基于.NET 框架下新型短波广播天线交换开关控制系统的设计与实现

王 龙

（作者单位：国家广播电视总局722 台）

短波广播在播音过程中需要随时切换播音天线，天线交换控制系统可以根据运行图或调度指令实现天馈线等相关设备自动化运行控制，完成发射机与天线之间的切换，是广播发射机自动化控制系统的重要组成部分。一套稳定、高效的天线交换控制系统不仅可以在自动模式下按照运行图自动为每部发射机匹配指定天馈线，而且可以在发射机故障情况下，方便、快捷地手动将需要播音的天线切换至代播机。但是，目前所运行的天线交换开关控制系统开发时间早，技术和架构都比较老旧，自动化程度落后，运行多年来逐渐暴露出诸多问题。第一、软件设计得不全面，天控系统是基于程序设计语言（Visual Basic，VB）开发的，开发技术相对老旧，且使用单线程技术，一处发生故障或操作缓慢，就会导致整个程序宕机或卡顿。第二、运行图解析不完善，只能解析24 小时之内的任务，不会判断第二天的任务，即如果当天后续没有任务，则系统判断下一任务时解析的为当天第一个任务，而不是第二天的第一个任务，从而出现用错天线或正确天线误报的问题。第三、运行图接收处理过程慢，天控系统接收机房平台下发的运行图时需要等运行图同步到可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）后才能接收信息，该过程比较缓慢，容易导致接收消息滞后，引起机房平台运行图重发或判定下发接收失败。多部发射机的运行图一起下发天控系统时，天控系统容易死机，从而影响节目的安全播出。另外，天线交换开关控制系统还存在数据传输不规范、系统功能不足等问题。

为了解决原有系统存在的不足，增强系统运行的稳定性、安全性，就需要技术人员应用当前先进技术，结合实际使用需求，设计开发出新的天线交换控制系统。

1 总体设计要求和背景

1.1 系统的性能和指标要求

鉴于之前系统面临的问题，本文以保证广播节目安全播出为目的，从实际使用需求出发，设计开发了新型的天线交换控制系统，该系统应具备的性能和实现的目标如下：第一，系统稳定，能够24 小时不间断可靠运行。拓展性强，适用于多个操作系统平台，包括win7 和win10 等，并且兼容32 位和64 位的操作系统。第二，响应快速，系统在接收发运行图时，不接收滞后或消失。同时，系统在接收多部发射机调度指令时，既能保证快速、准确，又不会发生宕机现象。第三、优化每部发射机上任一天线的通道路径，给信号传输提供最优通道。第四、具有记录功能，在系统发生软件崩溃时，可记录崩溃前每个天线通路的情况，并有专门的文件夹进行记录。第五，使用直观的图形化模式，便于校对。系统还要具有日志查询、存储、导出功能，导出后为Excel 文件格式。第六，保证系统的稳定性，同时具有良好的可拓展性。按照无线局规范要求进行数据接口开发，保证数据传输格式规范、数据正确；完善运行图接收和解析过程，确保发射机连接正确 天线。

1.2 系统的开发平台与运行环境

为优化该系统的性能，技术人员在设计该系统时，会使用目前成熟的技术和先进的软件体系架构，根据面向对象的系统建设和开发理念，更好完成系统的指标要求。

系统的设计开发基于Microsoft.Net，.Net 是微软公司新推出的软件开发平台，它是系统开发的平台，也是系统的整体框架，同时.NET 也是一个软件开发集合，包含软件开发过程中频繁使用的中间代码、数据访问、编程工具和XML 组件等。.NET 平台可以实现跨设备、跨平台、跨语言开发，使开发和应用效率得以大幅度提高[1]。

系统开发使用C#语言、客户端/服务器（Client/Server，C/S 架构），使用特殊的设计方法。技术人员在开发系统时应用多线程技术，不仅可以提高程序的响应速度，而且在部分线程发生短时间阻塞时，系统依然能够继续运行，响应其他线程的操作，这有效解决了单线程系统因线程阻塞造成系统崩溃的问题。

系统运行基于Windows 平台，运行在微软的.Net Framework4.5.2 框架下，操作系统要求是Windows7 或以上。

2 设计与开发

2.1 硬件结构

天线交换控制系统的硬件主要由上位机用户操作界面系统（客户端）和下位机逻辑控制系统组成。上、下位机通过网络交换机与机房运行监控平台连接，组成天线交换开关控制系统网。

上位机由工控机、数据库服务器和触摸显示屏组成，触摸显示屏设置在发射机房控制室内，屏上显示交换开关控制系统的用户操作界面，是整个系统的操作台，主要负责人机交互和显示各交换开关、天线（假负载）和发射机的实时状态和工况。值班人员可以在客户端上完成对天线交换开关的所有远程操作，系统设置、日志查询和系统信息查询等都在上位机上完成。系统通过上位机与机房运行监控平台通讯，可以接收机房运行监控平台下发的运行图和调度指令。

下位机设置在天线交换开关室的控制柜内，界面是本地操作界面，当上位机出现故障或远程通讯发生异常时，值班人员可以在本地操作交换开关，完成天线倒换。下位机的主要功能是与上位机通讯，接收上位机的操作指令，按照操作指令，通过系统内规定好的控制逻辑生成对各个交换开关的控制信号，包括定时信号和正反转信号，并将信号发送至PLC 控制组件，同时接收PLC 控制组件反馈回来的交换开关状态信息和交换开关操作完成后的转换到位信号。每次操作完成后，都要将接收到的状态信息和到位信号上行至上位机。

PLC 控制组件是天线交换控制系统的执行单元，PLC 负责接收下位机的控制指令，按照指令在交换开关矩阵中选择所需动作的交换开关，控制所选择天线交换通路上的三相异步电动机，电动机向指定方向转动，带动刀闸转向，形成运行图所指定的发射机与天线间的射频通路，实现天线的选择[2]。另外，PLC 控制组件还要将通过微动开关采集的所有交换开关的到位信息和状态信息反馈至系统的下位机。

上位机与下位机分别设置在发射机房控制室和天线交换开关室，二者距离较远，加之发射机房电磁环境复杂，为确保通讯通畅，防止电磁干扰，二者之间的通讯信息要通过光电转换后由光纤通路完成。

2.2 系统软件的体系框架

软件采用插件式框架设计，整个软件由主程序和各个插件模块组成，天线交换开关控制系统的软件体系结构如图1 所示。

系统的主程序为系统的主体框架，是整个软件系统的神经中枢，负责配置整个系统，组织和管理系统插件的装载、组合和有序运转，为各个插件提供插件契约，插件契约就是插件之间的服务接口，系统内所有插件间的数据传递全部通过系统框架统一的契约规范实现，便于有效地组织和管理插件。

系统中包含有网络通讯接口、运行图解析、交换开关控制、数据库存储、监测告警和状态显示，共六个插件模块。网络通讯接口模块配置和初始化系统与机房运行监控平台和PLC 控制组件间的通讯协议，负责完成机房运行监控平台、天线交换开关控制系统和PLC 控制组件间的数据通讯。运行图解析模块负责解析从机房运行监控平台接收到的运行图，生成运行时间表，并将生成的运行时间表存储到数据库存储模块中，运行时间表中有当天该发射机房需要执行的所有任务，是天线交换开关控制系统的控制依据。交换开关控制模块访问数据库中运行时间表的播音任务和所有交换开关的状态信息，通过使用提前规定好的控制原则，生成控制交换开关的控制指令。数据库存储模块负责存储系统中的各类数据信息，包括运行时间表、交换开关状态、系统运行日志和故障报警信息等。监测告警模块负责监测发射机、交换开关和天线的运行工况，与运行时间表中的任务进行比对，出现异常时会及时发出声光告警。状态显示模块可以直观地将发射机、交换开关和天线的连接路径以图形样式显示出来，并通过颜色区分设备的工作状态；同时，状态显示模块具备截屏功能，每次交换开关运行状态改变后，其就会对交换开关和天线的连接路径图进行截屏，并将这些图片保存在指定的文件夹，用来记录系统意外崩溃前所有交换开关和通路的状态。插件模块就是整个系统的各个器官，各个模块之间独立运行，分别发挥自身的功能；模块之间又相互联系，互相访问数据，提供系统的运行条件。

2.3 系统数据的传输与访问

笔者在设计与开发该系统的过程中，使用的数据格式有VARCHAR(M)和NUMBER(M，N)两种。VARCHAR(M) 用于表示长度可变的字符数据，M 表示该数据类型所保存的字符串的最大长度。NUMBER(M，N)为数字数据，若该数字是整数时，用NUMBER(M)表示，M 表示该数字最大可设置为M 位；若该数字有小数部分，则用NUMBER(M，N)表示，其中M 和N 分别指数字最大是M 位长，其中包含N 位小数。系统的插件契约采用统一的数据格式，不仅有利于系统的维护，而且可以增强系统的拓展性，便于系统日后更新、扩容和升级。

天线交换开关控制系统通过套接字（Socket）与机房平台进行通讯和数据交互。上行和下行的数据都按照协议中定义好的标识位识别数据类型，通讯协议还规定了每种数据类型传输的方式。天线交换开关控制系统与机房平台间数据交互的明细表如表1 所示。

表1 天线交换开关控制系统与机房平台之间数据交互的明细表

3 系统功能实现

天线交换开关控制系统采用插件式模块化结构构成，各模块之间独立运行，只需经过适当的组合配置，即可实现系统的总体功能。系统的几个重要功能的实现方案如下：

3.1 天线交换的控制逻辑

短波广播发射机房一般有多个发射机，其同时对应多个不同频段，不同服务方向的天线交换开关控制系统需要根据运行图规定的播音任务，在每一播音时段，自动为每个发射机准确配备天线。某发射机的播音任务结束后，系统会通过访问运行时间表明确该发射机下一播音任务的时间和所需要的天线，再通过查询其他发射机和交换开关的运行状态，通过控制逻辑运算得出该发射机天线倒换的时间[3]。控制逻辑如图2所示。

由控制逻辑图可以看出，发射机在完成一个播音任务后，首先会判断距离下一播音任务是否有时间间隙，如果没有则直接倒换天线开始下一任务的播音；如果有时间间隙，且播音间隙内有其他发射机需要倒换天线，则需要判断此次天线倒换是否会对其他设备造成影响，若两台发射机的天线路由互不影响，则在播音结束后立即倒换至下一任务的天线准备执行下一任务；若此次天线倒换会对其他发射机的天线倒换造成影响，且其他发射机的播音任务先于该发射机，则需要将此发射机空置，等待其他发射机天线倒换完成后，再寻找其他路由为该发射机倒换天线。

3.2 天线交换开关路径的选择

天线交换开关的基本控制原理是控制三相异步电机，通过电机的正反转带动开关刀体转动，刀体转向可以连接馈管内不同的触点，使高频信号通过不同路径去往不同的天线。当多个天线交换开关同时使用时，信号通过的路径就非常多。在设计和开发系统时，相关人员就需要对路径进行优化，选择出方便、快捷及不同发射机之间相互干扰小的路径。最常用的天线交换开关路径选择方法是枚举法，在开发系统时，相关人员需要提前列举出全部通路，并根据便利程度和对其他设备的影响程度，为每条通路设置优先级。系统会自动按照优先级从高到低查询，选出该发射机使用某副天线当前条件下优先级最高的路径，并按时完成倒换。例如，A01 机上3#天线通过不同交换开关的动作有多条路径，按照优先级的高低排列为A、B、C 等。当需要完成A01 机上3#天线倒换时，系统首先查询A 路径是否满足条件，如果满足则按A 路径倒换交换开关，完成天线倒换；如果A 路径中有交换开关正在使用，开关在闭锁状态不能转换，则查询B 路径，以此类推，直到找出当前条件下最合理的 路径[4]。

3.3 巡回监测和告警

每一个天线交换开关上都有多个微动开关，当开关刀体转动到位时，微动开关会将到位信号传递给PLC 控制组件，系统会通过PLC 控制组件定时上传的数据得到所有交换开关的位置信息，对整个天线交换开关系统进行巡回监测。巡回监测的结果是天线交换开关路径的选择依据。同时，系统还会将巡回监测到的每个交换开关的位置与运行时间表中的任务需求进行比对，如果比对发现异常，系统就会发出告警，帮助值班人员及时发现错误和交换开关故障[5]。

3.4 高压检测与连锁

天线交换开关上还设置有高压检测装置，其可以检测交换开关上是否有高压信号，在设计、开发系统时，相关人员可以根据高压检测结果设计系统的连锁功能。另外，天线自动交换系统必须要与发射机加高压控制进行闭锁，不允许带高压进行交换开关的切换。而且，当交换开关不到位时，发射机不允许上高压。

4 结语

在一年多时间的实际应用中，本系统运行稳定、安全、高效、便捷，解决了原有系统存在的问题，拓展了原有系统功能，能够满足现阶段短波广播发射的实际需求，对保障节目安全播出、加强广播发射机的自动化监测和控制有良好的效果。