基于ARM的N+1自动切换控制系统的设计

党宏社， 姚 勇， 张新院

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

为了避免发射机故障造成停播事故，大多数发射台播出系统都采用主机+备机的工作方式.传统的发射机备份采用一台主用发射机配一台备机的方式，随着需要播出节目的增多，该方式每套节目需两部发射机，无疑将增加设备的投资.同时这种备份方式的备机利用率低，且设备维护量大[1,2].

随着发射机技术的发展，全国发射台的多数调频节目已基本上都采用全固态调频发射机，全固态调频发射机可以发射全频带任意一个频点的节目，这使得设计N+1播出系统成为可能，即多台发射机共用一台备机[1,3].这种方式不但能达到主用发射机故障不停播的目的，而且减少了备机设备的投资和维护量.但目前全国的发射台投入全自动N+1播出系统的不多，并且N+1自动切换控制系统实现方式也不尽相同，新光N+1发射控制系统[2]，以工控机为控制器，信息获取需依赖发射机自带的微机控制；吉兆调频N+1自动切换控制系统[3]，以PLC为控制器，为每部发射机配备了专用的测控模块.上述控制系统可靠性高，但系统成本也很高.为了克服这些控制系统中存在的系统成本高，和对发射机自带的微机控制有依赖的缺点，提出了利用多颗嵌入式微控制器实现备机切换的信息采集与控制，以达到在主用发射机故障时，能够快速安全地让备机代播，保证节目的优质播出.

1 控制系统的总体设计方案

1.1 控制要求

控制要求包括[1,3]：(1)监测主备机的运行状态；(2)根据预先设定的倒备机条件，判断出故障机并实施倒备机过程；(3)响应远程上位机的命令，实现对N+1播出系统的远程监控；(4)要有联锁保护功能，保证设备安全；(5)倒备机要尽可能的快.

1.2 倒备机原理

N+1播出系统中的N表示播出的节目数，1表示备用发射机.以N=4，播出4个调频节目为例，图1是一个4+1播出系统的连接示意图[1，2].

图1 4+1播出系统连接示意图

如图1所示，当主用发射机正常时，主用发射机的输出至天线，备机通过同轴开关连接至假负载.当任意1台主用发射机故障时，4+1自动切换控制系统通过控制配备的同轴开关，来倒换主备机输出端的连接关系，使备机输出至天线，故障机输出至假负载；通过向音频矩阵切换器下发切换指令，将代播节目切换至备机音频输入端；通过向备机的激励器下发载波频率切换指令，将备机的输出频率设定为故障机的播出频率.

1.3 控制系统总体方案

本系统采用了一种基于多颗嵌入式微控制器的控制方案，该方案将控制系统功能划分到不同的子控制单元中[4]，功能分配表如表1所示.利用重新配备的智能I/O测控模块，使系统对发射机自带的微机控制没有依赖，以提高系统的可靠性；利用高速数字CAN通信，减少交换信息的时间，从而减少倒备机时间；利用开发灵活、低成本的嵌入式技术，来降低控制系统成本[5].

表1 各控制单元功能分配表

以4+1自动切换控制系统为例，该系统的总体框图如图2所示，由主控单元、4+1个智能I/O测控模块和触摸屏模块组成，主控单元与智能I/O测控模块通过CAN总线交换信息.主控单元与触摸屏通过触摸屏接口交换信息.

图2 4+1自动切换控制系统总体框图

2 控制系统的设计与实现

系统中的触摸屏模块选用迪文工业串口屏DMG80480S70-01WT,该屏提供的开发指令丰富，能够满足系统人机交互需要.

系统的核心组件是主控单元和智能I/O测控模块.各控制单元都要有CAN通信功能、数据存储功能，并且要求较高的数据处理速度，同时为了缩短开发周期，各控制单元选用了型号相同的微控制器.

经过调研比较，嵌入式微控制器芯片选择为STM32F103VC，该芯片为32位ARM核微控制器，含有丰富的片内外设，包含设计中所需的CAN控制器、SPI接口、I2C接口、3路串口、12位AD转换(3个模数转换器，多达21个通道)；内含256KFLASH和64KSRAM，满足程序设计需要.

2.1 主控单元的设计

2.1.1 硬件设计

主控单元完成的是对监控信息的管理，根据表1，设计了基于STM32F103VC的主控单元，硬件框图如图3所示，主控单元包括CAN通信接口、以太网接口、1路RS-232/485(跳线可选)的通信接口、触摸屏接口以及存储模块.

图3 主控单元的硬件框图

CAN通信接口是由微控制器内置的CAN控制器、通信隔离芯片ADUM1412、CAN收发器TJA1050和DB9插座依次连接组成；以太网通信接口是由SPI接口的以太网控制芯片ENC28J60、内嵌以太网变压器的RJ45插座HR91105A依次连接组成；RS-485/232通信接口是由微控制器内置的串行接口、通信隔离芯片ADUM1412、MAX485/232通信收发器和DB9插座依次连接组成；存储芯片选择为2片I2C接口AT24C1024B，总容量为256 K字节；触摸屏接口与迪文触摸屏模块相连.

2.1.2 软件设计

软件设计采用模块化的设计方法，主控单元软件包含的模块有：CAN通信模块，获取所需的倒备机信息，下发开关机指令，下发同轴开关切换指令；倒备机控制模块，判断哪路节目需要代播，并控制倒备机过程的实施；触摸交互模块，完成系统参数的设置和N+1系统状态的实时显示；存储模块完成切换条件等系统参数的存储；与上位机通信的网络/串口通信模块，实现对N+1播出系统的远程监控.

在此主要介绍倒备机控制模块，其它软件模块都是较常见的模块，可参考相关文献实现.倒备机控制模块的流程图如图4所示，主控单元根据获取的信息，判断并启动倒备机过程，按照切换时序，通过控制与各组件的通信过程，发送相应的切换命令来控制整个倒备机过程.与其配合的控制组件在完成指定命令后，会回送相应执行结果信息，主控单元再根据回送信息，来决定下一步切换动作.

图4 倒备机控制流程图

2.2 智能I/O测控模块的设计

智能I/O测控模块是根据发射机的取样接口、判断倒备机信息以及使用的同轴开关设计的，它以STM32F103VC为微控制器，设计了8路AI、7路DI、8路DO与发射机取样接口相连(有余量)，实现对倒备机信息的采集与发射机的自动开关机；设计了6路DI、3路DO与同轴开关的取样接口相连，实现对同轴开关的控制.

2.2.1 硬件设计

(1)模拟量输入通道

发射机取样接口的模拟量电平是0～5 V，微控制器的AD转换器只能转换0～3.6 V，需要调理电路将5 V降至3.6 V.被测模拟量经过∏型低通滤波(截止频率48 Hz)，防止工频干扰；再经过LM324组成的两级反向放大电路将(0～5 V)降至(0～3.6 V)，输入至微控制器的AD转换器.

(2)数字量输入通道

被测数字量经过TLP521光电隔离后，再通过带施密特触发器的反相器74HC14将波形整形，连接至微控制器的I/O端口.

(3)数字量输出通道

为了增加微控制器端口驱动负载的个数，在微控制器的I/O端口与负载驱动电路之间增加了IC缓冲器.微控制器输出的数字量经过74HC14后，通过TLP521光电隔离，再通过三极管(9013)驱动继电器(DS2Y-S-3DC)输出至控制接口.

(4)手动控制与状态显示

手动控制设置了一个手/自动控制选择开关和两个手动操作按钮，控制同轴开关正/反转；状态显示用来反映同轴开关的连接状态，同轴开关中的位置开关的闭合/断开，来控制4个绿色LED的亮灭.

2.2.2 软件设计

智能I/O测控模块的软件包括CAN通信模块、同轴开关联锁切换模块、数据采集模块、系统参数存储模块和自动开关机模块.CAN通信模块和存储模块与主控单元类似，数据采集模块和自动开关机模块与发射机机型相关，实现起来相对容易，在此，主要介绍同轴开关联锁切换模块.

同轴开关联锁切换模块的软件流程图如图5所示，该切换控制具有手/自动两种工作方式.在手动方式下，通过继电器控制电路实现手动控制，这样使得同轴开关联锁切换模块的手、自动方式互不影响，增加系统的可靠性；在自动模式下，通过CAN通信接口，接收主控单元发出的倒备机/恢复主机命令.判断备机代播和故障机关机的联锁信息，当连锁正常时，驱动同轴开关的电机转动，以保证在故障机功率已降且无备机连接天线的条件下，完成倒备机过程，从而保护同轴开关和主用发射机；当备机成功连接天线时，输出允许备机开机连锁信息，以保证备机成功连接天线，才能升备机功率，从而避免损坏备用发射机.

图5 同轴开关联锁切换流程图

3 结束语

设计了一种基于嵌入式微控制器的N+1自动切换控制系统,利用嵌入式微控制器，降低了系统的成本；利用智能I/O测控模块，使系统对发射机自带的微机控制没有依赖，提高了系统的可靠性；利用高速CAN通信总线作为信息交换的途径，减少了获取监测信息的时间；采用多控制器系统结构，使系统各组件模块化，能够很好地适应不同机型的发射机.该N+1自动切换控制系统具有成本低、可靠性高、适应性好等特点，具有推广应用价值.

[1] 蒋红安.调频广播发射机N+1播出系统简介[J].广播电视信息, 2007,14(8):48-50.

[2] 成都新光微波工程有限责任公司.新光N+1电视发射机系统说明书[EB/OL]. http://www.catvmmds.com/DownClass-3-1.html, 2010-01-22.

[3] 杨 凯.调频发射机N+1自动切换控制系统设计[J].电视技术, 2006,29(12):77-78.

[4] 寇 强,党宏社.3 kW调频广播发射机微机控制器的硬件设计[J].计算机测量与控制,2008,16(7):964-966.

[5] Tammy Noergaard著.马洪兵译.嵌入式系统硬件与软件架构[M].北京:人民邮电出版社,2009.