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                        廣播電視發射機自動監測控制系統的設計與應用

                        添加時間:2020/06/04 來源:山東大學 作者:周承輝
                        本文在對國內外廣播電視監控技術的發展進行調研分析的基礎上,采用分散控制、集中管理架構,設計并實現了專門用于廣播電視發射機自動監測控制系統。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          廣播電視技術的不斷發展,對廣播電視發射機的監測和控制提出了越來越高的要求。廣播電視發射機的自動監測控制系統建設是保證廣播電視節目正常播出,實現"有人留守,無人值班"的關鍵環節。并且通過加強自動化監測,可幫助廣播電視主管部門獲取各設備實時狀況,進行數據分析,最大程度上保證不中斷實時廣播電視播出。

                          首先本文在對國內外廣播電視監控技術的發展進行調研分析的基礎上,采用分散控制、集中管理架構,設計并實現了專門用于廣播電視發射機自動監測控制系統。

                          本系統通過核心服務器,對信息進行集中管理,同時監測和控制多個單片機子系統。單片機子系統采用的分布式架構,可以避免個別終端子系統出現故障而影響了整個監控系統的性能。由于單片機只在系統初始化時接收控制字參數,故在服務器出現故障時,終端子系統可獨自運行,從而保證可正常監測廣播電視發射機。

                          其次鑒于單片機子系統的重要性,本文的重點是單片機子系統的軟硬件設計及實現。

                          子系統中采用STC12C5A60S2單片機來負責終端和服務器、主發射機、備用發射機之間的通信。為了保證傳輸數據的健壯性,串口采用RS232或RS422傳輸數據,并適配不同廣播電視發射機通信接口。采用16C550擴展出第3路串口,解決了串口資源不足的問題,并為擴展出多路串口提供了思路,提高了系統兼容性。

                          單片機子系統軟件采用模塊化設計思想,共分為四大部分進行設計。分別為主控模塊、主發射機模塊、備發射機模塊和看門狗模塊。主控模塊負責單片機子系統與服務器之間的通信、并控制主發射機模塊和備發射機模塊等。主(備)發射機模塊實現主控模塊和主(備)發射機的通信,并按照主控模塊指令控制主(備)發射機?撮T狗模塊采用X5045監測主控模塊是否正常運行,進一步提高系統的健壯性。由于采用模塊化設計,應用于不同型號的廣播電視發射機時,只需修改相應的發射機模塊,而無需重新編寫主控模塊和看門狗模塊。因此復用效率高,具有良好的經濟效益。

                          最后通過實際運行,證明廣播電視發射機自動監測控制系統運行穩定、實時性好,提高了工作效率,具有良好的應用前景。

                          關鍵詞:廣播電視發射機;自動監測控制;單片機;串口

                        廣播電視發射機

                        abstract

                          With the continuous development of radio and television technology, higher and higher requirements are put forward for the monitoring and control of radio and television transmitters. The construction of automatic monitoring and control system of radio and television transmitter is the key link to ensure the normal broadcast of radio and television programs and to realize "someone left behind, no one on duty". And through strengthening the automatic monitoring, it can help the competent radio and television departments to obtain the real-time status of each equipment, carry out data analysis, and guarantee the real-time radio and television broadcasting without interruption to the greatest extent.

                          First of all, based on the investigation and analysis of the development of radio and television monitoring technology at home and abroad, this paper designs and implements an automatic monitoring and control system for radio and television transmitters, using a decentralized control and centralized management framework.

                          Through the core server, the system can manage the information centrally, and monitor and control many single-chip microcomputer subsystems at the same time. The distributed architecture adopted by the single chip microcomputer subsystem can avoid the failure of inpidual terminal system and affect the performance of the whole monitoring system. Since the single chip microcomputer only receives the control word parameters when the system is initialized, the terminal subsystem can operate alone when the server fails, so as to ensure the normal monitoring of the radio and television transmitter.

                          Secondly, in view of the importance of the single-chip microcomputer subsystem, this paper focuses on the hardware and software design and implementation of the single-chip microcomputer subsystem.

                          STC12C5A60S2 single chip microcomputer is used in the subsystem to be responsible for the communication between the terminal and the server, the main transmitter and the standby transmitter. In order to ensure the robustness of data transmission, the serial port uses RS232 or RS422 to transmit data, and adapts to different communication interfaces of radio and television transmitters. Using 16C550 to expand the third serial port solves the problem of insufficient serial port resources, and provides ideas for expanding the multi-channel serial port, and improves the system compatibility.

                          The software of single-chip microcomputer subsystem adopts the idea of modular design, which is pided into four parts. Main control module, main transmitter module, standby transmitter module and watchdog module respectively. The main control module is responsible for the communication between the SCM subsystem and the server, and controls the main transmitter module and the standby transmitter module. The main (standby) transmitter module realizes the communication between the main control module and the main (standby) transmitter, and controls the main (standby) transmitter according to the command of the main control module. The watchdog module uses X5045 to monitor the normal operation of the main control module, further improving the robustness of the system. Due to the modular design, when it is applied to different types of radio and television transmitters, only the corresponding transmitter module needs to be modified, and there is no need to rewrite the main control module and watchdog module. Therefore, it has high reuse efficiency and good economic benefits.

                          Finally, through the actual operation, it is proved that the automatic monitoring and control system of radio and television transmitter is stable and real-time, which improves the working efficiency and has a good application prospect.

                          Key words: Radio and television transmitter; automatic monitoring control; single chip microcomputer; serial port

                        目錄

                          第1章緒論

                          1.1課題的研究背景及意義

                          隨著廣播電視數字化、智能化的發展,廣播電視節目越來越豐富,進而廣播電視發射機越來越復雜,值班員值班任務越來越重【1].為了保證廣播電視臺安全播出,減輕值班員工作壓力,減少人為責任事故的發生,實現"有人留守,無人值班"的廣播電視發射臺運行目標,廣播電視發射機的自動監測控制系統建設成為關鍵環節廣播電視發射機自動監測控制的研究具有極其重要意義。廣播電視是目前數字化媒體的重要組成部分,是觀眾獲取國家重要政策信息和了解社會熱點的重要渠道。

                          廣播電視發射機自動監測控制系統可確保監測的發射機節目安全準確傳輸,避免了發射機故障停播帶來的損失。系統可實時、準確監測廣播電視發射機運行狀態和主要參數,方便值班人員隨時查看,減少巡機次數[5].

                          本文研制的系統,打破地域的限制,因此只需在終端界面操作,便可獲取系統設備運行狀態。自動監測控制系統在監測到設備嚴重故障情況下能夠嚴格按照倒機步驟自動倒備機,并提供報警功能,反應速度極快|6].但目前,大部分的廣播電視發射機沒有設計同軸轉換開關控制器,不能自動倒換天線,所以不能達到安全播出的目的[7].

                          發射機供配電部分不能滿足自動監測控制的需要,不能滿足防雷擊的需求18].目前市場上還未出現專門自動監測控制廣播電視發射機用的單片機系統|9].因此,設計實現廣播電視發射機自動監測控制系統己迫在眉睫。廣播電視發射機自動監測控制系統是衡量廣播電視行業發展的里程碑事件,且該系統在國內外市場具有極其廣泛的應用前景。本系統不僅達到了自動監測的目的,同時具有穩定性好、復用性高、實時性好的優點。

                          1.2廣播電視自動監測控制現狀

                          美國在上世紀九十年代就實現了廣播電視發射機自動監測控制系統的研制。具有發射機自動控制,發生故障自動倒換備機,發布告警信號到維修人員終端機的功能。目前己有海外的廣播電視發射機進入我國市場,例如美國HARRIS的Z10CD-10KW發射機和FAX系列發射機,德國R&S8000系列和9000系列發射機等^12].

                          以上發射機都配套有自動監測控制系統,并提供遠程連接協議與端口。相比國外發展來說,我國廣播電視自動監測控制系統起步較晚,與國外有不小差距。很長時間以來,我國廣播電視監測業務存在監控手段單一、人工成本高、評價方式不夠客觀等問題n3].直到21世紀初只有部分廣播電視發射臺實現了自動監測控制,但其他大部分廣播電視發射臺仍是以人工操作為主。大部分發射機生產商都為自己品牌開發了專用的自動監測控制系統,例如中國的吉兆公司為自己的發射機提供發射機監測控制系統(TransmiterMonitor&ControlSystem,TMCS)[14].

                          但是不具有通用性,因此對適用于各個不同生產廠商與型號發射機的監測設備,市場仍然有不小的空白。目前業界針對廣播電視發射機自動監測控制系統主流設計方案有三種。第一種采用"分級結構,單點控制,多點監視,任意點查詢"方式,下位機系統實現接收上位機控制信號、自動完成各種控制動作并采集設備狀態及報警信息,當上位機出現故障,監控功能仍可以按照存儲在下位機中的監控程序按步驟執行[15].

                          第二種是采用集中管理的控制方式或分散性的控制方式,優點為能夠最大限度的避免系統出現的各種風險,避免由于個別的單元出現問題影響整體系統的運行[16].第三種為增強型單片機-服務器模式,這種方式使用單個終端系統控制一主一備兩臺發射機,通過服務器實現多串口卡采集終端系統狀態并控制終端系統,采用數據庫進行數據的存儲和管理[17].服務器采用SQLServer數據庫存儲信息集中管理,瀏覽器和服務器之間進行分布式編程[18,|9].

                          1.3自動監測控制的思路及目標

                          廣播電視發射機自動監測控制系統采用分散控制、集中管理架構。單片機子系統是分散控制的單元,可以避免個別子系統出現故障而影響了整個監測控制系統的運行。單片機子系統控制一套節目的主備發射機,按照服務器的命令完成對發射機的操作,并自動采集廣播電視發射機的運行狀態和主要參數,將信息上傳到服務器。如果服務器出現故障不工作時,單片機子系統可以按照預設的程序對發射機進行監測控制。服務器是集中管理的單元,匯總分析信息,同時監測和控制多個單片機子系統。用戶可以在客戶端對服務器數據庫的數據進行瀏覽打印,可以直接在客戶端對發射機進行控制操作。最終達到了對發射機遠程監測和控制的目的。

                          1.4本論文的組織結構

                          本論文具體的章節和內容安排如下:

                          第1章主要介紹了廣播電視發射機自動監測控制系統研宄意義、現狀、思路和目標。

                          第2章主要介紹核心單片機及外圍電路的硬件部分。包括同軸轉換開關控制器的設計與實現,發射機供配電部分的設計和實現。

                          第3章主要介紹單片機子系統實現廣播電視發射機自動監測控制所用的模塊化軟件設計思路。

                          第4章主要簡述廣播電視發射機自動監測控制系統運行測試項目及其結果。

                          第5章主要對廣播電視發射機自動監測控制系統做一個總結.








                          第2章單片機子系統及附屬設備硬件的設計與實現
                          2.1自動監測控制系統簡介
                          2.2單片機子系統硬件的設計和實現
                          2.2.1單片機子系統的設計要求
                          2.2.2單片機子系統硬件的設計和實現
                          2.2.3單片機子系統的對外連線

                          2.3同軸轉換開關控制器的設計與實現
                          2.3.1同軸轉換開關的功能
                          2.3.2同軸轉換開關控制器的設計與實現
                          2.3.3聯鎖擴展的設計和實現
                          2.3.4聯鎖故障應急預案

                          2.4發射機供配電部分的設計與實現
                          2.4.1單片機子系統通斷發射機電源
                          2.4.2單片機子系統監測電源狀態
                          2.4.3單片機子系統電源應急預案
                          2.5本章小結

                          第3章單片機子系統軟件實現
                          3.1單片機的編程模塊化設計
                          3.2主控模塊
                          3.2.1主函數
                          3.2.2發射機控制程序
                          3.3主發射機模塊
                          3.4備發射機模塊233.5看門狗模塊
                          3.3.6單片機子系統和服務器的通信協議及檢驗
                          3.7單片機子系統應急預案
                          3.8本章小結

                          第4章運行測試
                          4.1實時性、準確性測試
                          4.2自動監測控制系統遠程開關機測試和定時自動開關機測試
                          4.3自動監測控制系統主機故障自動倒備機測試
                          4.4單片機子系統的測試
                          4.4.1單片機子系統定時自動開關機測試
                          4.4.2單片機子系統主機故障倒備機測試
                          4.5自動監測控制系統定時抄表功能的測試
                          4.6本章小結

                        第5章結論

                          廣播電視發射機自動監測控制系統真正達到"有人留守,無人值班"的效果。比傳統的人工值班,實時性好,可靠性高。因此它的成功應用,減少了值班員的人數,減輕了值班員的工作量;減少了維護人員上下高山的次數,提高了的安全性,具有良好的經濟效益。本系統加強對發射機各種故障的監測,減少了造成遲播或停播的人為事故。因此系統能夠有效的避免各種事故的發生,使廣大人民能收到不間斷高質量信號,具有良好的社會效益。廣播電視發射機自動監測控制系統對全國無線發射臺的智能化、自動化、網絡化管理具有推動作用。本系統分散控制的核心是單片機子系統,具有良好的兼容性和通用性。為了解決單片機子系統串口資源的問題,采用16C550擴展出第3路串口,滿足了與發射機通信的需求。并為擴展出多路串口提供了思路,提高了系統兼容性。對于不同型號的廣播電視發射機其通信接口不同,一般是RS232或RS422.單片機子系統的第2路串口和第3路串口均可通過跳線設置成RS232或RS422,滿足廣播電視發射機的接口要求。

                          結果表明具有良好的通用性。設計和實現的同軸轉換開關控制器和發射機配電部分滿足自動監測控制的需求,反應快速、安全可靠。傳統的同軸轉換開關只提供一路天線到位信號,僅能滿足發射機聯鎖需求;可以手動或電動倒換天線。同軸轉換開關控制器通過中間繼電器擴展多路天線到位信號,滿足了發射機聯鎖、天線位置指示燈和單片機子系統天線位置信息等的需求。單片機子系統控制同軸轉換開關控制器中的電機繼電器,實現倒換天線的目的。比傳統的天線倒換,自動倒換反應快時間短。值班員在采用傳統手動或電動倒換天線時,容易忽視沒有先關發射機,導致同軸開關燒毀,造成人為停播事故。單片機子系統在自動倒換天線時,其軟件控制主備發射機關機,收到關機成功信息后再控制天線倒換。這樣快速、安全可靠。傳統的發射機配電部分只能手動給發射機通斷電源。本系統設計和實現的供配電部分。單片機子系統通過中間繼電器控制發射機交流接觸器,這樣能夠實現自動控制發射機通斷電源的目的。

                          因此主發射機故障時,單片機子系統能自動快速倒換天線、通備發射機電、開備發射機。結果表明當出現故障時系統自動故障倒機比傳統人工操作反應快時間短,因此廣大人民收看節目中斷時間短,具有良好的社會效益。采用了模塊化編程的方式對單片機子系統進行了編程。模塊化編程效率高,運行穩定,維護方便,具有良好的經濟效益。單片機子系統軟件分為主控模塊、主發射機模塊、備發射機模塊和看門狗模塊。比傳統編程方式,模塊化編程能把復雜問題變為簡單問題。對于不同型號的廣播電視發射機,單片機子系統編程只要編寫相應發射機模塊,不用重新編寫主控模塊和看門狗模塊,編程效率非常高。各功能模塊嚴格定義了輸入輸出的參數。并在多個機器上運行,可靠性得到了保證。模塊功能明確,維護方便。

                          本文設計的自動監測控制系統,實際運行中反饋存在如下不足:盡管目前自動監測控制系統己經實現了監測和遠程控制的基本功能,實現自動記錄、自動打印功能,但值班員對監測內容的要求有變化時,比如發生故障后,要求軟件能實時監測需求數據。發射機所有數據都保存在服務器數據庫中,因此只要修改客戶機軟件,顯示所有數據即可。由于自動監測控制系統在管理網上采用了B/S結構,可以考慮在智能手機上開發應用軟件。軟件具有遠程監測發射機運行狀態和主要參數、以及報警信息等功能。

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                        致謝

                          本次論文的研宄工作是在我的導師蔣保臣教授的悉心指導和嚴格要求下完成的,蔣老師認真指導我完成了論文選題、文獻查閱、課題進展及整個論文的撰寫工作。蔣老師認真嚴謹的治學態度、實事求是的工作作風和良好科學的工作方法對我產生了極大的影響,這些也都是我今后工作和學習的榜樣。

                          感謝我的導師蔣保臣教授,這篇論文的每個細節和每個數據,都離不開你的細心指導,感謝蔣老師不厭其煩地幫助我進行論文的修改和完善。在此,一并感謝山東大學(威海)機電與信息工程學院老師們多年來對我的教育和培養。

                          在查閱文獻、課題進展及撰寫論文期間,申恒廣等同學對我論文的研宄工作給予了熱情幫助,在此向他們表達我的感激之情;感謝同年級的其他同學,使我能在團結和睦、友好互助的氣氛中度過美好的時光;同時,也一并感謝所有關心、幫助過我的老師、同學和朋友們。感謝這篇論文所涉及到的各位學者!本文參考了數位學者的研究文獻,站在廣大學者的肩膀上,我才取得了更好的研究成果。如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發,我將很難完成本論文。

                          感謝我的爸爸媽媽,焉得諼草,言樹之背,養育之恩,無以回報,你們永遠健康快樂是我最大的心愿。感謝我妻子和兒子,你們的默默犧牲、無私奉獻和關愛是我能夠在求知的路上堅持前行的動力!在論文即將完成之際,我的情緒無法平靜,從開始進入課題到論文的順利完成,有多少可敬的師長、同學和朋友給了我無言的幫助,在這里請接受我誠摯的謝意。謹以此文獻給我的親人、老師、同學和朋友們!

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