TBH522发射机自动调谐系统自动化改造
黄绍光
(国家广电总局501台)
1. 前言 我台甲机房四部TBH522发射机原来的自动调谐系统是北广生产的，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，来实现对发射机自动调谐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许多接触不良的现象,这样系统的故障率就增加,可靠变性差,维护量增大。用基于EDA技术的可编程控制器FPGA-XS30/PQ240和单片机对发射机自动调谐系统进行自动化改造，完成发射机自动调谐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板，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/输出信号都用光电耦合器进行隔离。 2. 自动调谐系统 系统框图如图1所示。整个自动调谐系统由单片机89C52和高级门阵列可编程控制器FPGA-XS30/PQ240、时钟控制器12C887，32KRAM，32KEEPROM组成的自动调谐主板和2块模拟采集板，调谐控制板，面板显示板构成。
2.1模拟采集板
一共有2组，用于发射机模拟量的采集。模拟采集1是采集1-8路调谐原件位置的模拟量，采集后的数字信号经过主板采集区的74HC373送入FPGA进行处理，实现自动调谐。模拟采集2是采集高末帘栅流、高末屏流、高末帘栅压、高前屏流、高末栅流、高末屏压和入射功率、反射功率8路模拟量，将采集后的数字信号经过主板采集区的74HC373送入FPGA进行处理，作为自动调谐时表值判断及表值指示用。电路图如图2所示。 输入到模拟采集板的信号先经过滤波隔离放大后送到AD574进行模/数转换，通过74HC373对模拟采集板1、模拟采集板2进行接口后，将模拟采集的数据端的24位数据量送到FPGA进行处理。在使用和维护过程中，若发现AD574坏，在更换模拟采集芯片AD574时一定要调整AD574旁边101和104K的电位器，使更换的AD574和其他路的采集数据量一致，调整方法是同时对8路加同一电压，将新换的采集数据量调整了和新的一致。 2.2调谐控制板 调谐控制板主要是将自动调谐主板发来的各种信号进行处理后送到8路伺服放大器，控制8路伺服放大器进行粗调和细调。 它主要由10片AD558和2片74HC373构成， AD558将自动调谐主板发来的8位数字信号通过4位总线控制信号片选后输出10路模拟量，其中1-8路通过分配放大器LM353分配放大后输出到伺服放大器，控制1-8路伺服倒动，手动状态时，粗调和细调控制都从这一位置发出，。第10路是输入到10K可调电位器，和-12V电压调整后输出作1路细调修正控制信号。12路和11路由74HC373锁存处理，用来控制3路和5路细调修正控制，自动调谐主板来的8位数据信号和4位总线控制信号，经过74HC373锁存后输出给三极管C1815，驱动16个继电器，并通过继电器的吸合来控制修正继电器区的3路和5路的细调修正电阻，修正电阻的阻值依次是20欧、40欧、80欧、160欧、320欧、640欧、1280欧、2560欧，一共有256个档位，电阻可调范围从0欧到5120欧，以便实现对3路和5路进行线性修正。 2.3自动调谐系统主板功能说明 自动调谐系统主板示意图如图3所示。 自动调谐系统主板的主要作用是将所有输入信号进行处理后控制8路伺服放大器，对发射机的各个状态进行粗调及细调，同时根据各个状态发出相应的控制及封锁信号，并和人机接口单元进行通讯。 （1）开关量输入：主要是将发射机输入的开关量信号（高低电平信号）先通过T521-2光电耦合器隔离后，再送到FPGA进行各种逻辑运算，开关量的输入主要器件是光耦TLP521-2，典型电路如图4所示，当输入低电平时，光耦导通，输出端为低电平。 （2）开关量输出：开关量输出作用是将FPGA的输出通过T521-2光电耦合器隔离后控制外界高低电平，一共有30路，主要是输出开关量信号去继电器板和发射机的封锁控制。主要器件是光耦TLP521-2。典型电路如图5，当FPGA发出低电平时，光耦导通，输出低电平控制信号， （3）综合区：此区域是FPGA输出通过74HC14驱动后送到相应的控制信号的区域，有3个部分，分别是调谐控制DATA，模拟采集片选控制，面板显示DATA。调谐DATA分2组，分别是8位数据输出端和4位总线输出控制端，输出到数模转换板，控制数摸转换AD558和2组细调修正继电器（DS2Y-S-DC12V）完成粗调及细调控制；模拟采集片选控制有2组共8位数据，送到2块模拟采集板，分别控制2块模拟采集板上各路模拟量的片选和高8位数据有效、低4位数据有效；面板显示DATA共分2组，分别是8位数据输出端和5位总线输出控制端，送到自动调谐单元面板作面板显示及按钮指示灯用。 （4）中央处理区：是自动调谐主板的中心区域，FPGA完成所有逻辑运算，89C52作数据处理，单片机AT89C52主要负责完成调谐控制数据的读取和控制，并通过RS232接口向上位机进行数据通讯。单片机内部存着调谐系统的程序，系统加电后自动运行。EEPROM-AT28C256主要存储自动调谐系统所有粗调、细调控制数据，以及4路辅助接点的控制信号、8路伺服高限位信息和低限位信息、表值调谐范围信息等。单片机接收上位机下传的粗调数据和细调修正信息，将数据存储在AT28C256，在工作时，单片机根据信道号和监测频率访问AT28C256内部存储的调谐信息进行控制8路伺服的倒动及辅助接点的控制。判断此芯片的好坏是看能否正常存储和读取调谐数据。DS12C887此芯片主要提供1K的时钟去FPGA，做FGPA内部信号处理的基准时钟，加电后，单片机将控制脉冲信号的数据下传到DS12C887，DS12C887根据下传数据，发出相应的频率。高级门阵列可编程控制器FPGA-XS30/PQ240是所有逻辑控制的核心，控制着所有的调谐逻辑及模拟采集，程序存在内部RAM中，加电后自动读取EPROM-17S30PC内存的程序，掉电后消失。EPROM-17S30此芯片是FPGA-XS30/PQ240专用程序存储器，不可擦除，加电后在1秒内自动将程序写如FPGA-XS30/PQ240，程序写入成功后将停止工作。32KRAM提供自动调谐系统数据的临时存储，在掉电后将丢失所有数据。 （5）面板显示板 此区域主要是通过74HC14将FPGA输出到面板显示的信号进行驱动放大，其信号结构是8BIT数字信号和5BIT地址信号，分别控制着自动调谐面板及带灯按钮的显示，见图6。 3系统控制方式 在不改动原来发射机所有伺服马达和伺服放大器的前提下，按照自动跟踪的调谐方式进行。发射机自动调谐控制方式有手动、半自动、自动、预置、远程控制五种控制模式，它的控制方式由控制单元决定，当控制单元处于自动模式时，发射机自动调谐系统处于程控状态，只有当控制单元处于手动模式时，自动调谐单元的其他4种控制方式才有效。 3.1手动控制模式 手动控制模式是通过操作面板上的按钮来进行操作的，在手动调谐时，自动调谐系统的内部判断逻辑不起任何作用，发射机的调整完全依靠人的判断。 伺服的倒动：在伺服不限位的前提下，粗调时可对任何一路伺服进行倒动，在前级细调时可对1路进行任意倒动，在末级细调状态时，可对3路、5路进行任意倒动，其倒动是通过手动选择所需倒动的路数，旋转光编码器来进行倒动，其倒动方向和速度完全由光编码器决定；短路细调伺服允许倒动信号后，在细调状态时，除2路伺服不可倒动外，其他7路伺服都是可以倒动的。 手动控制模式无论发射机处于任何状态，都可任意将系统切换到粗调、前级细调、末级细调、电平转换、准备播音状态。当处于粗调状态时，腔体接点一直打开，处于其他状态时，腔体接点均合上。 手动状态时，衰减器处于手动控制模式，其他所有状态，衰减器都处于自动控制模式。 在手动控制状态时，尽量少将系统处于粗调状态，因处于粗调状态时2路的腔体气泵接点一直是打开的。在进行模式切换时，尽量不要让发射机处于大失谐状态。 3.2半自动控制模式 半自动是通过手动控制各个状态、其调谐信息由调谐单元自动生成，系统根据信道号或分频段的方式从EEPROM内找到粗调数据和细调数据， 粗调状态：可同时对8路伺服或其中某一路进行倒动，按下允许调谐按钮，系统将根据8路伺服的粗调数据进行倒动；当按下8路中任何一路按钮时，系统将对所选择的路数进行倒动。在此状态时，根据监测到的频率自动控制4个辅助接点的合、断。 前级细调状态：在8路伺服粗调到位2秒，腔体接点合上后2秒，同时高压接点合上后才允许切换到前级细调状态，当切换到此状态时，发出粗调完成信号，开通宽放、衰减器、PSM调制控制器；当射频封锁信号解除后，发出切换高前栅偏压，在此状态时只能对1路进行倒动，倒动时可通过允许调谐按钮或1路选择按钮来进行。 末级细调状态：在前级细调完成后1秒，才允许切换到末级细调状态，在此状态时只能对3路、5路进行倒动，倒动时可通过允许调谐按钮或3路、5路选择按钮来进行。 电平转换：在末级细调完成1秒后放可切换到电平转换状态，当系统切换到电平转换状态时，发出细调完成信号，将发射机由调谐功率切换到低功率状态，此时可通过保护单元的低功率、高功率按钮来控制发射机的功率状态。 开始播音：当电平调整完成1秒，衰减器调整正常后，允许切换到开始播音状态，当切换到开始播音态时，系统将开通音频，进入播音状态。 3.3信道预置模式 信道预置是由操作面板上的信道号控制按钮来决定的，按下操作面板上的信道号控制按钮进行信道号的选择，按下粗调按钮时所选择的信道号生效。调谐数据的提取和整个调谐过程和半自动相同，只是半自动时数据信息是由控制单元发出。 3.4自动模式 此过程控制数据的提取和半自动相同，各个状态的切换条件也和半自动相同，只是此状态的所有操作都在只按下允许调谐按钮后自动进行。 3.5程控模式 此状态是全自动播音的状态，此时面板所有操作按钮除能切换8路伺服的显示外，其他操作都是无效的，当控制单元处于自动状态时，自动调谐单元将处于程控状态，控制单元根据运行图或人机接口单元向自动调谐单元发出信道号和相应的调谐信息，自动调谐单元将根据控制单元所发出的指令进行全自动操作控制，其控制的所有逻辑条件和半自动相同。在控制单元检测到天线到位，功率模块正常后发出细调允许信号，自动调谐单元才能由粗调状态切换到细调状态，进行前级细调和末级细调；在前级细调完成时，监测前级屏流，末级栅流，若不在设定范围，则中断所有操作，同时发出告警；若故障消除，将继续进行操作控制，在末级细调完成后，监测末级帘栅流，末级帘栅压，末级屏流，末级屏压，输出功率，反射功率，若其中任何一个不在设定范围则中断所有操作，发出告警，若故障消除，将继续进行操作控制；在进入电平转换时，发出功率切换，通过保护单元将发射机由低功率切换到高功率，同时根据内部设置的功率信息，发出升降功率信号，通过保护单元将发射机的输出功率控制到设定值。在除粗调外的所有状态都监测频率合成器的状态，若频率合成器输出频率不对则发出告警。 3.6调谐功能说明 （1）手动控制方式 为方便手动模式的调谐，采用光电编码控制伺服的转向和速度。在倒动时，FPGA根据光编码器所发的脉冲信号（光编码器顺时针旋转时加，逆时针旋转时减），将此信号经过数模转换后送到伺服放大器的反向端作为基准信号和伺服放大器同相送来的随动电位器信号相比较后对伺服电机进行控制，光编码器旋转快时，在伺服放大器上产生的误差电压大，伺服马达倒动快，反之倒动慢。见图7。 （2）手动外的其他方式下粗调控制 在手动控制以外的其他工作模式时，单片机89C52根据控制单元所发出的信息读取EEPROM内的调谐数据送入FPGA后，经过数模转换后输入到伺服放大器，和伺服放大器的随动电位器信号进行比较后控制伺服电机正、反转进行调谐，在调谐过程中当伺服调整到位后伺服放大器送出到位信号给FPGA。在倒动时，为了减少电感在倒动时产生的机诫误差，确保2路、6路和8路调谐元件无论是从高频端到低频端还是从低频端到高频端，最终都是从同一个方向到位，在原倒动位置的基础上先减少50个字后又倒回到原来的位置，见图8。 为保证了热播频率和短波频段内的所有频率都能找到粗调调谐数据，以及针对相同的频率不同天线还可设置不同的调谐数据。EEPROM内按照信道号和频段两种方式进行粗调数据存储、功率设置、细调补偿数据等。若信道号为0时，系统将根据所监测的频率按照频段的方式进行控制，从3M到26M分别设置每100K为一档，共设置230个点；若信道号大于0小于99时根据对应信道号的调谐数据进行控制。在粗调控制时，系统根据内部存储的粗调数据对伺服马达进行控制，所有伺服在到达位置后延时1秒钟，以保证伺服能充分到位。细调控制 细调时调谐和调配时仍然按照自动跟踪调谐的方式进行，同样使用了前级鉴相器、末级鉴相器和末级鉴阻器，但因鉴向器线性不好，对不同频率的取样信号不一致，在进行细调控制时，系统根据内部存储的补偿信息分别对1路进行加性补偿，3路、5路按照线性补偿，对7路则采用模拟人工调谐方式。如图9。 前级细调时，系统按照高前鉴向器取样来的信后进行加性补偿后输入到伺服放大器和地电平进行比较，当输入到伺服放大器的信号电平为0V时，则前级细调完成。见图10。 末级细调时的调谐顺序是先对3路进行调谐，当3路调谐到位后1秒再对5路进行调载，若5路在调载过程中3路出现不到位时，延迟1秒后，又返回到3路进行调谐，如此反复调谐，直到3路、5路都到位时，对7路进行调整，当7路调整到位后又返回3路，5路在次进行调谐，当3路，5路都到位后，末级细调完成。3路，5路的调谐结构都一样，采用线性补偿的方式进行，其补偿结构图如图11： 对7路则采用模拟人工调谐的方式进行调谐，以反射功率最小为基础对高末匹配电容进行调谐。因模拟采集板的采样速度为16微妙，采样精度为0.025%，最终调谐结果比人工调谐效果要好得多。在细调完成后按照所存储的信息自动控制输出功率的大小（全自动模式时用，图12）。 4. 调谐告警 （1）粗调状态时若粗调时间超过100秒还没到位则发出告警。 （2）细调状态时： ①当调谐时间超过35秒将发出告警。 ②若监测频率和内部存储的频率超过5K时，发出告警。 ③若1、3、5路的细调伺服超过设定范围时发出告警。 ④细调表值判断，此判断只用于程控状态，在调谐过程中监测各个状态的表值，若表值不在设定范围内时，则停止所有操作，同时发出告警。 ⑤前级细调：在前级细调完成后判断高前屏流和末级栅流是否在设定范围。 ⑥末级细调判断：在末级细调完成后，判断高末帘栅流，高末帘栅压，高末屏流，高末屏压，是否在设定范围，同时判断输出功率是否高于设定直，反射功率是否低于设定植。 5. 结束语 甲机房四部TBH522发射机自动控制系统数字化改造2006年5月开始改造，到在2009年改造完成使用至今，整套系统工作稳定，完全实现单机自动操作，为以后信息化平台的建设和有人留守、无人值班的工作方式打下了良好的基础。系统使用至今未出现一次由于自动调谐系统故障引起的停播。
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