能完成主備發射機運行參數采集工作，而且能智能地完成不同條件下的主備切換流程控制。

1 觸摸屏簡介

工控觸摸屏是一種可接收手指、觸筆等輸入信號的感應式顯示裝置，是自動化監控系統中重要的人機界面（Human Machine Interface，HMI）設備。隨著技術的發展，觸摸屏的集成度、功能性能越來越高，有豐富的通信接口，支持大量的通信協議，能保存相當數量的監測數據，并能通過網絡向上轉發數據。觸摸屏都配備有相應的開發工具，可以非常容易地設計制作出界面漂亮、功能強大的監測控制人機界面。

昆侖通態TPC7072Gt 觸摸屏是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，采用Cortex-A5 4 核CPU，系統內存512 MB，數據存儲空間4 GB，配備RJ-45、USB 接口和3 個RS-232/RS-485 接口，配置7 英寸液晶觸控屏。其底層操作系統為Linux，已預裝了McgsPro 運行版組態軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能。可利用免費的McgsPro 組態軟件，方便、快捷地設計出觸摸屏應用系統。

2 硬件設計

發射機主備機切換器采用一套切換控制器控制一個頻道的兩臺主備發射機的架構。主備切換器作為控制中心，完成對主、備發射機狀態參數、同軸開關狀態及其他參數的實時采集。當主機發生故障，切換器能自動判斷故障并控制發射機、同軸開關協調動作，安全、快捷地切換到備機工作。系統框架如圖1 所示。

圖1 發射機監控及主備切換控制框架圖

2.1 切換控制器主要硬件

切換控制器主要硬件包括TPC7072Gt 觸摸屏、MODBUS-IO8R-A 模塊、AD8362 模塊、直流供電模塊以及中間繼電器等。其中，中間繼電器與相關接口的組合構成同軸開關檢測控制模塊和主、備機電源控制接口模塊，如圖2 所示。

圖2 主備機監控切換控制器硬件設計

MODBUS-IO8R-A模塊具有8路開關量輸入口、8 路開關量繼電器輸出口以及6 路模擬量輸入口。該模塊由觸摸屏通過串口控制，執行發射機開關機、功率開啟或關閉、同軸開關轉動、狀態檢測以及發射功率模擬量采集等任務。AD8362 模塊是一塊可檢測50 Hz ～3.8 GHz 射頻功率的對數檢波器，輸入范圍為-55 ～+15 dBm，輸出電壓范圍為0.35 ～4 V，基本按50 mV·dB-1比例變化，經人工進一步調校后，實測誤差低于0.4 dB。使用該模塊通過耦合器或監測口對發射機輸出功率進行檢測。當發射機串口通信不正常，該功率檢測值將作為判定發射功率是否正常的數據來源。

2.2 各接口模塊設計

2.2.1 同軸開關檢測控制模塊

同軸開關檢測控制模塊電路如圖3 所示。KA1—KA4 為中間繼電器。KA1，KA2 主要起隔離作用，其線圈供電由IO 模塊的開關輸出口控制。當軟件控制1L-0.0 端口設置為“開”，KA1 線圈通電，其常開觸點閉合，接口2 輸出220 V 交流電，電機正轉。同理，當1L-0.1 端口設置為“開”時，電機反轉。需要注意的是，1L-0.0，1L-0.1 端口不能同時設置為“開”，否則同軸開關電機正、反端同時得電，將發生不可預知的問題，為此，設置KA3，KA4進行互鎖，使得正、反電機同時得電的情況不會發生。K1 是自動/手動轉換開關，當轉為手動狀態時，同軸開關的正、反轉由開關K2 手動控制。當電機正轉到位，端口4 和端口5 將連通，3M-0.0 端獲得高電平，軟件收到電機正轉到位信號。同理，當電機反轉到位，軟件收到電機反轉到位信號。

圖3 同軸開關檢測控制模塊電路圖

2.2.2 主、備機電源開關控制接口模塊

主、備機電源開關控制接口模塊如圖4 所示。中間繼電器KA5—KA8 起隔離作用，受控于2L-0.4至2L-0.7 端口電平，端口電平由軟件控制并模擬人工開機、關機按鈕，即無論是開機還是關機，相應的端口都要輸出一個持續時間約2 s（可調整）的高電平，其余時間端口均處于零電平。具體控制流程是：當2L-0.5 端口為高電平，表示開機，則KA6 線圈通電，其常開觸點閉合，交流接觸器KM1 線圈通電，其主觸點閉合，主發射機通電，同時輔助觸點也閉合。2 s 后，雖然2L-0.5 端口轉為零電平，KA6 常開觸點斷開，但由于KM1 輔助觸點仍閉合，交流接觸器處于自保持導通狀態。當2L-0.4端口為高電平，表示進行關機，則KA5 線圈通電，其常閉觸點斷開，交流接觸器線圈失電，其主、輔觸點均斷開，停止主發射機供電。2 s 后，雖然2L-0.4 端口轉為零電平，KA5 常閉觸點閉合，但KM1 仍處于關斷狀態。備發射機電源開關控制過程與上述原理完全一致。圖4 中右側部分為模塊外部交流接觸器接線方法。可在這部分加裝自動/手動控制轉換開關，用于發射機應急手動開關機操作。

圖4 主、備機電源開關控制接口模塊圖

3 軟件設計

切換控制器的軟件設計就是利用McgsPro 組態軟件對觸摸屏進行工程組態。組態好的工程可以通過USB 或RJ-45 接口下載到觸摸屏。觸摸屏會自動運行工程，進入監控工作狀態。如圖5 所示，組態工作就是對組態環境中的主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五大部分分別進行組態，利用系統提供的構件構造應用系統，配置各種參數，快速形成一個有豐富功能、可實際應用的發射機監控及主備切換控制工程[3]。

圖5 McgsPro 組態環境基本界面

3.1 軟件設計基本過程

軟件設計的主要工作包括構建實時數據庫、建立數據通信連接、設計人機交互窗口界面、編制流程控制腳本程序等。

3.1.1 構建實時數據庫

構建實時數據庫，是根據監測、控制需要，構建所有需要的數據對象（變量），并對每個數據對象進行屬性設置及操作方法（報警屬性、報警處理和存盤處理等）設置[4]。實時數據庫將成為連接各部分的數據中心，發揮核心功能作用。

3.1.2 建立數據通信連接

建立數據通信連接是指建立系統與外部通信設備的連接關系，使系統能夠從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態。其中，與主、備發射機通信，需要向廠家獲取發射機的串口通信協議，使用“串口收發數據”構件與發射機進行通信。與MODBUS-IO8R-A 模塊通信，只需添加ModbusRTU構件，按模塊通信協議進行相關設置，即可讀取模擬量、開關量或設置輸出開關狀態。與上位機通信，可通過添加“ModbusTCPIP 數據轉發設備”構件，進行通道與實時數據對象關聯設置，可將觸摸屏構建為一個ModbusTCP 從站（數據發送服務器），上位機通過網絡訪問從站數據，對從站有關數據進行讀、寫操作。

3.1.3 設計人機交互窗口界面

人機交互窗口界面設計是通過創建窗口，在窗口中放置圖元、圖符和動畫構件等各種圖形對象，并對圖形對象進行設置，建立與實時數據對象的鏈接，從而完成圖形界面的設計工作。可根據實際需要創建多個窗口，并設計由各種功能構件（比如動畫構件、策略等）來操控窗口的各項功能。

3.1.4 編制流程控制腳本程序

編制流程控制腳本程序，是通過創建各種策略并編寫腳本，實現對系統運行流程進行自由控制，使系統按照預設的順序和條件操作數據對象，控制用戶窗口狀態，修改設備運行參數，提高控制過程的實時性和有序性。主備機切換有嚴格的條件和流程，通過編寫策略，可以很好地對流程進行控制。

3.2 軟件設計有關要點

3.2.1 發射機串口數據讀寫

由于發射機串口通信協議均為私有協議，需按以下方法進行串口通信操作。（1）在設備窗口中添加“通用串口父設備”，設置COM 端口號、波特率、數據位、停止位、校驗位等通信參數。在“通用串口父設備”下添加“串口收發數據”構件，設置最小采集周期、協議類型（字符串/16 進制）、讀串口的結束方式、通信等待時間、讀串口停止字符、讀串口停止長度等參數。（2）在實時數據庫中新建兩個字符串型數據writeData、readData，分別存放寫命令字串和返回數據字串。同時在數據庫中創建發射功率、反射功率、功放電壓、電流等發射機物理指標數據對象。（3）創建循環策略，編寫發射機運行參數讀解腳本程序，當程序運行時，將按設定的循環時間，周期性地向發射機通信串口發送讀數據請求命令，并獲取返回數據，對返回數據進行解析、實時更新發射機物理指標數據對象。

3.2.2 主備機切換控制策略

主備機切換流程控制需要遵循的要點是：只有當主機和備機同時沒有功率輸出，才能進行同軸開關的轉動[5]。相較于傳統的以機械互鎖的方式來進行主備切換控制，本設計要求以更智能的方式進行主備切換。即，無論主、備機是處于開機還是關機狀態、功率輸出是有還是無、同軸開關處于正位還是反位等多種組合狀態，切換器都能正確判斷并進行全流程安全、自動切換控制。通過控制發射機功率輸出來進行主備切換是首選的方法。只有與發射機串口通信中斷或對功率控制失效時，才采用關閉/開啟發射機（或功放）電源的方法進行主備切換控制。

3.3 切換界面設計

切換界面設計充分利用McgsPro 提供的圖元、圖符和動畫構件等圖形對象，繪制主備機機柜、連接饋線、同軸開關、假負載等設備圖形，將這些圖形與實時數據對象關聯建立動畫連接。程序運行時，相關電源、功率等指示、射頻信號能流流向、同軸開關位置狀態、假負載圖形狀態等將隨實際的設備工作狀態改變而發生變化。發生主備切換時，界面還能實時顯示切換流程狀態，便于維護人員了解切換過程細節。圖6 是主→備切換完成后的界面。

圖6 主→備切換完成后的界面

4 應用效果

該切換器能很好地實現對主、備發射機運行參數的實時監測。當達到切換條件，切換器能根據各項運行參數智能地進行全流程主備自動切換，而且圖形界面會直觀展示切換進程細節。該切換器用于地面數字電視發射機主備切換，也可用于調頻廣播發射機主備切換，既是切換器也是數據采集器。在臺站監控系統中的使用情況表明，其運行十分穩定可靠，已成為臺站監控系統的重要組成部分。

5 結 語

本文利用觸摸屏較強的數據采集、通信、數據運算處理以及生動的圖形動畫顯示功能，簡易地設計出功能完善、性能穩定的發射機主備監控切換器。設計思路新穎，開發容易，造價低廉，是值得推薦的方案。