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莫 磊
国家广播电视总局2023台
海南省 临高县 571837
【摘要】本文介绍了全国应急广播短波发射机水温监控系统和真空器件计时系统的软、硬件设计思路，并应用编程语言C和C#进行了研发，最终在短波发射机上实现了无纸化真空器件播音时间的查询应用和管理以及发射机水温的实时监测和水温保护开关的控制。
【关键词】应急广播短波发射机计时系统水温监控
【中图分类号】TN838
【文献标识码】B
【文章编号】2096-0751（2020）05-0009-11
【发布期刊】2020年第5期第41页
前言
传统的短波发射机采用的水温保护开关，设定的保护阀值65℃，但该开关采用机械动作工作方式，容易受潮腐蚀，且开关的误差达到±5℃，因此发射机播音过程中水温开关容易因误差过大误操作从而使发射机掉灯丝；另外发射机对水温监测使用的还是机械化的水温表，该类表不仅误差大，随着使用时间过长，还很容易损坏或生锈腐蚀导致指示不准，为自动化系统提供了错误的实时数据，而且机械水温表需要定时更换，这样会造成很大的资源浪费，也不能及时发现水温的快速变化。发射机水温监控系统通过使用显示型温度变送器替换机械水温表并辅以软件监控，不仅能显示准确的水温，而且由于采用光电隔离技术，具有抗干扰能力强、反应灵敏、速度快、可调节等优点，运行相对稳定可靠，还为自动化系统提供了准确可靠的数据和预判告警功能。
短波发射机的灯丝、高压计时器使得机房人员能够更好的了解真空器件在发射机上的使用情况，保证了安全播出。但由于原计时器存在以下缺点：抗干扰性差，容易出现乱码；计时数据易受其自身电池的影响，当电池耗尽时，计时数据也将丢失；无背光显示，光线暗将很难看清显示的数据。这些缺点不仅增加了机房的维护工作难度，也增加了机房人员在后期统计真空器件使用时间上的工作量。新的计时系统能够克服旧计时器的缺点，很大程度的减少了机房的维护工作和统计工作，降低了出错的概率。
1水温监控系统
1.1整体设计
水温传感器对水温进行测量，然后将测量到的4～20mA电流信号经过模拟量信号隔离器（一进两出型）转化为0～10V电压信号，一路送给发射机自动化的PLC系统，一路送给改进后的水温开关，水温开关通过模拟量信号隔离器送来的电压信号大小进行转换，将电压信号还原成水温数据，通过将水温数据与预设好的水温阈值数据进行比较，判断发射机的入水水温是否过高，是否给发射机的CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）系统提供一个24VDC的开关信号来使发射机进行温度过高保护。如图1所示。
1.2硬件设计
水温开关主要由电源（电压模拟量）、信号滤波（二阶压控LPF）、信号电压调节（AD8275芯片）、模数转换（ADS1115转换器）、主控（STC主控）、继电器、主控复位及主控状态监测（MAX813L芯片）、指示灯、温度阈值选择（拨码开关）等9个模块组成，如图2所示。
1.2.1电源模块
水温开关的供电为±12V直流电源，经过滤波稳压后，送给信号电压调节、模数转换、主控、继电器、主控复位及主控状态监测、指示灯、温度阈值等模块电路，如图3所示。
1.2.2信号滤波及信号电压调节模块 输入的模拟信号通过一个二阶压控LPF进行滤波后送至AD8275，AD8275能够将±10V的信号电压转换成0～4.95V的信号电压。通过AD8275对模拟信号的电压进行调整后，将模拟信号的电压转换至ADS1115能够接受的电压范围内，如图4所示。1.2.3模数转换模块 水温开关使用的模数转换芯片为ADS1115，其具有宽电源范围（2.0V～5.5V）、低功耗、高精度、内部具有低漂移电压基准等特点。ADS1115对模拟信号进行模数转换后，将数据通过IIC总线送至主控，供主控进行分析，如图5所示。 1.2.4主控模块 主控模块就像是水温开关的大脑，主要负责读取ADS1115转换后的电压数据，将电压数据转换成对应的温度数据，通过与预设的温度阈值进行比较，给发射机的CPLD送去相应的开关量信息。水温开关的控制核心采用ST公司生产的STC15系列的单片机，型号为STC15W201S，其具有可编程、抗干扰能力强、不需要外部晶振、速度快、高可靠、价格低等特点，如图6所示。
1.2.5主控复位及主控状态监测模块 主控复位及主控状态监测模块所使用的芯片为MAX813L，能够对电源电压进行监测，如果电源电压不正常时能够对主控进行复位。其内部还有一个看门狗电路，如果主控在一定时间内不进行“喂狗”操作，则MAX813L将会对主控进行复位，这起到了对主控运行状态的监测，避免主控程序跑飞，如图7所示。 1.2.6继电器模块 由于单片机无法直接输出24V直流电压信号，所以需要用继电器进行控制电压转换，如图8所示。 1.2.7指示灯模块 指示灯模块用于显示水温状态是否正常、单片机是否工作正常，如图9所示。 1.2.8温度阈值选择模块 温度阈值选择模块由一个4位拨码开关与外围电路构成，通过电平高低组合成不同的阈值，供用户设置，如图10所示。 1.3软件设计 1.3.1开发环境 单片机使用的编程工具为KeilC51，KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，其提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起，如图11所示。
1.3.2控制流程 当水温开关上电后，单片机内部时钟、输入输出引脚、定时器0（用于定时“喂狗”）进行初始化。初始化完成后读取4个连接4位拨码开关的引脚状态（即高低电平），通过不同的电平组合设置好对应的阈值。执行完上述操作后，单片机重复执行的执行如下操作： （1）读取ADS1115的取样值。 （2）将取样值进行公式换算，得出对应的温度值。 （3）将计算出的温度值与预先设置的阈值进行比较，若温度值大于或等于阈值，则对应引脚输出高电平控制继电器吸合，给CPLD系统送去24VDC开关量信号。若温度值小于阈值，则证明水温正常，返回步骤1继续执行相应操作，如图12所示。
2计时系统 2.1计时系统的硬件设计 计时系统的硬件设计主要是计时器的硬件设计。计时器由电源、主控、CAN通信、按键输入、数据存储、信号输入、LCD显示、LED指示灯等8个模块组成。计时器模块硬件结构如图13所示。2.1.1电源模块 在电源的输入端和电源模块K7803的输出端都串联了一个自恢复保险丝，它们能够在后级电路短路时断开，恢复后导通，从而让电路能够安全的运行。 电源采用大电容并小电容的方式进行滤波，在一定程度上滤除了电源中的噪声。电源的稳压部分采用了金升阳公司的K7803-1000R3型号的DC/DC电源模块，具有宽电压输入、转换效率高、负载保护等特点。该DC/DC电源模块能够将6～36V的直流电源转换成3.3V的直流电源，供计时器使用。原理如图14、图15所示。 2.1.2主控模块 主控采用STM8S系列的单片机，型号为STM8S208C8T6，具有抗干扰能力强、哈佛结构并带有3级流水线的高级STM8内核、丰富的通信接口（SPI、CAN、UART、I2C接口）、低功耗、价格相对较低等优点。主控模块为计时器模块的核心，其主要负责真空器件的计时、信号输入检测、数据存储、CAN总线通信、按键输入检测、控制LED指示灯及LCD显示屏状态信息的显示等工作。原理如图16所示。
2.1.3CAN通信模块 CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）的简称，其具有如下特点：具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成搜索本低等优点；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN总线上，形成多主机局部网络；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。 发射机内部是一个复杂的电磁环境，如何在这种复杂的电磁环境下进行可靠的通信是个需要考虑的问题。结合CAN总线的优点，故采用CAN总线通信的方式作为上位机控制软件与计时器之间通信的方式。该模块为计时器模块提供通信接口，其主要提供对总线的差动收发、增大通信距离、提高抗干扰能力和保护总线等功能。其原理图如图17所示。
2.1.4数据存储模块 计时器的数据存储使用了Atmel公司生产的AT24C02芯片，它是一颗256x8 （2K）bit的EEPROM （Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，带电可擦可编程只读存储器）芯片，其内部能够存储256个字节的数据。主控能够通过I2C总线与其进行通信，将计时数据存入其中，需要时从其中读取出来，其原理如图18所示。 2.1.5信号输入模块 发射机加/断灯丝或加/断高压时，继电器会存在吸合或断开这两种状态，将这两种状态转换成主控可以识别的信号（即高低电平）就可以判断灯丝、高压是“加”还是“断”的状态了。信号输入模块采用了光电耦合器进行信号隔离，在一定程度上降低了外部的干扰，减少了计数器模块的误动作，其原理如图19所示。2.1.6其它模块 LED指示灯模块：采用两颗红绿双色LED灯作为指示灯，其能够指示当前发射机的灯丝和高压的通断状态。按键输入模块：提供计时器灯丝和高压计时数据的手动清零功能。LCD显示模块：采用一块1.8寸的LCD液晶屏模块，其能够进行插拔，便于显示模块损坏后的更换。原理如图20所示。
2.2计时器的软件设计 程序采用轮询和中断驱动的方式进行操作，通过单片机相应的中断，在中断里进行相应的标志位置位，在主循环里通过判断标志位是否置位来确定是否应该执行某些操作。比如定时器每满6分钟（即0.1小时）会进行一次数据存储，其过程为当定时器计满6分钟时，数据存储标志位会进行置位，当主循环轮询到数据存储标志位被置位后，进行一次数据存储操作。 在真空器件的计时上，计时器并非单独为每一个真空器件计时，而是以计时器的时基数据为主，即计时器LCD显示屏上显示的灯丝、高压计时时间。当有新的真空器件信息写入计时器时，计时器会将当前的灯丝、高压计时时间与其一起写入存储器中，当需要读取该真空器件的使用时间时，只需将计时器当前的灯丝、高压计时时间减去该真空器件写入计时器时的灯丝、高压计时时间，即可得到该真空器件的灯丝、高压使用时间了。计时器模块软件流程如图21所示。
3调试与应用 3.1水温监控系统硬件测试 经过一年多的测试运行，水温监控系统运行稳定可靠、指示准确。如图22、表1、表2所示。
3.2计时器硬件测试 计时器的正面和背面如图23、图24所示。通过逻辑分析仪可得到数据如图25、表3所示，通过该图可以看出计时器相对于1s的计时为0.999799750s，精度为99.98%，已满足设计要求。
总结 发射机真空器件计时系统的设计和水温监控系统，在一定程度上增强了台站参与项目人员的软硬件设计调试能力，为台站未来的发展提供“软实力”，将智能化融入广播电视发展中，也为台站后期的技改积累技术经验。 发射机计时系统的设计引入了模块化思想，发射机每个模块既是一个个体，又是发射机的一个不可或缺的部分，它能自主运行，也能与发射机的大脑（主控制器）进行通信，发射机主控制器能够通过通信总线与其进行通信，实时监测模块的状态，也能给其发送指令，让其进行相应的操作。通过这种模块化设计，设备哪个地方出现问题也将能够更快地发现，更快地排除。发射机真空器件在线计时系统只是一个开始，相信经过后期的改进与优化，发射机将会变得更加稳定、智能。 水温监控系统的设计开发，更好的提供发射机水温实时数据和预判告警功能，提高了设备的稳定性，而水温开关通过模块化设置，其保护温度的可设置性使该系统能更好的适用于其他台站，杜绝了因原始水温保护开关存在的大误差性而造成的发射机停播现象。
审稿人：赵峰
内蒙古新闻出版广播影视科研所
正高级工程师
责任编辑：乌日山
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