TSW2500型发射机PSM调制器通信协议研究
王铁英 宋晓红
（国家新闻出版广电总局2022台）
【摘 要】 本文针对TSW2500型500KW短波发射机的发射机控制单元和PSM调制器控制单元之间核心通信控制协议进行了深入的分析和研究，为我国具有自主知识产权的DMR2000型数字调制器在进口设备中的应用提供了接口模型和数据支撑，具有重大的现实意义和应用前景。【关键词】 发射机 通信协议 数字调制器 PSM0 引言
TSW2500型500KW短波发射机是我国大功率广播发射台和广播中心的主力机型，以其卓越的性能和可靠性备受广大用户的青睐。但是，近几年，该机型发射机核心控制板卡陆续停产的问题日益突出，对广播发射台的安全传输发射工作构成重大威胁。因此，理解该设备的设计理念，掌握该设备的核心技术，实现进口设备核心部件的国产化、自主化已经迫在眉睫、势在必行。1 控制系统的总体结构
TSW2500型500KW短波发射机的控制系统主要由增强型中央控制系统、发射机控制单元和PSM调制器控制单元等三大部分组成，发射机控制系统整体结构框图如图1所示。图1 发射机控制系统整体结构框图
增强型中央控制系统的主要功能是实现人机交互界面、远程自动化控制以及伺服调谐位置运算等；发射机控制单元的主要功能是实现顺序控制、伺服控制、逻辑保护和I/O接口信号处理等；PSM调制器控制单元的主要功能是实现音频信号处理、脉阶调制算法处理和I/O接口信号处理等。其中，发射机控制单元和PSM调制器控制单元的交互机制和通信协议是发射机控制系统数据交互的核心环节，也是实现DMR2000型数字调制器在TSW2500型500KW短波发射机中应用的基础。2 控制单元接口信号
发射机PSM调制器控制单元是TSW2500型500KW短波发射机的核心单元，该控制单元与发射机其他控制单元的通信是通过PSM控制母板VCP03来实现的。PSM调制器控制单元主要端口路由对照表如表1所示。表1 PSM调制器控制单元端口路由对照表
PSM调制器控制单元主要外部端口有8个。其中，PSM与TX硬线连接控制信号和PSM与TX串口控制信号是数据交互的核心，也是是信号分析与研究的难点和重点。通过大量的实验测试与数据分析，将各个端口的主要功能及作用归纳如下：1) X14（DB9）：该端口负责采集发射机的高末屏压（VaV2）和高末屏流（IaV2）的信息。若发射机的高末屏压（VaV2）或高末屏流（IaV2）越限，那么，PSM控制系统会通过端口X22（RS422）向发射机控制系统发出相应的故障信息（PSM Output Voltage/Current Above Limit），同时PSM控制系统会产生Va-Block*低电平信号脉冲，封锁高末屏压。2) X15（DB9）和X16（DB9）：这两个端口分别用来接收来自音频处理器传输过来的模拟音周信号和数字音周信号，然后将音频信号送至PSM调制器控制单元的音频前端进行信号处理。3) X21和X22用来实现PSM调制器控制单元与发射机控制单元的数据通信。其中，X21端口负责传输硬线连接控制信号，实现时序控制以及硬件逻辑保护；X22端口负责串口通信，实现参数设定以及软件逻辑保护。4) X41（DB9）：经测试此端口在正常使用中无作用，属于预留拓展选项。5) X51和X61主要用来实现对220Vac交流电源信号和发射机射频输出信号（TX-Out）的采集，进而实现对音频信号的补偿处理，优化电声指标。其中，220Vac交流电源信号取自PSM控制系统的220Vac交流电源；发射机射频输出信号（TX-Out）取自发射机模拟量采集板（YCS07）。3 顺序控制及硬件逻辑保护
发射机控制单元（TX-C）和PSM调制器控制单元（PSM-C）的硬线连接控制信号主要负责顺序控制和硬件逻辑保护等。经实验测试验证，端口X22共有10路信号，其中，由发射机控制单元输出的信号有7路，由PSM调制器控制单元输出的信号有3路，如表2所示。其中， TX-C代表发射机控制单元，PSM-C代表PSM调制器控制单元。表 2 端口X22传输信号定义及传输方向
3.1 TX-C至PSM-C的传输信号Va-Enable（高末屏压允许信号）：该信号高电平有效。正常情况下，发射机在加高压（ON）的时候，该信号变为高电平；在没有加高压的情况下，该信号保持低电平。若在高压状态下，发射机发生故障，该信号变为低电平，激活PSM控制系统中的Va-Block*信号，封锁发射机高末高压。PSM-Enable（PSM高压允许信号）：该信号高电平有效。正常情况下，发射机在加高压（ON）的时候，该信号变为高电平；在发射机自动倒频的过程中，该信号为低电平，直到倒频结束后，再变为高电平。PSM-Enable信号的作用是决定PSM控制系统中的Ramp值是否有效。复位信号（PSM-Master-Reset）：该信号低电平有效。由发射机控制单元传来的复位信号，用来复位PSM调制器控制单元。升屏压（Va Up）/ 降屏压信号（Va Down）：该信号高电平有效，只有发射机处于手动控制模式（MANUAL）下才有效，用来实现手动升降功率。升降功率的速率由脉冲信号高电平的持续时长来决定。升功率允许信号（Run-Up-Enable）：该信号高电平有效，只有发射机处于自动控制模式下才有效。根据发射机控制单元预设的升功率时间参数，控制发射机功率逐步提升，直至发射机达到预设功率值。调谐允许信号（Tuning Enable）：在DCC模式下，当发射机处于调谐过程中，用来封锁DCC模式。3.2 PSM-C至TX-C的传输信号PSM控制系统运行正常（PSM Ctrl OK）：该信号高电平有效。只有该信号为高电平时，发射机才允许闭合高压柜高压真空继电器。当发射机由关机（OFF）升黑灯丝（AUX）时或PSM上电的过程中，PSM调制器控制单元首先要进行初始化自检操作，若初始化成功，则信号PSM Ctrl OK立即变为高电平。PSM紧急关断（Emergency Off）：该信号高电平有效。当PSM系统进行自检或PSM电流越限持续超过80ms时，该信号变为高电平，此时，高压柜高压真空继电器关断，发射机落至全灯丝（FILAMENT）状态。该信号一旦触发，只有人工复位PSM调制器控制单元才能恢复。另外，PSM调制器控制单元在进行系统自检的过程中也会产生Emergency Off信号。图2激活Va-Block* 信号的主要条件
屏压封锁（Va-Block*）：该信号低电平有效，其触发条件如图2所示。当Va-Block* 信号被触发之后，会产生一个大于100ms的脉冲，封锁发射机的高末屏压。3.3 顺序控制以及信号状态使用高速数字示波器可以实现对信号状态及其顺序控制过程的动态捕获，进而对发射机STBY-ON-STBY的动态过程进行分析和研究，如图3所示。发射机在由STBY状态切换至ON状态的动态过程中，首先，由发射机控制单元发出Va-Enable的高电平信号，使PSM调制器控制单元中的Va-Block*也变为高电平，PSM解除高末屏压封锁。之后，PSM-Enable信号和Running-Up-Enable信号也变为高电平。当发射机的高末屏压（VaV2）升至7KV的时候，发射机通过端口X22（串行端口RS422）发出音周允许信号，同时Running-Up-Enable变为低电平，发射机停止提升功率，直至Running-Up-Enable再次变为高电平，发射机就继续进行提升功率，直至发射机达到预设功率。发射机在由高压（ON）状态切换至待机（STBY）状态的动态过程中，首先由发射机控制单元发出Va-Enable的低电平信号，使PSM调制器控制单元中的信号Va-Block*也变为低电平，此时系统封锁发射机屏级电压。之后，PSM-Enable信号和Running-Up-Enable信号也变为低电平。图3 发射机STBY-ON-STBY动态过程信号捕获示意图
4 串行数据分析与研究
发射机控制单元与PSM调制器控制单元之间的参数设定以及软件逻辑保护是单片机与单片机之间的通信。经过对内部汇编程序的分析以及实际测试数据论证，就可以对其数据编解码方法以及运行机制进行推演。4.1 初始化过程分析传送数据前，在串口初始化程序中将命令字写入到波特率寄存器BAUD_RATE和串行接口控制寄存器SP_CON中。本串口控制寄存器SP_CON中的命令字为#1AH，即工作方式设定为方式2，无需奇偶校验，允许接收数据，规定第9位的值为1。在程序中向波特率寄存器的高字节和低字节分别写入#80H和#4DH。然后将中断屏蔽寄存器1（INT_MASK1）的串行接口发送中断标志位TI和串行接口接收中断标志位RI置1，开启发送和接收中断。再将发送和接收缓冲器SBUF清空。这里发送和接收缓冲器共用一个地址。在不需要奇偶校验时，对发送一方而言，应将8位数据和TB8（即第9位，本串口设为1）一起送往对方。对接收一方而言，除对收到的8位数据作妥善处理外，还应将第9位数据（TB8）的值登记在SP_STAT的D7位（RB8）上，供查询用。若发现第9位数据位为1，则向自身的CPU申请中断，反之，则不申请。其次，在发送和接收数据前，串行口初始化程序中设置了一些地址单元，其中将F0D6H……F0E3H 共14个单元作为发送缓冲区，F0E4H……F0EDH 共10个单元作为接收缓冲区，在串口通信之前，将即将要发送的数据首先存到发送缓冲区，然后在通过串行口发送中断，将其要发送的数据取出，写入SBUF中，当SBUF存满一个字节的数据后，向CPU发送发送中断请求，CPU响应后，继而发送到接受一方。当接收一方接到数据后，如果该数据是有效的，则将其保存在接收缓冲区中。当发送和接收到一定次数后，由发送一方发出校验信号和，将之前所发送数据和接收数据进行比较，若一致，则将之前保存的数据转存置其他单元，然后调用子程序CE96H做进一步处理，最后恢复最初状态，继续接收新的数据。若不一致，恢复最初状态，重新接收。4.2 发送中断过程分析图4 发送中断子程序流程图
发射机控制系统串口发送中断子程序流程图如图4所示。每申请一次发送中断，向发送缓器中写入一个字节，发送至接收一方ycs04板。再写入之前，将要写入的字节的最高位D7设置为1或0，供接收一方进行判断，如果为1，则说明为通知信号，即每次发送有效信息前均要发送一个通知信号给接收一方。如果为0，则说明为有效数据。在发送中断程序中涉及到得地址单元有F0FBH，F0FDH，F0FAH，F0FCH。其中：F0FBH为通知信号单元，初始化时该单元值为0，进入发送中断后，每发送一个通知信号后，（即发送内容最高位D7为1时）F0FBH单元置1，当再次进入到发送中断程序中，查询F0FBH单元值，若为1，则说明将要发送的为数据。这时会从发送缓冲区中取出将要发送的数据，至于取出那个，则由F0FDH单元内容决定。发送完成后将F0FBH单元内容置0。F0FDH为计数单元，当F0FDH为#0FH时，将其清零，此时向接收一方发送的通知信号为校验通知信号，告知接收一方下次将要发送的为校验信号和，此信号由F0FAH决定，它记录了之前发送的所有数据和，以便用来和接收一方接收到得数据比较，看是否发送与接收一致。也就是说，发送中断发送14次有效数据之后进行一次校验，验证是否发送和接收的数据是一样的，如果不一样要重新接收，一样就将所收到得数据转存至其他寄存器。F0FCH为查询状态寄存器内容，它的第7位即为发送之前设定的第9位的值。4.3 数据检验算法分析每申请一次中断，发送一方向接收一方发送一个8位数据，其7位有效，在接收一方最高位D7用来判断是地址还是有效数据。如果最高位为1，则为地址（80H……8AH）；如果最高位为0，则为数据。在发送有效数据数据之前，先向接收一方发送有效数据所对应的地址。例如，当发送#81H给接收一方时，则接下来所发送的数据就代表功率。每发送一次地址，计数器增1。（初始化时计数器值为0）地址的低4位零扩展（高四位补0）后为计数单元内容。当81H到8AH所对应的有效数据发送完毕后，进行校验，80H即为校验和。在这里，有关校验和d0的算法公式为：其中：Lv为计数单元初始值，值为0i为计数单元值di为第i个计数单元的参数设置值通过上述数据编解码方式的分析与研究，结合大量实测数据的推演，就可以确定数据传输的主要内容及其运行机制。其中，参数设定数据主要包括：发射机预设功率、音频电平衰减量、调制模式、屏压提升速率、音频滤波模式和预均衡模式等。软件逻辑保护数据主要包括：功率模块故障数量、PSM电压超限信息、PSM电流超限信息、功率模块充电完成信息以及音频允许信息等。
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