调频广播发射机主备机自动切换控制系统的 设计与实现

大连老白山微波站：张玉臣

在信息技术的支持下，调频广播发射台站的“无人值守”逐渐成为必然趋势。现阶段一些台站虽然也使用了主备机自动切换系统，但是只能在同厂家、同型号的发射设备之间进行切换，具有很强的局限性；还有一些台站则使用软件平台控制主备机切换，但是在出现断电等情况时也会导致自动切换控制系统失效，无法保证广播节目的持续播出。在这一背景下，设计和应用一种可以支持不同型号设备灵活切换，以及支持现场手动、远程遥控等多种操作模式的主备机自动切换控制系统，对保障调频广播节目的正常播放、优化听众的节目收听体验有积极帮助。

1.调频广播发射机主备机自动切换控制系统的设计要求

本文设计的调频广播发射机主备机自动切换控制系统，以STM32F103单片机作为控制中心，通过RS485接口实时采集发射机的工况参数，由调频接收芯片AN8035开路接收确认，并通过对比交流电输入功率变化，智能判断是否需要切换主备发射机。若判断结果为“是”，则发送切换指令自动完成切换。系统的设计要求如下：

（1）系统功能要求。支持上电记忆和上电自动运行。系统预设参数在断电恢复之后完整保留，确保主备机切换后维持发射机的原工作状态继续运行。具备自检功能，在主发射机发生故障后能够第一时间检测到，以最短时间完成1+1切换；（2）系统接口要求。电源输入接口为三芯，允许通过最大电流10A。电源输出接口为三孔，允许通过最大电流10A。射频输入/输出采用带法兰的N-K接口。网络通信接口采用RJ45连接座，RS485通信接口采用拔插式端子；（3）运行环境要求。该系统正常工作温度-20～50℃、相对湿度≤90%、电源电压AC150V-300V。

2.调频广播发射机主备机自动切换控制系统的硬件设计

2.1 单片机

该系统的控制中心为STM32F103单片机，最高工作频率72MHz，功耗36mA。内置64KB的Flash，共有12个采样I/O口、3个16位定时器。设计时钟电路和复位电路2个外围电路，其中时钟电路中安装有2个外部时钟，工作频率分别为8MHz和32MHz；复位电路采用上电复位模式。单片机支持3种启动方式，默认为正常工作模式，BOOT1=X，BOOT0=0，此模式下从用户的闪存启动。单片机的I/O分配共有5种类型，YA口支持串口通信、SWD程序下载；YB口用于切换状态指示；YC口用于数据采集和信号接收；YD口控制三个同轴切换开关倒换主备机输出；YE口用于主机继电器线包吸合，具体情况如表1所示。

表1 I/O口资源分配表

2.2 电源模块

系统电源由2部分组成，一路电源为220V，向主备发射机供电；另一路为12V，向控制系统的芯片供电。其中，220V电源分别连接电压传感器、继电器，2台继电器的输出电压分别供主发射机和备发射机运行。12V电源连接K7805-500型开关稳压器，稳压后输出5V电压，供调频接收电路和RD485芯片运行；5V电压连接AMS1117-3.3稳压器，输出3.3V电压，供单片机和其他芯片运行。为获得更高效的电源信号，在电路中靠近K7805-500的地方，还放置了100uf/25V的滤波电解电容（C3和C5），在靠近AMS1117-3.3的地方，放置了10μF（C4）和0.1μF（C6）陶瓷电容，具体电路如图1所示。

图1 ：电源模块原理图

2.3 通讯模块

本系统中所用通信模块有RS232和RS485两种，前者用于自动切换控制系统内部通信，后者用于CPU与主备发射机主控进行通信。其中，RS485通信接口使用差分接收器，进一步提高了抗噪声能力，降低了通信干扰、提高了信号质量。最大传输速率可以达到20Mbps，理论上最大传输距离可达到3000m。RS485支持电气自动调节，在正常通信时逻辑电平置“1”，两线电压差为+（2-6）V，满足通信需求；在没有信号传输时，逻辑电平置“0”，两线电压差为-（2-6）V，延长了通行串口芯片的使用寿命。在STM32F103单片机上，选择USART3端口做RS485的接口，使用线缆将两个接口连接后，即可实现单片机与主备发射机的双向通信。

2.4 存储器

本系统使用AT45DB021D型Flash存储器，额定工作电压2.7V，含有1个256字节的SRAM缓冲器，支持Rapids串行接口通信，最大存储容量可以达到64MB。可支持数据、程序代码、数字语音等多种形式的信息存储。该存储器支持在线编程和烧录，并且支持数据的读取、改写和擦除，存储模块电路如图2所示。

图2 ：存储器模块原理图

2.5 切换模块

前端传感器采集主发射机的电压、电流等信号，并将其反馈至CPU。由CPU进行数据分析后判断是否存在异常。若存在异常，则进入倒机模式。单片机生成倒机命令，并发送给前端的执行设备。继电器接收倒机指令后，首先从P1口切断故障机的电源，将故障发射机隔离在调频广播系统之外，避免故障扩大化。然后继电器在通过P6口连接倒换同轴开关，使开关上电、闭合。在确定天线位置倒换正确后，新接入的备用机通电，从而完成了故障机和备用机的自动切换。完成切换后，使QN8035开路，判断广播节目播出是否恢复正常。在控制系统实际运行时，还必须考虑自动切换失败的情况，为此本系统还设计了5个按键，在自动切换失败后可进入手动操作模式，构成“双保险”。手动切换完毕后，再重新按下自动/手动按钮，将切换控制模式重新恢复至自动模式。

3.调频广播发射机主备机自动切换控制系统的软件设计

3.1 主程序设计

本系统使用RealView MDK开发环境，具有源代码编辑器功能强大、对话框可自定义开发工具、可实时下载代码程序至Flash ROM编程器等一系列特点。在系统调试运行时，使用μVision3设备模拟器，可模拟运行单片机的各项操作指令和系统功能。主程序流程如图3所示。

图3 ：主函数流程图

如上图所示，执行主程序时，首先对控制系统及其功能模块做初始化处理，然后再进入循环查询程序。初始化内容包括各串口复位，IP地址恢复默认，中断、定时器、GPIO等恢复默认，QN8035调频接收芯片初始化等。

3.2 系统检测自动切换主备机模块

切换控制模块的功能是在系统检测到主发射机出现故障后，成功将主机隔离，并顺利切换至备用发射机，具体有包括检查播出时间表、检测故障、倒换主备机等流程。每个环节对应一个切换函数，函数类型及其功能如表2所示。

表2 切换函数类型及对应功能

以手动整机倒机为例，其切换流程为：（1）按下应急检修按钮；（2）开启备用发射机的电源，并等待备用机3个功放模块完成通信；（3）检查通信是否正常，如果正常则关闭备用机的栅压。3个功放模块中，有任意一个模块通信超时自动退出切换流程；（4）关闭故障机栅压；（5）倒换天线，同时开启备用机栅压，完成手动倒机。

3.3 串口中断模块

串口负责上位机与发射机之间进行信息传递，例如从上位机发送故障机隔离指令、主备机切换指令等。串口中断模块运行时，同样要先执行初始化程序。首先复位串口，并将复位后的串口在寄存器中重新配置；然后设置波特率，可以调用Void uart_init（u32 pclk2，u32 bound）初始化函数，设置时钟频率及波特率。完成串口初始化后，每当串口接收到一组新的数据，RDR位移寄存器中的数据被转移到RSART_DR寄存器中。此时状态寄存器RXNE被置位。如果CRI寄存器中RXNEIE为1，则产生中断。

3.4 网络通信模块

网口和串口的功能基本一致，都是负责不同设备之间的通信。但是串口只适用于短距离通信，并且信道容量较小，通常只负责自上而下地发送各项控制指令。而网口支持长距离通信，并且传输容量大、传输速度快，常用于将传感器采集到的状态参数、运行工况等实时反馈给上位机。网络通信模式的功能实现有2种模式，其一是使用以太网收发芯片，比较常见的有ENC28J60；其二是采用嵌入式的以太网协议栈，常用的有UIP协议栈。本系统的网络通信选择了ENC28J60芯片与UIP协议栈组合的方式。ENC28J60芯片应用时，也要进行初始化处理，包括将端口状态调节为“输出”状态，重新配置用于数据发送和接收的缓冲区地址，以及写入MAC地址和初始化中断寄存器等。

4.调频广播发射机主备机自动切换控制系统的实现

使用以太网连接调频广播直放站网络接口，然后在直放站上运行上位机软件，完成数据上传和加载后，即可在软件界面上展示发射机当前的工况参数和设备信息，如：（1）工作状态，包括输出停播位、定时开关机控制位、正在控制动作响应延时等；（2）保护状态，包括电流过流、温度超限、反射过高等；（3）检测状态，包括主电压异常、功放温度过高等；（4）设备信息，包括设备地址、快速延时、主动间隔、默认网关等。

在主备机切换时，需要将3个功放模块全部从主机切换到备用机，才能顺利完成倒机。为此在该软件上测试了3个发射功放的功能实现情况，功放模块的系统界面如图4所示。

图4 ：功放模块上位机界面

在1号机上选择“停播”项，输出功率、反射功率等参数不变，点击“倒机”后发现正在播出的功放模块停止运行；选择“开机”项，其他参数不变，点击“倒机”后发现停播的功放模块恢复至播出状态；选择“修复否”项，其他参数不变，点击“倒机”后，如果检测到故障则显示“未修复”，如果未检测到故障则显示“已修复”。在2号、3号机上进行同样测试，均显示该软件的各项控制功能正常实现。

5.结语

为满足调频广播发射台站主备机自动切换的要求，本文设计了一种以STM32F103单片机为核心，使用以太网接口采集发射机实时工况，并判断是否需要进行主备切换的控制系统。在轮流循环检测中，判断需要主备切换后，利用3组独立的功放模块远程控制自动倒机。该系统投入使用后，将显著降低广播节目的停播率，降低维修工作难度，创造良好的社会效益和经济效益。