MSP430和FPGA在天线控制系统中的运用

黄绍光

(国家新闻出版广电总局501台)

【摘要】 文章系统介绍了MSP430单片机和FPGA在我台自主开发的短波天线交换控制系统中的应用，阐述了新控制系统的结构、功能和特点。【关键字】 天线交换开关 天线控制系统 带周期的运行图 组成 功能 特点 1 前言501台甲机房四部发射机都已经实现了单机自动化，而机房的天线开关一直使用的是老式的室外交换开关，由于天线交换开关处在室外，不仅故障率高，而且维护不方便，最重要的是室外交换开关不便于对发射机所上天线信号的取样监测。为了能实现机房四部发射机的全自动操作，必须将机房的发射机自动控制系统和天线控制系统整合到机房平台上，才能实现机房四部发射机的全自动操作。目前，国内使用的短波发射机天线交换系统大多使用可编程控制器（PLC）进行控制，成本较高、功能单一、灵活性差，基本是需求驱动设计，一旦发射机房增加发射机，或者增加天线就需要开发新的天线交换系统。采用基于FPGA和单片机MSP430的短波天线交换系统是根据我台甲机房天线交换开关控制的需求，自主研发的新型天线交换开关控制系统。该系统与采用PLC控制的天线交换系统相比较，功能更强大，针对性更强，可以根据发射机房的实际需求，结合机房天线交换开关的数量，在人机接口单元自主设置发射机到天线的路由，动态增减天线交换开关，无需第二次开发。系统设置完成并重启系统后，系统即刻对新的天线路由、天线交换开关、天线的一些状态进行监测，通过人机接口单元，将发射机房带周期的运行图，天线交换开关状态及天线路由上传到发射机房运行监控系统。机房运行监控系统再通过无线局内网与发射台台平台实现实时数据交换，融入无线局智能调度体系，达到全局范围内的监智能化控制和数字化监测。 2 天线交换开关控制系统框图

图1 天线交换开关控制系统框图

控制系统主要由系统控制板 FPGA和单片机MSP430、输入/输出板、显示/操作面板、人机接口单元和矩阵开关组成。控制系统以FPGA及单片机MSP430作为系统核心控制器件，FPGA完成天线交换开关位置、状态、故障数据的采集和预处理；MSP430根据上位机或控制面板发送的操作指令进行天线路由的解算，将解算结果发送给FPGA以控制天线交换开关的转动，将天线交换开关转到所需的天线上，通过人机接口单元实现天线交换开关的远程控制和远程监测；输入/输出板：通过控制继电器的合断完成矩阵开关输入/输出信号的隔离及驱动；显示/操作面板：主要完成本地操作及通路显示；矩阵开关：完成天线通路切换。2.1天线控制系统组成2.1.1 可编程控制器FPGA可编程控制器FPGA使用的型号是XC3S500E-PQ208，它是可编程ASIC器件，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高；丰富的触发器和I／O引脚，可实现较大规模的逻辑电路，编程也很灵活，采用VHDL硬件描述语言完成；适用范围宽；是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件, FPGA通过接收到单片机下发的控制命令后，发出相应的控制信号，完成各个矩阵开关的倒动控制。2.1.2单片机MSP430F1611系统采用的单片机是MSP430F1611，此单片机是MSP430系列超底供耗16位混合信号处理器，工作电压为1.8V-3.6V，通常设计工作电压为3.3V；16位RISC结构，125ns指令周期；内置3通道DMA，并拥有6组I/O端口，可根据需要设计为中断端口；12位A/D带采样保持和双12位D/A同步转换，片内具有硬件乘法器和10进制运算器，极大的提高系统算术运算能力；带有2个串行通信，USART0和USARI1接口；拥有10KB RAM空间和48KB FLASH存储器。单片机通过RS485和上位机按照115200的速度进行通信，将各矩阵开关状态及倒动信息上传给上位机，同时接收上位机下传的控制命令到FPGA。倒动时单片机读取FPGA内上传的各矩阵开关独立倒动命令后，先进行通路判断汇总，按照发射机对应天线的操作命令，找出最合理的通路，并将通路内需要倒动的各开关发送到FPGA内完成选择及倒动操作。同时根据当前状态及控制命令发出相应显示信息到显示控制板。2.1.3显示/操作面板本系统可以甩开人机接口单元独立运行，通过本地显示/操作面板操作和监测，避免因人机接口单元异常而影响安全播出，提高系统的稳定性和可靠性。本地操作面板：本地操作面板主要是完成本地操作所需的按钮及显示，为了直观的显示天线矩阵开关的状态，方便机房人员操作，本地显示/操作面板由四块显示/操作板通过系统总线连接,见图3。每块显示/操作板实现2×4天线矩阵开关的显示和操作。每块显示/操作板结构图如下：

图2 显示/操作板框图

系统总线：由8位数据总线，8位地址总线，1位读写控制线构成，系统主板FPGA通过系统总线读取本地各按钮的有效操作命令，并将当前矩阵开关状态、操作状态等数据发送到显示面板上完成状态显示。

图3 系统总线连接图

CPLD：属可编程控制器，完成操作按钮命令上传及显示数据解析。（1）、记忆各操作按钮的操作信息，并将有效操作信息发送到系统控制板。（2）、解析系统总线来的各种显示命令，完成面板上各按钮及发光二极管的显示，其中操作按钮是通过光电耦合器驱动隔离后完成显示的，发光二极管是通过LM8168B驱动显示的。LM8168B：CPLD按照SPI协议，按照8组，每组8BIT的数据量分别发送到LM8168B,LM8168B按照地址刷新的方式驱动发光二极管完成显示。发光二极管：为完成天线通路的直观显示，系统采用大量发光二极管完成矩阵开关各通路的显示，正常连通状态为绿色，处于高压状态时为红色，如果某个天线矩阵开关正处于切换状态，则通路指示灯按照0.5HZ频率进行闪烁，通路倒动到位后显示为绿色。操作按钮：系统设计2种操作按钮，一种是带灯按钮，主要是发射机及天线的显示及操作，操作时先按下发射机按钮，再按下天线按钮，则系统会自动查找最理想的通路进行倒动；薄膜按钮是集成于电路板上的，每个矩阵开关有5个薄膜按钮，通过按上、下、左、右按钮可以手动操作单个矩阵开关的直通或转向，中间按钮属于启动按钮，当按下此按钮后，当前矩阵开关进行倒动。2.1.4输入/输出板天线开关倒动时，FPGA输出的控制信号，经过输入/输出板的光电耦合器隔离后，控制相应的继电器吸合，从继电器的接点送出24V直流电压送到天线矩阵开关调速器上的电磁离合器，电磁离合器将矩阵开由手动驱动状态切换到马达驱动状态。当矩阵开关接收到直通或转向的控制命令时，调速器将单项交流220V转换成交流3ф380V送到矩阵开关的马达上，驱动马达正转和反转，完成天线矩阵开关直通或转向的倒动。当天线矩阵开关直通或转向倒动位后，从其直通或转向的付接点返回一个24V直流到位信号，送到输入/输出板使相应的继电器吸合，经过输入/输出板光电耦合器隔离和电平转换后，一路返回FPGA另一路送到显示操作面板显示当前天线矩阵开关的状态。（注：因矩阵开关均处于高频、高压的环境下，为保证系统安全，在天线矩阵开关出现打火及雷电等因素时能够保护控制系统，所有输入、输出信号均用继电器和光电耦合器与FPGA进行隔离。以保证FPGA的安全）。2.1.5人机接口单元人机接口单元（上位机）提供友善的监控界面，接收发射机房运行监控系统下发的周期运行图，按周期运行图发出天线交换命令，并对天线交换系统的运行状态进行监测；出现异常时，按预定的设置进行故障报警和故障诊断。系统控制板由FPGA和单片机MSP430组成，它是天线交换系统的核心，通过RS485接口协议与人机接口单元进行通信，实时上传天线矩阵交换开关的状态信息，接收人机接口单元下发的命令。天线交换系统的主界面显示的数据包括：天线通路、天线矩阵开关状态、发射机状态、天线状态、天线交换操作时间、远程/本地状态、自动/手动状态、供电和串口通信情况。当发射机和天线形成通路时，用绿色表示；通路处于高压状态，则用红色表示。在手动工作模式下，在主界面上就能够完成发射机到天线、单一天线到矩阵开关的倒动。值班员可以通过倒动相应的天线矩阵开关，由系统根据预设的天线交换原则，自动选择路由，完成发射机天线的切换。远程和自动控制是天线交换系统的默认运行方式，天线交换系统自动接收机房运行监控系统下发的带周期的运行时间表，并按周期运行时间表实现对天线交换开关的自动控制，实现智能调度。2.1.6矩阵开关矩阵开关控制信号由人机接口单元按周期运行时间表自动生成，或直接点击控制面板上的本地操作按钮产生，系统控制板经过逻辑判断后，通过输入/输出板控制矩阵开关机械传动装置，实现发射机转接不同天线的需求。本系统所使用的是北京地球站生产室内矩阵交换开关，每个室内矩阵交换开关使用一个OMRON公司的调速器，它能将输入的单项交流220V转换成交流3ф380V送到矩阵开关的马达，驱动马达正转和反转，完成天线矩阵开关的倒动。倒动时采用160W三相异步电动机，经二级变速后通过槽轮机构带动主轴转动，完成开关的切换。每次切换时间只需4.8秒左右。自动/手动切换采用电磁离合器，操作方便，安装在室内，不受气候、地域的影响，维护方便、可靠性高。 3 系统的主要功能3.1手动、自动切换工作模式可分为手动操作和自动控制，机房值班人员可通过本地操作按钮或上位机主界面进行手动、自动工作模式切换。在工作模式之间相互切换，不会改变天线交换系统的运行状态。3.2手动控制手动操作天线交换开关有两种方式：直接点击上位机主界面上的某一天线矩阵开关，进行天线矩阵开关直通或转向的切换；选择发射机和天线，通过路由判断来切换相应的天线交换开关，实现发射机和天线的对应。为防止矩阵开关在倒动过程中出现机戒故障，开关倒动6秒后无到位信号无法返回，则停止倒动控制，并发出声音告警信息。3.3自动控制自动控制是天线交换系统默认工作模式，天线交换系统按周期运行时间表实现对天线矩阵开关的自动控制。3.4运行图管理天线交换系统通过Socket通信协议接收发射机房运行监控系统下发的运行指令，可以选择人工干预或系统自动完成周期运行时间表接收确认。天线交换系统具备人工修改周期运行时间表的功能，机房人员可通过身份验证后，人工修改周期运行时间表，并随时查看当前周期运行时间表。3.5天线路由设置机房人员可在人机接口单元设置多条发射机到天线的路由，并设定优先顺序，作为系统自动运行时自动匹配发射机到天线路由解算的依据。3.6实时监测系统处于带电状态时，实时监测天线矩阵开关的状态、发射机高压状态、天线高压状态，以及系统工作模式。3.7故障报警当发射机无天线或使用的天线与带周期的运行时间表不符；当天线交换开关倒动6秒后无到位信返回；当系统处于自动控制时发射机未按时合断高压系统都会弹出伴有声音报警提示。3.8日志管理天线交换系统的工作日志包括：操作日志、故障告警记录。操作日志记录了对于天线交换系统的所有操作，内容有操作日期、操作时间、操作人员、操作描述；故障告警记录内容有故障日期、故障时间、故障告警描述。 4系统的特点4.1安全性高系统具有完善的闭锁措施，处于高压状态的矩阵开关不能倒动，发射机和天线构成通路后发射机才能合高压。天线矩阵开关的倒动由机械传动装置完成，交流220V电源通过空气开关分别对各个天线矩阵开关供电。当天线矩阵开关倒动异常时，断开相应电源的空气开关即可。在本地显示/操作面板有闭锁钥匙，检修天线时拔出相应天线的钥匙，该天线到发射机的通路将被锁定，发射机将无法启动高压控制。4.2 路由设置灵活根据天线矩阵开关的结构，发射机到天线的路由可由用户在人机接口单元设置，也可以由系统按路由行程最短，在不影响其他设备运行的原则下自动生成。系统在自动运行过程中，按路由顺序自动匹配合适的通路。4.3 监测功能完善、操作简便人机接口单元的界面简单直观、全面实时监测天线交换系统的状态，提供完善的操作提示、异态告警和故障提示。通过本地显示/操作面板上的按钮指示灯和通路指示灯，也可以了解天线交换系统的状态。系统的所有操作，都可以通过点击鼠标完成，不需要做任何特殊的设置，操作简便，易于日常维护。4.4 提供软硬件通讯接口系统提供软硬件通讯接口，可以通过此接口接收发射机房运行监控系统下发的运行指令，并上传设备状态信息给发射机房运行监控系统。4.5 抗干扰能力强、稳定可靠性高系统充分考虑了发射台电磁环境下的屏蔽措施和网络安全隔离机制，数据采集过程添加了光电隔离电路，以高电平采集开关量信号。4.6 兼容性强、易于扩展系统以24×24的全矩阵结构设计，易于扩展功能、方便增加新的天线矩阵开关。各控制单元相对独立，更换其中任何一部分，不影响其它部分的正常工作。 5结束语系统充分应用了MSP430单片机和FPGA特性,降低了硬件电路的设计复杂度，提高了性能、增强了灵活性，有效实现了抗干扰能力强、运行稳定、操作简便、控制准确等所期望的功能，在我台150kW短波发射机房经过两年多的运行和使用，系统稳定，效果良好，达到了预期的目的。 编辑：中国新闻技术工作者联合会