DF500A型短波发射机控制系统研究与分析.doc

DF500A型短波发射机控制系统研究与分析1 引言 DF500A型短波发射机控制系统是用户和发射机各种设备和远见连接的桥梁，具有调整、监控所有开关程序、保证工作人员人身安全、保护设备安全、简化操作等功能。精密的操作键和彩色显示器使工作人员的操作简单直接，显示屏上清楚地显示了所有操作数据的实时状况。 2 整体设计 用户通过发射机控制系统来实现对发射机的各项操作。控制系统主要有两方面的功能，一方面确保正确的开、关发射机顺序；另一方面在发生故障时，执行必要的保护动作。另外，它还控制着发射机的调谐系统，并使之与控制系统相协调。 DF500A控制系统由四部分构成： （1）带有用户界面的上位机人机交互自动控制系统。 （2）逻辑控制系统。 （3）调谐控制系统。 （4）灯丝控制系统。整机控制系统框图见图1。 3 自动控制系统 自动控制系统设计本着保障设备安全运行，提高设备可靠性的目的，采用先进的工业控制技术，用先进的工业控制计算机，做到高可靠、高质量设计。 自动控制系统采用高可靠的工业控制计算机为系统功能实现的硬件基础。用Microsoft Visual Studio 2005为开发平台，对发射机的控制全部封装于程序中。所开发的人机对话界面友好，操作画面简单直观，大方得体，色彩丰富，给人很好的视觉效果，不易造成视觉疲劳。 4 逻辑控制系统 逻辑控制器与调谐控制器构成了发射机的核心控制，它们安装在一个自成一体的插箱内。 逻辑控制系统监控发射机开关的切换步骤，它与发射机安全系统和PSM控制系统联系紧密。其控制包括风路、水路、灯丝、高压、驱动马达等设备，它主要完成如下三方面的功能： 4.1 实时采样 控制器系统实时采样一百多路发射机风路、水路、灯丝、高压、马达等各个节点的状态量，并通过RS232串行通信方式上传至上位机。 4.2 故障处理 控制器系统通过采样到的状态量分析发射机的运行状况，并采取相应保护措施，如当系统检测到屏极过流、前级过流等过流故障或某个门未关好、某处水温过高等故障时，系统将立即断高压，因为如出现上述故障却仍然在高压状态极易损坏机器设备或威胁操作人员的安全。 4.3 控制命令处理 操作人员可以通过上位机控制或手动按键控制实现整个发射机的上灯丝、合高压、断高压、关机、复位、升功率、降功率等过程，系统根据不同的控制命令适时启动、关断风路、水路、灯丝、高压、马达等设备的各个控制节点。 4.1 逻辑控制器硬件描述 500kW短波发射机逻辑控制器采用两片EPM7512EAQI208作为核心处理器（一片负责所有的逻辑控制，一片负责与上位机通信），输入接口电路、输出接口电路、状态指示灯电路作为外部接口电路。由于控制器输入量、输出量及状态指示量都比较多，因此输入接口电路由输入接口电路板A、输入接口电路板B组成，输出接口电路由输出接口电路板A、输出接口电路板B组成，状态显示由状态显示电路板A、状态显示电路板B组成，核心控制板负责逻辑控制及外围电路控制、通信电路板负责与上位机通信。受整个发射机结构设计要求，逻辑控制器采用插箱式结构，所以各电路板之间的连线通过母板来实现。输入接口电路板A上共有54路输入信号，输入接口电路板B上共有50路输入信号，为了增强抗干扰性能，用光电耦合器将输入信号分成系统内与系统外两部分，系统内高电平为+3.3V，系统外高电平为+24V，并且系统内与系统外的地隔离；输出接口电路板A上有40路输出信号，输出接口电路板B上有26路输出信号，设计原理同输入信号。 逻辑控制器的各功能板插在一个母版上，A1A4板插在母版前面，A14A17板插在母版后面。实际板卡连接如图2。 4.2 逻辑控制器按键操作说明 4.2.1 A1通信电路板按键操作说明 A1通信电路板上共有高功率、低功率、升功率、降功率、+、-、S七个按键，每个按键均带有指示灯。 4.2.2 A2核心控制板按键操作说明 A2核心控制板上共有关机、黑灯丝、红灯丝、高压合、高压断、复位、快速灯丝七个按键，每个按键均带有指示灯。 其中切换发射机工作状态有三个按键即关机键、黑灯丝键、红灯丝键，为了使发射机状态切换更严谨有序、提高稳定性，在软件上分成了四个工作状态即红灯丝、黑灯丝、关机延时、待机。 4.3 逻辑控制器控制状态说明 4.3.1 待机状态 发射机已上电，但不工作，关断所有的输出。逻辑控制器所有按键指示灯灭。 4.3.2 黑灯丝状态 启动辅助电源、低速水泵、调压器，电子管末级灯丝电压保持在4V。在升/降灯丝、预热/冷却灯丝过程中黑灯丝按键指示灯闪烁，预热完成后常亮。 4.3.3 红灯丝状态 先到黑灯丝状态，再启动高速水泵、高低压风机、冷凝器风机1，电子管末级灯丝电压保持在17V。在升/降灯丝、预热/冷却灯丝过程中红灯丝按键指示灯闪烁，预热完成后常亮。 4.3.4 关机延时状态 启动辅助电源、低速水泵，电子管末级灯丝电压保持在0V。在降灯丝、冷却灯丝过程中关机按键指示灯闪烁，延时结束后自动进入待机状态。 4.4 逻辑控制器软件描述 发射机各逻辑状态之间可以互相切换，其状态切换如图3。 在待机状态可以直接按黑灯丝按键进入黑灯丝状态即过程A1，也可以直接按红灯丝按键进入红灯丝状态即过程B1；在黑灯丝状态可以按关机按键进入关机延时状态即过程C1，延时完成后自动进入待机状态即过程D1，也可以按红灯丝按键进入红灯丝状态即过程B2；在红灯丝状态可以按关机按键进入关机延时状态即过程C2，延时完成后自动进入待机状态，也可以按黑灯丝按键进入黑灯丝状态即过程B2；在关机延时状态如果按黑灯丝按键或红灯丝按键将进入黑灯丝状态即过程A1或红灯丝状态即过程B1，如果不按键将进入待机状态。 5 调谐控制系统 调谐控制的基本功能是通过马达驱动装置来调整射频系统的可变电容和电感，使射频系统工作在阻抗匹配最佳状态。调谐控制系统包括调谐控制器，调谐电源，马达控制放大器和调谐马达装置。 5.1 调谐原理 发射机调谐系统分成两个操作步骤：粗调和微调。粗调系统的主要特征是调整数据的再现性和大存储容量。相位传感器、负载传感器、电流传感器等提供的调谐数据的动态处理保证了微调的可靠性。 5.1.1 第一步：粗调 发射机通常只装备11个标准频带的频率，标准调谐系统含有？个预设值，在4.726.1MHz的短波频率范围内分配。每个预设值包含了发射机调谐过程的详细信息，例如电动机定位、开关元器件定位等。 预设值在试运行时设定。调试人员把100个常用的操作状态作为预设值存储进去，这些预设值和固化的预设值的信息是一样的。固化预设值和可选预设值结合使用使射频部分的操作简单可靠。 根据固化预设值和调试者预设值，控制系统决定电动机的位置、电动机切换位置和所有需要根据所选操作频率才能确定的数据。添加两种预设值之间的频率数据增加了改进调谐、快速微调、操作便利等功能。 所有机械调谐元件到位之后，微调就会启动。 5.1.2 第二步：微调 发射机根据载波频率和天线负载调谐，调谐所需的数据由相位、负载和电压传感器供给。调谐状态被实时监控，并且加载变化被自动修正。 发射机可以调谐间隔为10Hz的11个国际短波频带之间的任一个载波频率。 5.2 调谐控制器 调谐控制器是500kW发射机核心控制的一部分，调谐控制器控制系统架构如图4所示。 发射机自动调谐控制核心由通信模块（ARM1）、调谐模块（ARM2）组成。通信板负责与上位机、调谐板进行通信，协调控制发射机开关机、调谐以及状态信息、报警信息的及时上传。调谐板负责调谐和与逻辑控制器进行通信，接收通信板发送的调谐命令，上传通过A/D转换获取的状态信息，以及通过D/A接口控制发射机进行调谐；同时，调谐板可通过显示器及键盘实现手动微调马达。 调谐控制器与逻辑控制器在一个自成一体的插箱内，各功能板插在一个母板上，A5板插在母版前面，A11A14板插在母版后面。其实际板卡连接如图5。 5.2.1 母板 母板负责链接AD板、DA板、通信控制板、调谐控制板和通信接口板，进行各个电路板之间信号的链接和转换。 5.2.2 AD板 AD板的主要功能是把十三路马达位置数据和各种表值数据的模拟数据转换成数字量送给调谐控制板。AD电路板主要由两个多路选择开关（ADG40）和一个AD转换芯片（AD7233）及其外围电路组成，并且整个自动调谐控制系统的电源（+24V）从该板输入。 5.2.3 DA板 DA板主要是把调谐控制板传送过来的十三路马达控制信号由数字量转换成模拟量去控制十三路电机，并且激励器的控制从该板输出。DA板主要由两个DA转换芯片（AD7839）及其外围电路组成。 5.2.4 通信接口板 通信接口板主要负责控制板和外围设备的接口，光耦隔离进行电平转换，驱动外围设备。X2是逻辑控制的接口，X6是波段控制的接口。 5.2.5 通信控制板 通信控制板主要负责与上位机通信、与调谐控制板通信和一些逻辑控制功能。通信控制板主要由ARM芯片LPC2388和iPort模块组成。通信控制板实现的逻辑功能有关机、黑灯丝、红灯丝、高压合、高压断、复位、快速灯丝、封锁音周、封锁PSM指令。 5.2.6 逻辑控制板 逻辑控制板主要负责调谐控制、与逻辑控制器通信、与调谐控制板通信、液晶显示、指示灯和一些逻辑控制功能。逻辑控制板主要由ARM芯片LPC2388和液晶显示模块组成。逻辑控制板实现的逻辑功能有高功率、低功率、升功率、降功率和启动调谐。 5.3 灯丝控制器 灯丝控制器使发射机的电子管末级灯丝电压能够在要求时间间隔内升、降、预热、冷却，实现保护电子管的目的，并稳定保持在要求电压范围内，不随外电波动而波动，并将灯丝状态实时输出给逻辑控制器，使发射机工作在相应状态。 灯丝控制器系统实时采集并显示发射机电子管末级灯丝电压、末级灯丝电流、前级灯丝电压，当收到发射机逻辑控制系统发出的关机、黑灯丝、红灯丝指令时，系统将电子管末级灯丝电压从当前电压升或降到要求电压，图6表示了电子管末级灯丝曲线。 升降时间间隔必须符合要求，即从0V升到4.0V时间为80s，从4.0V升到17.0V时间为180s，从17.0V降到4.0V时间为180s，从4.0V降到0.0V时间为80s，如果灯丝电压从其它电压值升降，则时间间隔按比例缩小。 当灯丝电压按要求升降到黑灯丝或红灯丝状态时，系统必须保证电子管末级灯丝电压稳定在相应电压值，使其不随外电波动而波动。灯丝电压升到4.0V即黑灯丝状态后，延时30分钟，即预热30分钟，待预热完成后才能升红灯丝；当灯丝电压从红灯丝状态降到黑灯丝状态后延时5分钟，即冷却5分钟，待冷却完成后才能进行降零灯丝，即灯丝电压降为0V；当灯丝电压从黑灯丝状态降到零灯丝状态后延时5分钟，即冷却5分钟。 系统实时采集3路模拟量，即发射机电子管末级灯丝电压、末级灯丝电流、前级灯丝电压，输入电压均在0-10V范围内，经A/D转换后送微处理器；输出控制1路模拟量即末级灯丝控制电压，经D/A转换后到电子调压器的控制端，输出电压范围在0-10V范围内；系统实时采集来自逻辑控制器的命令信号，即6路输入开关量，并随时将电子管末级灯丝的状态信号即12路开关量输出给逻辑控制器，为了增强抗干扰性能，用光电耦合器将开关量分成系统内与系统外两部分，系统内高电平为+3.3V，系统外高电平为+24V，并且系统内与系统外的地隔离；前面板上的VFD显示屏，实时显示电子管末级灯丝电压值、末级灯丝电流值、前级灯丝电压值。 6 结束语 DF500A型短波发射机的控制系统是发射机的核心部件，是发射机自动化运行控制的基础，深入分析和研究其运行工作机制和原理意义重大，是提升安全传输发射保障能力的有力保障。 作者单位 国家新闻出版广电总局二0二四台 黑龙江省佳木斯市 154025