TBH522发射机控制系统自动化改造

黄绍光

(国家新闻出版广电总局五零一台 )

[摘要] 本文简述了TBH552150kW短波发射机基于EDA技术的可编程控制器FPGA-XS30/PQ240和单片机对发射机控制系统进行自动化改造，重点对控制系统组成、结构和原理进行了说明。

[关键词] TBH522发射机 自动控制系统 顺序逻辑 FPGA 顺序控制

1 前言

我台甲机房四部TBH522发射机原来的控制系统是北广生产的，它的控制逻辑是由一些小型继电器和集成块组成逻辑控制电路，来实现对发射机控制系统的所有逻辑控制。由于继电器和集成块的管脚使用时间一长就会出现氧化和接触不良的现象,这样系统的故障率就增加,系统的可靠变性差，维护量增大。针对这一情况，我台组织自己的技术力量，采用基于EDA技术的可编程控制器FPGA-XS30/PQ240和单片机对发射机控制系统进行自动化改造，完成发射机控制系统的所有逻辑功能及各种数据的处理。为了防止外界对系统的干扰，在小盒后部专门设计了一块滤波器墙，所有输入/输出信号都经过滤波器板滤波后再进入到小盒内，所有的开关量输入/输出信号都通过光电耦合器进行光电隔离及电平转换后送到FPGA内，FPGA针对各种输入/输出信号进行相应处理，保证系统信号在受到干扰及抖动时仍然能保持播音。这样就大大提高了系统的抗干扰能力和稳定性，并能准确及时提取发射机各种异态及故障点然后作出相应的告警及指示，便于维护及处理。

2 控制单元框图

图1 控制单元框图

控制单元为整个控制系统的核心。控制着发射机的所有逻辑合和断，同时决定整个控制系统的自动、手动权限。自动控制状态时有两种控制模式，自动控制模式和遥控模式，遥控模式的控制权限高于自动模式，遥控的数据源是通过上位机下传给控制单元，而自动模式数据源是来自上位机内存储的运行图，分别控制开机、关机、合高前、断高前、合高末、断高末、快速灯丝、封锁高频以及频率合成器的控制等，其中频率合成器控制采用BCD码进行控制。手动控制的方式是完全由人工通过面板的操作控制按钮来实现对发射机的控制地一种方式。手动状态时，发射机的工作模式切换到手动状态，此时手动操作状态优先。

控制单元以FPGA及单片机作为系统核心控制器件，FPGA通过时时监测系统开关量输入状态信息及比较器转换的模拟量信息，通过继电器输出板完成相应的顺序控制及封锁控制，并将相应状态信息通过显示总线发送到显示面板进行本地显示，同时处于手动状态时，接收相应操作按钮的指令；单片机通过系统总线采集FPGA内部状态信息，上传到上位机，同时接受上位机各种控制命令，下传到FPGA完成相关控制。当控制系统内任何一个逻辑合控制出现故障后，系统发出声光告警，相应的面板指示灯显示为红色，当故障消除后指示灯显示为黄色，只有按下复位按钮后所有指示灯恢复正常指示。在故障出现后，声光告警在故障过程中一直存在，只有按下复位按钮后声光告警才能消除。在出现故障时，通过FPGA记录当前故障信息，并将故障信息传输给单片机89C52，在故障消除后，单片机将之前读取的故障信息和当前运行的状态上传给上位机以方便值班员查找故障。

2．1控制单元

2.1.1FPGA-XS30-PQ240：可编程ASIC器件，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高；并有丰富的触发器和I／O引脚，可实现较大规模的逻辑电路，采用VHDL硬件描述语言完成系统所有顺序逻辑及封锁逻辑控制。2.1.2单片机98C52：单片机亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。系统采用汇编语言编程，完成单片机对PFGA的数据访问，通过系统内部时钟及EEPROM内设置的运行图完成自动控制，及时提起故障信息，通过RS232和上位机进行通信。

2.1.3上位机：上位机属于工业控制计算机，通过VB编程，完成人机对话，实现整机所有状态及表值指示，和上级平台进行通信，上传本机数据及接收下发节目运行图，实现发射机的遥控控制和自动控制。

2.1.4开关量输入：从发射机送入控制单元的高低电平（开关量）通过T521-2光电耦合器隔离后送到FPGA进行各种逻辑运算。开关量输入区1：此区域属于控制单元中发射机送入到控制单元的所有开关量输入点，一共有72路，通过发射机送入的高低电平通过T521-2光电耦合器将信号送入FPGA作为所有逻辑合和断的条件及发射机功率模块的状态监测，开关量输入区2一共有24路，用于面板操作按钮的输入量监测，通过面板操作按钮输入的高低电平通过T521-2光电耦合器，将面板操作按钮合、断信号送入FPGA实现控制单元的各种手动操作控制。

图2 开关量输入

2.1.5开关量输出：开关量输出是控制单元上的FPGA发出的控制指令通过T521-2光电耦合器隔离后控制外界高低电平，一共有46路，1-20路通过控制继电器控制发射机的所有逻辑合和断，其他几路通过T521-2输出的开关量直接控制，分别是2：开冷却，3：开灯丝，5：启动调压器－升，6：启动调压器－降，10：开偏压，11：启动高前1档，12：启动高前2档，13：启动高压1档，14：启动高压2档，15：启动高帘1档，16：启动高帘2档，20：封锁PSM控制，22：衰减控制，23：粗调完成控制，24：封锁宽放控制，25：封锁psm控制，28：功率模块监测SC0，29：功率模块监测SC1，30：功率模块监测SC2，31：去自动调谐单元程控状态，32：去自动调谐单元粗调控制，33：去自动调谐单元细调允许。

图3 开关量输出

由于控制单元上的开关量输入输出回路都串联了一个发光二极管，播音中当发射机出现控制故障时，可以通过控制单元上发光二极管是否亮来判断故障点是在小盒内还是在小盒外，如：如果某一个不正常，只要查看输入到控制单元上相应的开关量的发光二极管是否亮，就能断故障点是在小盒内还是在小盒外，同样如果输出的开关量不能控制外界高低电平，只要查看控制单元上相应输出的开关量发光二极管是否亮，就能断故障点是在小盒内还是在小盒外。这对故障的判断处理起到很好的作用。

2.1.6继电器板：继电器板主要是做开关量控制，由2块继电器板组成，每块板上有10路，每路由一个由OMRON-G6B-1114P-US继电器并联4.7K电阻和4000P电容进行控制，一共有20路，除第20路外，其它都直接控制发射机电控盘上的交流接触器，分别是1：启动调压器－降，2：开冷却，3：开灯丝，4：调压启动命令，5：启动调压器－升，6：启动调压器－降，7：启动调压器－降，8：黑灯丝转正常供电， 9：调压转换控制，10：开偏压，11：启动高前1档，12：启动高前2档，13：启动高压1档，14：启动高压2档，15：启动高帘1档，16：启动高帘2档，19：空，20：封锁PSM控制；其中第4路和第9路是通过继电器吸合控制输出DC12V，第20路封锁PSM控制是继电器吸合从控制单元内部送出DC12V去封锁PSM控制，其它所有继电器都是用作中间继电器，由主板上的FPGA通过T521-2光电耦合器隔离后送出的开关量信号来控制继电器吸合，继电器吸合后从中间继电器的接点送出AC36V到电控盘控制相应的交流接触器吸合。因灯丝调压控制升降动作频繁，为保证继电器的可靠，分别设计了2路继电器来控制灯丝调压的升降。

2.1.7比较器输入板：比较器板一共有12路，将相应输入模拟量和设置的电压进行比较后，将转换电平送到FPGA内部，完成相关的逻辑控制，分别是灯丝暂停1，灯丝暂停2，灯丝暂停3，灯丝稳压下限，灯丝稳压上限，灯丝电压正常，灯丝电流正常，灯丝电压高限，高前屏压正常，高末屏压正常，高末帘栅压正常。

2.1.8面板显示：面板显示通过FPGA输出8位数据总线和5位地址总线。驱动控制单元面板，控制单元面板主要显示控制单元内部的状态信息、系统时钟及控制按钮指示灯，任何状态可现实3种颜色，正常是绿色，出现故障是红色，故障恢复后是黄色。

3.FPGA顺序控制逻辑

图4 顺序逻辑控制

FPGA的顺序逻辑是按照开机、合风水、合灯丝、合偏压、合高前屏压、合高末屏压、合高末帘栅压的顺序来进行控制，关机则按相反的顺序进行。下面就按照控制系统的自动顺序逻辑顺序来进行介绍。

3.1开机灯丝控制

电子管是发射机最为核心的器件，也是比较昂贵的器件，为避免损伤电子管，在系统初始化完成后，如果检测到灯丝调压器不在零位，系统发出告警，不允许开机，只有在系统监测到调压器在零位后才能开发射机；发射机开启后，系统检测的到风机水泵的空气开关合上后 ，FPGA送出合风水的控制信号，控制继电器板上相应的中间继电器吸合，然后送出AC36V的交流电压控制风机水泵的交流接触器吸合，风机水泵开始启动，风机水泵运转正常后，系统检测到风水正常后，自动发出合灯丝的控制命令，使灯丝的交流接触器合上，系统按照单片机中存储的程序开始自动升灯丝。为了保护电子管，电子管的灯丝电压都要分档上，第一档灯丝电压从0V升到30V，暂停3分钟后再升第二档。第二档灯丝电压从30V升到80V ，暂停3分钟后再继续升第三档。第三档从灯丝电压从80V升到120V，暂停3分钟后再继续升第四档。第四档灯丝电压从120V升到210V后开始进入8分钟的灯丝预热区。如下图：

图5 升灯丝控制

控制系统针对灯丝控制专门设置了快速灯丝控制，所谓快速灯丝就是在升灯丝过程中，若按下“快速灯丝”按钮，系统自动解除升灯丝过程中的所有灯丝暂停，将灯丝从0V一直升灯丝到正常值；此功能是针对发射机在播音中外电闪掉灯丝而设置，播音中外电闪掉灯丝，由于此时灯丝处于热灯丝状态，而外电闪的时间一般都很短，为了有效减少发射机的停播，此时可以使用快速灯丝来解除升灯丝过程中的所有暂停，灯丝正常后就可以恢复发射机正常播出。

为了减少外电变化对灯丝电压的影响，灯丝电压升到正常值，系统设置了灯丝自动稳压功能，正常灯丝电压为210V ,当灯丝电压低于205V半秒钟后，系统自动升灯丝电压，升到210V正常灯丝电压后停止升灯丝电压。当灯丝高于215V半秒钟后，自动降灯丝，当灯丝电压降到210V正常灯丝电压后停止降灯丝。

3.2 偏压控制

在开机状态下，灯丝合控制的所有条件成立，且偏压接触器合、水导正常、门开关合、机保开关合、馈线开关合。灯丝电压升到210V正常灯丝电压并预热完成后,系统自动发出合偏压控制指令，合上高前级、高末级偏压。在合偏压的所有条件中只要有一个出现故障在10ms内不能自动恢复，系统将自动断开偏压控制。在故障消除后按正常逻辑合控制恢复偏压合控制。

3.3 高前1档控制

在偏压合上后，系统检测到偏压正常信号，偏压合控制的所有条件成立，且高前级无过荷，高前屏压空气开关合上，控制系统自动合上高前屏压1档。当合高前1档的所有条件中有一个或多个出现故障在10ms内不能自动恢复，系统将自动断开高前屏压1档；在故障消除后延迟1秒按正常逻辑合控制恢复高前屏压1档。但高前过荷不做10ms延迟，出现故障后立即断开高前屏压1档。

3.4 高前2档控制

在合高前状态下，高前屏压1档合上1秒后自动发出合高前2档命令，当合高前的所有条件中有一个或多个出现故障在10ms内不能自动恢复，系统将自动断开高前屏压2档；在故障消除后延迟1秒按正常逻辑合控制恢复高前屏压2档，但高前过荷不做10ms延迟，出现故障后立即断开高前屏压1档、2档。

3.5 高末屏压1档控制

在高前屏压2档合上后，合高前屏压1档、2档的所有条件成立，并且系统检测到高前屏压正常、低周风接点合、高压断路器合、高帘断路器合、PSM断路器合，自动发出合高末屏压1档指令。当合高末屏压1档的所有条件中有一个或多个出现故障在10ms内不能自动恢复，系统将自动断开高末屏压1档。在故障消除后延迟1秒按正常逻辑合控制恢复高末屏压1档。

3.6高末屏压2档控制

在合高末状态下，合高末屏压1档的所有条件成立，并且高末屏压1档接触器合上1秒钟后，系统自动发出合高末屏压2档指令。当合高末屏压2档的所有条件中有一个或多出现故障在10ms内不能自动恢复，系统将自动断开高末屏压2档。在故障消除后延迟1秒按正常逻辑合控制恢复高末屏压2档合控制。

3.7高末帘栅1档控制

在高末屏压2档合上后，系统检测到高帘断路器合、高末屏压压正常、在且高末屏压2档合上后1秒后，系统自动发出合高末帘栅1档指令。高末帘栅1档合上后，发射机各级的电压就全部加上，此时只要发射机的调谐位置到位，天线正常，开通发射机的射频激励信号，就可以对发射机进行正常调谐。

3.8高末帘栅2档控制

高末帘栅压1档合是后，且发射机调谐完成后，系统自动合上高末帘栅2档。自动将发射机由低功率调整到高功率状态，至此发射机的整个顺序逻辑就全部完成，加上音周发射机就能正常播音。

4.结束语

此系统从04年开始进行上机试验，先后经过3个版本的升级改造，到09年系统定型后，经过多年的运行，系统稳定，故障率较低，抗干扰能力强，在很大程度上减轻了值班员手动操作的劳动强度，能最大限度的避免人为责任事故的发生。确保了机房安全传输发射任务的顺利完成。

编辑：中国新闻技术工作者联合会