嵌入式系統(tǒng)在大功率廣播發(fā)射機(jī)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李智琴

摘 要 本文針對應(yīng)用 C/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于DF100A廣播發(fā)射機(jī)的故障自動(dòng)推斷器進(jìn)行論述，并用實(shí)例做了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞 發(fā)射機(jī) 嵌入式 C/OS-II STM32 故障推斷器

中圖分類號(hào)：TN836.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.06.066

Design and Application of Embedded System on

High-power Broadcast Transmitters

LI Zhiqin

（National State Press and Publication Administration of Radio Wuliuyi Station， Nanchang， Jiangxi 330046）

Abstract In this paper， for the application of C / OS-II real-time operating system designed for automatic fault DF100A radio transmitter inference are discussed， with examples made a detailed presentation.

Key words transmitter; embedded; C/OS-II; STM32; fault estimator

0 引言

DF100A大功率短波發(fā)射機(jī)是我國廣播覆蓋和實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)機(jī)型，它的穩(wěn)定運(yùn)維關(guān)系著廣播覆蓋和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量和效果。因此對DF100A發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行要求極其嚴(yán)格。然而對于機(jī)器而言，故障是不可避免的。而DF100A發(fā)射機(jī)是由龐大而且復(fù)雜的電子、電氣、機(jī)械等系統(tǒng)組成，包含了大量的線路與器件，一旦發(fā)生故障，對安全傳輸發(fā)射任務(wù)是極大的考驗(yàn)。同時(shí)“有人留守，無人值班”模式的提出與實(shí)現(xiàn)，對發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化智能化系統(tǒng)提出一個(gè)更高的要求。因此，如何實(shí)現(xiàn)對故障的自動(dòng)檢測和及時(shí)排除乃至自動(dòng)化處理是一個(gè)亟待解決的問題。

1 嵌入式與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體和電子技術(shù)與應(yīng)用緊密結(jié)合的產(chǎn)物，具有很強(qiáng)專用性;是對應(yīng)用對象功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng);也是集控制、監(jiān)視或輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置;是軟件和硬件的綜合體。為此，選用了嵌入式系統(tǒng)作為發(fā)射機(jī)輔助、監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)分別選用了 C/OS-II操作系統(tǒng)與STM32內(nèi)核。

C/OS-II是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、移植方便、可固化、可裁剪、可剝奪，實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的。 C/OS-II 具有執(zhí)行效率高、占用空間小、高實(shí)時(shí)性和高可靠性及高可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。 C/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其在通訊、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用具有無比的優(yōu)越性。它的穩(wěn)定性、可靠性、安全性已經(jīng)通過了非常嚴(yán)格的測試，得到了美國航空管理局的認(rèn)證。

STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，內(nèi)置32K到128K的閃存。 增強(qiáng)型STM32在USB OTG 和CAN2.0B接口基礎(chǔ)上增加了以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。新STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位1-Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)I2C接口、五個(gè)USART接口和三個(gè)SPI端口。

2 自動(dòng)故障推斷器系統(tǒng)

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，設(shè)備故障總是伴隨著相應(yīng)的故障現(xiàn)象，廣播發(fā)射機(jī)故障亦然如此。對于發(fā)射機(jī)故障處理者來說，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)在各電氣量表值與各傳感器（壓力，電荷，溫度等）的狀態(tài)。如果嵌入式系統(tǒng)可以識(shí)別這些故障現(xiàn)象并給維修人員做出提示，就可以極大縮短故障處理時(shí)間。

依照以上思路，本設(shè)計(jì)將特征相對簡單的典型故障轉(zhuǎn)化為可以代表故障發(fā)生的特征值，并將其與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)、表值進(jìn)行比較，從而給出故障來源的可能性推斷。如此依托高性能、高可靠性的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，可以代替相對簡單卻繁瑣經(jīng)驗(yàn)判斷，做出實(shí)時(shí)的判斷，極大地縮短故障判斷時(shí)間。這就是DF100A廣播發(fā)射機(jī)的故障自動(dòng)推斷器設(shè)計(jì)的思路。圖1是自動(dòng)故障推斷器整體系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)分以下四步驟實(shí)施。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

（1）總結(jié)歸納DF100A發(fā)射機(jī)典型故障現(xiàn)象與故障特征，由此建立一個(gè)典型故障的特征值表，將典型故障所表現(xiàn)的狀態(tài)值與正常表值進(jìn)行收錄。

（2）對發(fā)射機(jī)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣，并通過RS232從自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)取得各個(gè)值，然后建立一個(gè)當(dāng)前發(fā)射機(jī)的狀態(tài)、表值表。

（3）將發(fā)射機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)表值與典型故障特征值表進(jìn)行比較，如果與某個(gè)故障特征吻合或近似吻合，則程序判定為故障。特征值分為兩種，一種是狀態(tài)值，為邏輯是非判斷，代表當(dāng)前發(fā)射機(jī)是否良好的狀態(tài);另一種是表值，代表了發(fā)射機(jī)各回路中各物理量的大小，由于發(fā)射機(jī)表值在各環(huán)境、各發(fā)射頻率都有所偏差與浮動(dòng)，程序中特別設(shè)置了浮動(dòng)值，以避免因發(fā)射機(jī)頻率變化及表值擺動(dòng)等引起的誤差。

（4）故障報(bào)警及顯示，對故障處理者顯示出可能的故障所在。

3 自動(dòng)故障推斷器硬件環(huán)境搭建

（1）嵌入式最小系統(tǒng)：為使STM32嵌入式系統(tǒng)正常工作，需接入相關(guān)的外圍電路，如電源、復(fù)位、晶振、啟動(dòng)方式、通信等電路，構(gòu)成嵌入式最小系統(tǒng)，圖2是STM32最小系統(tǒng)原理圖。

（2）RS232串行通信：由DF100A短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)對各表值及節(jié)點(diǎn)物理量進(jìn)行取樣。本設(shè)計(jì)采用RS232通信接口，RS232通信模塊電路如圖3所示，它是將上位機(jī)的集控信息，傳輸?shù)絊TM32嵌入式系統(tǒng)。該模塊用MAX232芯片，將上位機(jī)的RS232電平轉(zhuǎn)化為芯片能接收的TTL電平。MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，使用+5V單電源供電，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：

第一部分是電荷泵電路，由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。

（3）液晶顯示屏：顯示屏采用12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，電路如圖4所示。該模塊可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個(gè)中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8X16 點(diǎn)陣）及64X256 點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。液晶顯示屏相對應(yīng)的管腳定義如表1 所示。

4 自動(dòng)故障推斷器程序設(shè)計(jì)

首先分析DF100A發(fā)射機(jī)運(yùn)維中出現(xiàn)的典型故障，而后對故障現(xiàn)象與故障特征進(jìn)行總結(jié)，將故障現(xiàn)象狀態(tài)數(shù)據(jù)化，用特征值形式來代表故障發(fā)生時(shí)的各表值與狀態(tài)。由此將故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可用嵌入式程序判斷的故障特征值，建立起故障特征值表。如下例舉了數(shù)個(gè)典型故障。

圖5 故障特征判斷流程圖

4.1 典型故障解析

（1）高末無柵流故障。故障特征：有末前陰流，無高末柵流，控制4燈滅，OPERATE指示燈亮紅燈。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末柵流特征值211H = 0，浮動(dòng)值取212H = 0.5 ;控制4燈特征取251H = 0 ;OPERATE指示燈特征取247H=1。

（2）1PS5A1柵流傳感器故障。故障特征：末前陰流正常0.4～0.6A，高末柵流正常，高壓表、高末屏流、功率表為0，9A4板OPERATE燈亮，9A5控制4燈滅。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末電壓特征值取223H = 0，浮動(dòng)值取224H=1 ;高末屏流特征值取225H = 0，浮動(dòng)值取226H = 0.5;功率表特征值225H = 0，浮動(dòng)值226H = 3;OPERATE燈狀特征取247H = 1;控制4燈特征取251H = 1。

（3）PA柵陰碰極。故障特征：PA柵流表反打，靜態(tài)偏壓低，60V左右（正常為400V）。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末柵流特征值取211H = -0.4，浮動(dòng)值取212H = 0.39;高末偏壓特征值取209H = 60，浮動(dòng)值取212H = 20;

（4）高末簾柵回路阻抗過大接近開路故障特征：機(jī)器無任何過荷。高末簾柵流0.2A，高末屏流2A，末前陰流、高末柵流、高壓、簾柵壓正常，功率輸出小于20kW。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末簾柵流取211H = 0.2，浮動(dòng)值取212H = 0.05，高末屏流H = 2，浮動(dòng)值取H = 0.5;輸出功率225H = 20，浮動(dòng)值226H = 2。

（5）1PS6R33開路故障。故障特征：高前陰流過荷，掉高壓。重上后末前陰流正常，無高末柵流。末前屏壓表反打。（末前陰流0.6A，高末柵流、屏流、屏壓、簾柵壓為0，末前屏壓表輕微反打）。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末電壓特征值取223H = 0，浮動(dòng)值取224H=1;高末屏流特征值取225H = 0，浮動(dòng)值取226H = 0.5;功率表特征值225H = 0，浮動(dòng)值226H = 3;高末柵流特征值211H = 0，浮動(dòng)值取212H = 0.5;高末簾柵壓特征值217H = 0，浮動(dòng)值取218H = 30;;高末柵流特征值211H = 0，浮動(dòng)值取212H = 0.5;末前陰流特征值203H = 0.6，浮動(dòng)值取204H=0.1。末前級過荷特征取245H = 1。

圖6 浮動(dòng)值輔助判斷說明

4.2 建立如表2所示的故障特征值表

4.3 通過對發(fā)射機(jī)的取樣，在經(jīng)由RS232總線的傳輸，嵌入式系統(tǒng)得到了發(fā)射機(jī)的當(dāng)前的各電氣量與狀態(tài)值

當(dāng)前值取樣建表如表3所示。

4.4 故障特征比較與判斷

圖5為故障特征判斷流程圖，圖6為浮動(dòng)值輔助判斷說明圖，由于篇幅所限，詳細(xì)流程和說明在此不再贅述。

5 結(jié)語

以上是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于DF100A廣播發(fā)射機(jī)的故障自動(dòng)推斷器，在實(shí)際工作中，由于大功率發(fā)射機(jī)電磁場對信號(hào)檢測方面干擾問題，影響了數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，技術(shù)上還需要不斷完善。

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