S7HP型發(fā)射機(jī)水循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

林文才

國家新聞出版廣電總局824臺(tái)（以下簡稱“我臺(tái)”）的S7HP型1000 kW全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)系法國Thomson公司生產(chǎn)，由三個(gè)功率放大模塊柜和并機(jī)網(wǎng)絡(luò)柜組成。發(fā)射機(jī)的熱耗散主要靠水冷系統(tǒng)，一小部分由風(fēng)冷系統(tǒng)排出，剩余部分通過自然對(duì)流直接排到機(jī)房中。每個(gè)功率放大模塊柜都有自己獨(dú)立的水冷系統(tǒng)，可對(duì)射頻放大模塊、高壓整流器和-VINT整流器進(jìn)行冷卻降溫，確保這些組件處于相對(duì)溫度下，才能使發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。原有水循環(huán)監(jiān)測(cè)采用的是指針式儀表，觀測(cè)不準(zhǔn)確，且位于水泵房，值班人員需定時(shí)巡機(jī)查看水壓和水溫。若水冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將造成發(fā)射機(jī)封鎖停機(jī)，嚴(yán)重威脅安全播出工作。為提高發(fā)射機(jī)安全播出水平，以及發(fā)射機(jī)播出狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力，本文設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)和單片機(jī)的水循環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水循環(huán)的水壓和水溫，并對(duì)異常情況發(fā)出語音報(bào)警，確保水冷系統(tǒng)正常工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由一個(gè)PC主機(jī)和多個(gè)從機(jī)（數(shù)據(jù)采集終端）組成，從機(jī)包含有水壓（水溫）檢測(cè)電路和中央控制器（單片機(jī)），系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如圖1所示。

各從機(jī)將發(fā)射機(jī)水冷系統(tǒng)的水壓和水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與傳送，PC主機(jī)可對(duì)各從機(jī)送來的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和記錄，并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)射機(jī)水冷系統(tǒng)的目的，對(duì)水循環(huán)設(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行科學(xué)管理、預(yù)防事故發(fā)生。

PC主機(jī)和各從機(jī)通過RS485總線進(jìn)行串行通信，工作方式為半雙工通信，主要的工作流程是：首先PC機(jī)輪流訪問各從機(jī)，從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的命令，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，主機(jī)再將接收到的數(shù)據(jù)在屏幕上顯示并保存。

2 硬件設(shè)計(jì)

從機(jī)分為四個(gè)模塊：CPU模塊、通信模塊、顯示模塊和輸入接口模塊，從機(jī)系統(tǒng)組成如圖2所示。輸入接口模塊將水壓（水溫）傳感器輸出的4～20 mA電流信號(hào)，轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的電壓信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水循環(huán)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。顯示模塊由LED指示燈組成，可以顯示從機(jī)的工作狀態(tài)。通信模塊采用RS485 MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PC主機(jī)和各從機(jī)的數(shù)據(jù)交換。CPU模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給PC主機(jī)。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)示意

圖2 從機(jī)系統(tǒng)組成圖

2.1 CPU模塊

在數(shù)據(jù)采集和處理過程中，考慮到傳輸速度和穩(wěn)定性，CPU模塊選用了ATMEL公司生產(chǎn)的8位AVR微處理器Atmega8。

圖3 8位AVR微處理器Atmega8管腳配置圖

CPU模塊如圖3所示，VCC和GND為5V電源端口；XTAL1和XTL2為外部晶體振蕩器輸入端口；PC6和PB3-PB4為MCU-ISP形式軟件寫入端口；PD0和PD1為485串口輸出/輸入端口；PD2為485的輸入/輸出使能端口；PD3為LED指示燈輸出端口；PC0為A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入端口；AVCC為A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。

為避免電磁干擾（EMI），提高模擬測(cè)量的精度，電路中AVCC通過一個(gè)LC網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字電壓源VCC連接，并在AREF上外加電容，以提高噪聲抑制性能。

單片機(jī)Atmega8接入水壓/水溫傳感器，采集數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部計(jì)算，采用RS485 MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC主機(jī)。

2.2 通信模塊

通信模塊電路采用低功耗收發(fā)器MAX485，TTL與MAX485兩側(cè)的電源與信號(hào)通過光耦和雙通道數(shù)字隔離芯片ADUM1201實(shí)現(xiàn)隔離，將總線上A接一個(gè)上拉電阻，B接一個(gè)下拉電阻，上下拉電阻保證在通信過程中A，B線不會(huì)因電平差別小而出現(xiàn)亂碼的情況。在485總線的首尾兩端接匹配電阻120Ω，吸收總線上的反射信號(hào)，保證485總線的穩(wěn)定性。

模塊充分考慮了485總線防雷設(shè)計(jì)，在485的發(fā)送端和接收端采用了3個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器TVS，2個(gè)熱恢復(fù)保險(xiǎn)絲和1個(gè)氣體放電管，可以起到很好的抗干擾和防雷的作用，避免雷電對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的破壞，使485總線更安全。

2.3 輸入接口模塊

水壓傳感器采用的是A0B-131小巧型壓力變送器，可以用于石油、化工、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、釀酒及食品加工等工業(yè)領(lǐng)域，測(cè)量液體，氣體和蒸汽的壓力及液位。該變送器采用了擴(kuò)散硅敏感元件，測(cè)量精確，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合惡劣使用環(huán)境。主要技術(shù)參數(shù)為，測(cè)量范圍：0～60 MPA；測(cè)量精度：±0.5%FS；輸出信號(hào)：4～20 mADA。

水溫傳感器采用的是SBWZ一體化溫度變送器，該變送器安全可靠，使用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，工作原理是熱電偶(熱電阻)產(chǎn)生的熱電勢(shì)(電阻)經(jīng)過溫度變送器的電橋產(chǎn)生不平衡信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成為4～20 mA的直流電信號(hào)輸出。主要技術(shù)參數(shù)是：測(cè)量范圍：0～100 ℃，測(cè)量精度：±0.5%FS，輸出信號(hào)：4～20 mADA。

傳感器將水壓（水溫）物理量轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，輸入接口模塊將4～20 mA電流轉(zhuǎn)化0～5 V電壓信號(hào)，便于單片機(jī)計(jì)算。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用RS485 MODBUS RTU標(biāo)準(zhǔn)通信方式。通信協(xié)議如下：

第一，串行通信的一幀數(shù)據(jù)由1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)位、1位停止位共10位組成。

第二，設(shè)置波特率為9 600 bps。為保證數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性，單片機(jī)和PC主機(jī)的波特率必須相同。

第三，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

第三，數(shù)據(jù)定義包括以下內(nèi)容。

地址碼定義：地址范圍為01～FE。功能碼定義：03—讀寄存器，06—寫寄存器。寄存器地址：0000—4～20 mA電流輸入寄存器地址，0064—模塊地址寄存器地址。校驗(yàn)碼定義：采用CRC16校驗(yàn)碼。

第五，采集命令過程如下。

發(fā)送：01 03 0000 0001 840A（見表2）

接收：01 03 01 00F2 C9C1（見表3）

第六，模塊地址設(shè)置如下。

發(fā)送：01 06 0064 02 B249（將模塊地址01改為02，見表4）

接收：01 06 0064 02 B249（修改成功后返回相同數(shù)據(jù)，見表4）

3.2 PC主機(jī)程序設(shè)計(jì)

PC主機(jī)的界面設(shè)計(jì)使用編程開發(fā)工具Visual Basic 6.0，數(shù)據(jù)交換使用通信控件MSComm，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)庫Access實(shí)現(xiàn)。界面設(shè)計(jì)如圖4所示，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：顯示采集終端傳送的水壓和水溫?cái)?shù)據(jù)；系統(tǒng)管理：設(shè)置告警閾值，對(duì)異常值發(fā)出語音告警，設(shè)置通信端口號(hào)，實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的串行通信；數(shù)據(jù)管理：可查詢存儲(chǔ)的歷史記錄。

3.3 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)的軟件編程主要包括定時(shí)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。從機(jī)的主程序流程圖如圖5所示。

表2 發(fā)送內(nèi)容

表3 接收內(nèi)容

表4 模塊地址設(shè)置

圖4 應(yīng)用程序界面

圖5 從機(jī)程序流程圖

4 結(jié)語

該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射機(jī)水循環(huán)的水溫和水壓數(shù)據(jù)的采集及顯示，已投入使用，今后將進(jìn)一步完善該平臺(tái)，增加監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，為安全播出工作提供技術(shù)保障。

[1]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]馬朝等.Atmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[3]沈文等.AVR單片機(jī)C語言開發(fā)入門指導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.