发射机房控制系统的设计

张志红

摘要：短波发射机的控制系统位于发射机核心部位，它对发射机的开关机及播音运行状态的监控起到关键作用，为发射机状态提供数据和保护措施，在发射机运行系统中意义重大，基于FPGA的控制系统设计与运用，很好地解决了上述各项要求，具有抗干扰性强、工作稳定、功能简便等特点，为未来一体化无人值班打下坚实的技术基础。

关键词：短波发射机 控制单元 FPGA

中图分类号：TN948 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0019-02

本文以短波发射机改造为研究背景，针对现有发射机的控制系统和保护系统，从发射机自身的原理进行充分研究，并根据实际中的运用特点，确定了设计的方案及设计目标：以FPGA为控制信号处理中心，以为A＼D转换芯片AD574JN构成A/D采样，对发射机的控制系统进行了自动化改造的硬件设计。

在整体的设计上，采用FPGA软件编程、串口通信技术，从各个控制原理入手，重点从控制保护理论依据、设计思想、硬件及软件实现等，详细讲述了实际设计中遇见难点问题以及解决过程，并对创新点和功能做出阐述，最后对整个系统进行测试，通过测试要求，确立该系统软硬件设计的可行性与正确性，达到了预期的设计目的。

1 TBH-522短波发射机工作原理

TBH-522型150KW PSM短波发射机属于双边带调幅广播发射机，主要是供语言或音乐广播，调制方式为脉冲阶梯调制（PSM）工作方式的高电平调幅，该发射机将主整电源与调制器合二为一，省掉了主整电源，整机仅使用两只发射管，频率范围：可在3.9-26.1MHZ范围使用。

输出功率：正常的载波功率≥150KW未加音频，其输出功率可以从水冷假负载的进水温度和出水温度的温差计算出。

公式为：P=1.16×Q×△T（KW） Q---为流量计的流量，单位吨/小时（t/h）， △T---进水温度的温差。此种算法为热功当量法，计算的是平均功率。发射机的基本核校标准功率，都是通过此方法。

调幅功率：发射机加音频后的输出功率，其计算公式：Po=Pc×（1+m2/2） Po 为调幅功率Pc为载波功率m调幅度，当m为100%调幅时，发射机的输出功率为Po=3/2Pc，比如，输出功率为150KW时，Po为225KW。

边带功率：调幅功率知道后，就可以计算出有用的边带功率，这是真正所需的功率。

计算公式：Po-Pc（调幅功率-载波功率），在m=1时，150KW的边带功率为（225KW-150KW）=75KW，相当于额定输出载波功率的一半。

反射功率：计算公式：P反={（ρ-1）2/（ρ+1）2}×Pc P反为反射功率Pc为载波功率ρ为驻波比（ρ≥1），当驻波比为2时，P反=1/9 Pc，比如Pc=150KW，P反=150/9=16.6KW。

整机效率：在3.9-26.1MHZ频率范围内，调制度m=0-1时，η≥70%。

信杂比：优于56dB。

调幅度不对称性：在调幅度为95%时，上下调幅度不对称性<5%。

2 发射机控制系统简介

控制系统的主要功能是：发射机开机后，可将发射机各个部分的供电按照规定的顺序依次接通如图1；在关机后，按相反的顺序依次断开。当发射机出现故障或过荷后，可自动对发射机进行保护，当故障排除后，可使发射机迅速恢复正常工作，另外，还能实现自动调压稳压功能，给灯丝等部分提供稳定的供电电压。

控制系统按照电路的原理来划分，可分成两大部分：

（1）指示灯控制电路，在此部分，指示灯的点亮与否，直接关系到程序控制的每一步与门条件满足与否，因此指示灯控制电路是很重要的一部分，对维护中起到提示作用。

（2）电源逻辑控制电路，该电路分为“手动”、“自动”、“遥控”三种工作模式。

主分为六步骤：1）合冷却/断冷却控制；2）合灯丝控制；3）合偏压控制；4）合高前板压控制；5）合高末高压控制；6）合高末帘栅压控制。

3 自动控制系统的硬件设计

系统技术规范：发射机的开关机由控制单元控制全程，由其发出指令控制外围执行机构，设计过程应严格遵循整机电气控制原理，分析各个执行点的相关操作，控制要求如下：（1）当开机后，冷却系统、调压器供电、偏压、高前电压、高末电压，依次根据逻辑供给电源，各路的间隔性要好，以保证正确的通电导通顺序。（2）启动调压器后，分三段供电，80V、150V、220V，正常开机后并设有高低电压限度，能自动控制稳定电压，从而保护电子管灯丝。（3）各个开关电源，在开机后，有很好的逻辑控制关系，保证在一路出现故障时，能立刻拉断相关的电源，保证设备的安全。开启关机后，在5分钟后，逐个退去开关电源，直到停止运行。

在此，我们选用Xilinx公司的FPGA芯片，Spartan II家族中的XC2S200PQ208 和XCS-40两种模块，程序的编写基于VHDL语言和原理图结合的方法，将超大规模集成电路（VLSI）的逻辑集成的优点与用户可编程的易于设计生产的好处结合在一起。用户可以方便地对数据库中的数据进行查询、更改、删除等操作，并且该数据库是采用文本文件的方式存储，用户也可以利用USB接口将频率库COPY到PC机上进行批量编辑。今后的工作一旦有什么要改造的部件，通过软件里的数据变更，就能使用上新的器件特性，克服了原来调谐系统固定的工作模式，不用因为一个器件的加入，而重换整个调谐控制系统。

FPGA的逻辑部分的设计主要包括与单片机接口模块，实际位置计数模块，电机控制模块三个部分的设计：（1）单片机接口模块：单片机接口模块负责与单片机系统进行数据交换，系统中的单片机负责与嵌入式系统进行数据传输，采用RS232通信标准，接收嵌入式发送过来的命令，传输FPGA中记录的现场状态信号，包括电机的实际位置、预置位置和现场所需要的一些控制信号等等，从而实现软件和硬件的协同工作，完成各种复杂的功能。（2）实际位置计数模块：FPGA不具备存储功能，掉电之后实际位置会丢失，需要在下一次上电时将实际位置重新写入实际位置计数器，实际位置由嵌入式系统中的一个文件进行记忆，当系统掉电后重新启动时，嵌入式系统将该文件中的数据写入实际位置技术器，是增量码盘的数据绝对化。（3）译码控制模块：对于2路腔体，需要控制气泵进行充放气，从FPGA控制逻辑总送出充放气信号，并且采集气泵节点信号，控制腔体移动。对于其他控制信号，如粗/细调信号，调谐完成、降功率等信号，是通过嵌入式发送过来的数据进行译码得出。

4 控制系统的软件设计

设计程序之前，针对发射机整体控制的过程进行分析，将每一个器件动作过程和逻辑条件进行规划，把这一个整体过程规范化、程序化，就得到了完善的控制流程图，在后续的软件设计中，以流程图为主轴，采用FPGA的编程语言，将全部过程一一展开分化：

整体流程图（见图1）。

5 上机测试实效

控制系统模拟测试，模拟调机前将FPGA的输出端拔掉。

（1）加电 —→ 升压继电器J15吸合（Q1.1指示灯亮）—→ 给出调压器零位信号 —→ 降压继电器J15打开（Q1.2指示灯亮）。

（2）开机：给出供电正常、断相保护器I2.5 —→ 允许开机指示灯亮，给出灯丝断路器合I0.4—→ 灯丝合指示灯亮，按开机按钮 （I0.0）—→ 冷却合指示灯亮、开冷却继电器K1吸合（Q0.0亮）。

（3）合偏压：给出偏压断路器合I0.7、机保开关I1.4—→ 开偏压继电器K4吸合（Q0.2亮）

（4）合高前：给出以下信号：高前断路器合I1.7、门开关I1.3、偏压正常信号I1.1、馈线接地I1.6 —→ 高前允许灯亮，按合高前按钮（I3.5）—→ 高前1档继电器K5吸合（Q0.3亮）—→ 给出高前1当接点信号I3.2—→ 高前2档继电器Q0.4吸合（亮）—→ 去掉高前正常I1.0 —→ 高前正常指示灯灭。

（5）合高压：给出高压断路器合I2.1、PSM合I2.3、低周风正常 I2.0、高帘断路器合I2.1—→高压允许灯亮 —→ 给出天线到位 I1.5 —→ 封锁高频指示灯I6.2灭，按下合高压按钮（I3.7）—→ 高压1档继电器K7吸合（Q0.5亮）—→ 给出高压1档接点信号（高压1档灯I2.2亮）—→ 高压2档继电器K10吸合（Q1.0亮） —→ 给出高压2档接点信号I2.4（高压2档灯亮）—→ 高帘1档继电器K8吸合（Q0.6亮）—→ 给出高帘1档接点信号I2.7（高帘1档灯亮）—→ 去掉粗细调切换p—→ 粗调完成控制、封锁宽放、封锁PSM Q1.6灭 —→ 去掉高压正常I3.4（高压正常灯灭）—→ 去掉调谐完成I5.0（细调完成灯灭）—→ 高帘2档继电器K9吸合（Q0.7亮）—→ 给出高帘2档接点信号（高帘2档灯亮）、去掉高帘正常I6.6（高帘正常灯灭）。

（6）断高压：此时细调未完成，高帘1、2档断开（灯灭）高压正常显示（灯灭）。

（7）断高前：高压允许指示灯（灯灭），封锁高频指示（灯亮），封锁高频继电器吸合。高前1、2档断开（灯灭），高前正常指示灯（灯灭）。

6 结语

相比同类产品，本文设计的控制保护系统提高了系统的控制要求适应性，降低发射机自身的缺点，强化了可延续性的能力，并构建了基于FPGA控制系统未来的连接构架。这项设计的实现，将提高发射机的稳定性，将人员从繁重的检修任务中解放，以更多精力进行设备维护和技术提高，从而利于传输发射工作，并促进全自动化平台的扩展。

参考文献

[1]黄晓兵.THB-522型150KW短波发射机维护手册[A].北京：中国书籍出版社，2011：P10-13.

[2]TBH-522短波发射机说明书[A].北京：北京广播器材厂出版，2001：P23-42.

[3]TBH-522型短波发射机自动控制技术说明书[A]北京：福昊达科技开发有限公司出版 2006：P4-32.