原创《中波台发射机房电力参数监控系统设计和实现》
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摘 要：中波台发射机房的电力系统一般由一路市电或者两路独立的市电以及一台发电机组成,电力系统发生故障往往会造成大面积的停播事故,后果十分严重. 摘 要：文章针对广播电视播出系统中单节点环节存在安全播出事故和播出系统不稳定等问题,通过理论论证和模拟实验,提出了解决问题的办法,对广播电视播出系统结构优化,提高一线值班人员值班效率有着较好的参考作用.
关键词：单节点 广播电视 安全播出
在广播电视播出系统设计中,经常会碰到单节点问题,即广播电视信号处理过程中,当系统中主链路与备链路的交叉节点设备出现故障,值班人员手动切换的时间差形成的播出事故.如何规避广播电视播出系统中的单节点问题？本文以安徽广播电视台卫星地球站（以下简称“安徽地球站”）标清改造过程中相关设计来加以论述.
安徽地球站主要承担安徽卫视高标清节目及省内9套广播节目上星任务,其中广播业务通过与标清节目打包上载至中星6B S12转发器.图1为安徽地球站标清未改造前的前级系统（不含射频信号部分,因保密原因未标注跳线及设备型号参数）概图.
在安徽地球站标清系统改造过程中,我们发现之前的前级系统（非射频信号部分）主要存在四个隐患,即微波源与备源切换问题,广播光端机主/备设备切换问题,主链路复用器去调制器单节点问题和主链路中频切换器单节点问题.在进行讨论分析及实验后,我们决定修改系统配置,增加相关设备,避免因为单一节点造成的播出事故风险.具体改造内容如下：
一、微波源与备源切换问题.这个问题主要体现在主源出现故障时,第三路信号源微波不能自动切换进系统做备源,必须手动将微波源接入跳线架,容易造成误操作引发播出事故.
针对此问题,我们将一台SDI切换板卡直接接入备源与微波源,就可以实现主源故障情况下备源与微波源之间的切换,同时该切换卡输出信号供分配器C/D做播出使用,能有效避免主源故障情况下需要手动将微波接入跳线架的误操作风险.具体改造后简图如图2所示.
根据图2所示,正常播出时,应该是光端机主去分配器A然后通过SDI切换板卡2去编码器A这条链路,也就是说使用的是主源.当主源出现故障时,SDI切换板卡2自动检测IN1故障,自动切换至IN2（即备源经SDI切换板卡1至分配器B至SDI切换板卡2）,这个时候无需人工手动切换操作即可保证安全播出.同时微波源通过SDI切换板卡1实时作为第三信号源,无需进行跳线操作,方便值班人员对于问题的判断与解决.
二、广播光端机主/备无切换环节问题.这个问题主要体现在广播主源故障后广播不能自动切换至备源.在安徽地球站实际播出过程中,广播与电视监看监听处于分离状态,所以往往值班人员对于广播的故障会有判断延迟.如果广播主源出现故障,因为系统构造无法自动切换而需要人工手动将微波广播跳线接入复用主器,这个判断与操作需要一定时间,容易造成广播的播出事故.
根据现有设备,我们在广播主备源后加入分配板与切换板主备各一,具体设计如图3所示.
根据图3所示,正常播出时,应该是广播光端机主输出至ASI分配板1,然后与ASI分配板2的广播备源一起进入广播ASI切换主开关,经过切换输出至复用器A,使用的是主源.当广播主源出现故障时,虽然ASI分配板1无广播输出,但是系统在广播ASI切换开关这一环节会自动检测主源中断,切换至备源输出到复用器A,这样就无需手动接入跳线,从而可以避免播出事故的发生.
三、主链路复用器去调制器单节点问题.这个问题主要体现在主链路里,复用器A去调制器A或者复用器B去调制器B链路不能互相切换,只能一一对应.在复用器A或者调制器A出现故障时只能使用中频切换器至复用器B去调制器B的链路,这个时候全系统只有复用器B去调制器B单一链路可用,不能完全保证安全播出.
根据现有设备结构,我们在复用器组与调制器组之间增加一个汤姆逊ASI切换开关,具体设计如图4所示.
根据图4所示,复用器A/B两路输出,其中一路经过汤姆逊切换开关切换之后进调制器A/B主输入,另外一路分别去调制器A/B备输入.通过这样的切换设计可以在复用器A出现故障的情况下,调制器A/B仍然可以通过汤姆逊切换开关获取复用器B的信号,从而有效避免单节点的问题.
四、中频切换器单节点问题.这个问题主要体现在中频切换器在系统中连接调制器与上变频器（如图5所示）,虽然中频切换器本身具备直通功能,但是送到上变频A/B的信号只能从中频切换器的单一输出口获取,故而认为在原系统中中频切换器为一单节点.
针对中频切换器的单节点问题,我们对系统做出相应的改动设计,具体设计如图6所示.
因为中频切换器只是对中频信号进行切换并不能进行处理,所以调制器B给出的中频信号经过功分一路进中频切换器,与调制器A的输出信号一起经过中频切换器给上变频A作为输入信号,上变频B直接使用调制器B经过功分后的另一路信号作为输入信号,这样上变频B与上变频A的信号来源不再单一化,就算调制器A与中频切换器一起出现故障,上变频B仍然能在线正常工作,避免播出事故的发生.
通过对以上几个关键环节的改造设计,安徽地球站标清系统的安全性、可靠性得到大幅度提升.同时针对系统关键环节,安徽地球站组织工作人员在季度夜间检修期间进行了多次故障演练,通过模拟故障获取系统具体详细数据,而演练结果与系统设计预期完全相同,从而证实了单节点的规避设计有效地避免了因设备故障而出现的停播、劣播.从试播期以及后续的正常播出来看,改造后的标清系统运行良好,设备可靠性进一步提高,大大减少了一线值班人员的值班压力.
（作者单位：安徽广播电视台）
为帮助机房值班人员快速了解电力系统的各种参数,迅速排除故障,福建四０三台设计一款多点电力参数监控系统,能够实时显示电压值,具备电力参数异常报警等功能.
关键词：电力参数监控 STM32单片机 Modbus通讯协议
总体方案设计
福建四〇三台电力系统是由一路市电和一台大功率柴油发电机组成,通过一个双电源自动切换装置送到交流电压稳压器,经过稳压后给发射机等设备供电.电力参数监控系统主要由电力参数采集仪表和自主设计的主控电路组成,电力参数监控系统设置了市电电压采集点、发电机电压采集点、稳压器稳压输出采集点,采集的电压数据通过RS485通讯总线送到主控板进行各种参数处理显示,电力参数监控系统总体框图如图1所示.
硬件电路设计
主控电路由单片机控制单元、电力参数采集部分、电压显示模块、状态指示电路、报警电路、电源部分组成.主控电路实现了采集多点电力参数、显示电力参数、参数异常判断以及状态指示和报警等功能.电力参数监控系统主控电路框图如图2所示,其中电力参数采集仪表、RS485接口电路构成了电压采集部分,电源/充电、备用电池、稳压模块构成了电源部分.
单片机控制单元采用的是意法半导体在2007年发布的一款基于ARM公司开发的Cortex-M3内核基础上添加一些必要的外设组成的微控制器.STM32系列微控制器主频高,处理指令速度快,在程序存储空间上和其他产品拉开了明显的差距.
由于电力参数采集仪表的采集点距离机房控制室较远,所以采用了RS485通讯的方式与单片机控制单元进行通讯.RS485通讯采用平衡传输方式,对共模干扰有很强的抑制能力,在采用双绞屏蔽线的情况下可以实现1000米左右的稳定通讯.RS485通讯使用主从半双工的通讯模式,多个收发设备接到同一条数据总线上,实现单片机和电力参数采集仪表之间的通讯.
LED点阵屏是通过多个LED按照一定规则排列起来的列阵组成的一个显示屏,通过不同位置的LED亮灭来显示文字和简单的图片等.LED点阵显示屏制作相对简单,使用方便,在许多领域都有应用.本设计采用模块化的16×64像素点阵屏,可以同时显示4个汉字或8个数字以及英文字母,模块化的点阵屏使用非常简单只要通过一个接口就可以实现中文、数字以及英文字母的显示.单片机控制单元与LED点阵屏之间通过J2接口连接,通过单片机I/O控制点阵显示屏,完成电压的实时显示.LED点阵屏接口电路如图3所示.
状态指示电路由四个双色发光二极管,四个限流电阻组成.D9、D10、D11分别指示三个电压采集点参数是否正常,正常显示绿色,异常显示红色.D12指示报警声是否关闭.报警打开显示绿色.报警关闭显示红色.状态指示电路如图４所示,单片机引脚输出低电平时二极管点亮.
报警电路主要由D类音频放大集成电路PAM8303D构成,PAM8303D是一款输出功率3W的单声道无滤波器D类音频放大器,在输出1W功率时效率达到了90%.当单片机检测到任意一路电压异常时,单片机引脚输出1KHZ的音频信号送到音频放大电路的信号输入端,并拉高PAM8303D第6脚的电平使能PAM8303D,让音频放大器处于工作状态发出洪亮的声音报警,提醒技术人员及时处理.
软件系统设计
软件系统是整个电路系统不可或缺的一部分,也是整个设计重要的一环.软件系统实现了对硬件资源的分配和管理运用,通过科学规划使用硬件资源实现了整个电路系统所要达到的功能.本系统的软件实现了电力参数采集仪表数据的读取和处理,然后通过LED点阵屏显示实时的三相电压值,并且对电压值数据进行判断,如果电压值有异常就开启报警指示,并不断的循环上述步骤,主程序流程图如图5所示.
总结
电力参数监控系统实现了对发射机房电力系统多个重要节点参数的监控,通过大屏幕直观地显示了当前的电力参数信息,在各路电源电压值过低过高以及出现相位缺失时能够及时的进行预警,为技术人员提供了准确的信息,为排除故障节约了宝贵的时间,为零秒停播提供了可靠的保证.
（作者单位：福建省广播电视传输发射中心四〇三台）
参考文献：
1.彭 刚：《基于ARM Cortex-M3 的STM32系列嵌入式微控制器应用实践（第2版）》,北京：电子工业出版社,2016版.
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系统设计论文参考资料：
结论：此文是关于监控系统和中波和机房方面的系统设计论文题目、论文提纲、系统设计论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
