基于触摸屏控制的发射机主备机切换器设计.pdf

电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）14-19.6LIS J,LI X.Desinofmainandstandbyswitcher of transmitterbased ontouch screen controlJ.VideoEngineering,，2 0 2 3,47文献引用格式：李世骏，李享，基于触摸屏控制的发射机主备机切换器设计.电视技术，2 0 2 3，47（6）：14-19.ARTS&DESIGN技市ideoEngineering器件与设计中图分类号：TN838文献标识码：AD0I:10.16280/j.videoe.2023.06.004基于触摸屏控制的发射机主备机切换器设计李世骏，李享（玉溪市老尖山广播电视发射台，云南玉溪652600)摘要：分析广播电视发射机主备机切换器控制要求，简要介绍工控触摸屏设备，利用触摸屏功能，设计制作广播电视发射机主备机切换器的硬件、软件设计思路和方法。设计的切换器能很好地进行主备机智能切换，还能实时采集主备发射机运行数据并上传，长期运行稳定可靠。关键词：工控触摸屏；监控；广播电视发射机；主备切换Design of Main and Standby Switcher of Transmitter Based on Touch Screen ControlLI Shijun,LI Xiang(Yuxi city Laojianshan Radio and Television Transmitting Station,Yuxi 652600,China)Abstract:This article analyzes the control requirements for the switch between the main and standby machines of broadcasting andtelevision transmitters,briefly introduces the industrial touch screen equipment,and uses the touch screen function to design andmanufacture the hardware and software design ideas and methods of the switch between the main and standby machines of broadcastingand television transmitters.The switch designed in this article can intelligently switch between the main and standby machines,andcan also collect real-time operating data of the main and standby transmitters and upload it,ensuring stable and reliable long-termoperation.Keywords:industrial touch screen;supervisory control;radio and television transmitter;main/standby switching0引言发射机主备机智能切换控制器是广播电视发射台机房监控系统的重要设备之一。目前，尽管市场上有成套的发射机切换控制产品，但这些成品不一定能满足发射台站的实际需求。地面数字电视发射机从开机到功率输出至预定值，一般会耗时几十秒。主备发射机机切换时，如果采用“关闭主发射机电源，切换同轴开关后再开启备用发射机电源”的方法，将会造成较长的停播时间。为减少主备机切换时的播出信号中断时间，有时可让备机处于热备份状态（备机开机，但不开启功放功率），当需要从主机切换到备机工作时，可通过发射机通信串口向主机发送关闭功率命令，然后进行同轴开关切换，之后再通过串口向备机发送开启功率命令。如此，将明显降低因切换造成的播出中断时间。采用工控触摸屏+可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PL C）（或IO模块）制作的主备机切换控制器，能通过串口与发射机通信，并能通过PLC（或IO模块)检测、控制同轴开关和发射机的电源开关。切换控制器不但能完成主备发射机运行参数采集工作，而且能智能地完成不同条件下的主备切换流程控制。1触摸屏简介工控触摸屏是一种可接收手指、触笔等输人信号的感应式显示装置，是自动化监控系统中重要的作者简介：李世骏（196 4一），男，本科，高级工程师，研究方向为广播电视无线传输覆盖工程、发射台站运维管理。电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）ARTS&DESIGNideoEngineering器件与设计人机界面（HumanMachineInterface，H M I）设备。随着技术的发展，触摸屏的集成度、功能性能越来越高，有丰富的通信接口，支持大量的通信协议，能保存相当数量的监测数据，并能通过网络向上转发数据。触摸屏都配备有相应的开发工具，可以非常容易地设计制作出界面漂亮、功能强大的监测控制人机界面。昆仑通态TPC7072Gt触摸屏是一款高性能嵌人式一体化触摸屏，采用Cortex-A54核CPU，系统内存512 MB，数据存储空间4GB，配备RJ-45、USB接口和3个RS-232/RS-485接口，配置7 英寸液晶触控屏。其底层操作系统为Linux，已预装了McgsPro运行版组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。可利用免费的McgsPro组态软件，方便、快捷地设计出触摸屏应用系统。2硬件设计发射机主备机切换器采用一套切换控制器控制一个频道的两台主备发射机的架构。主备切换器作为控制中心，完成对主、备发射机状态参数、同轴开关状态及其他参数的实时采集。当主机发生故障，切换器能自动判断故障并控制发射机、同轴开关协调动作，安全、快捷地切换到备机工作。系统框架如图1所示。2.1切换控制器主要硬件切换控制器主要硬件包括TPC7072Gt触摸屏、MODBUS-IO8R-A模块、AD8362模块、直流供电模块以及中间继电器等。其中，中间继电器与相关接口的组合构成同轴开关检测控制模块和主、备机电源控制接口模块，如图2 所示。MODBUS-IO8R-A模块具有8 路开关量输人口、8路开关量继电器输出口以及6 路模拟量输入口。该模块由触摸屏通过串口控制，执行发射机开关机、功率开启或关闭、同轴开关转动、状态检测以及发射功率模拟量采集等任务。AD8362模块是一块可检测50 Hz3.8 G H z 射频功率的对数检波器，输人范围为-55+15dBm，输出电压范围为0.354V，基本按50 mVdB-比例变化，经人工进一步调校后，实测误差低于0.4dB。使用该模块通过耦合器或监测口对发射机输出功率进行检测。当发射机串口通信不正常，该功率检测值将作为判定发射功率是否正常的数据来源。去发射天线RF定向耦定向耦合器发射功发射功合器RF率检测率检测RF假负载主发射机备用发射机同轴开关检测控制RS-232/RS-485电源控制电源控制RS-232/RS-485COM1I/ORF1/0RFI/OCOM2主备机监控切换控制器RJ-45连接监控系统图1发射机监控及主备切换控制框架图电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）6ideo EngineeringIP器件与设计ARTS&DESIGN器件与设计主发备发同轴开关主机电备机电发射功发射功射机射机检测控制源控制 源控制率检测率检测COM1COM2I/0I/OI/0RFRF同轴开关检测控主、备机电源AD8362AD8362制模块控制接口模块模块模块本1L,0.0,0.13M,0.0,0.12L,0.4,0.5,0.6,0.72M,V1,V2艾莫迅MODBUS-IO8R-ARS-485DB924V直流5V直流触摸屏TPC7072Gt供电模块220V交流RJ-45中连接监控系统220V交流图2主备机监控切换控制器硬件设计2.2各接口模块设计2.2.1同轴开关检测控制模块同轴开关检测控制模块电路如图3所示。KA1一KA4为中间继电器。KA1，K A 2 主要起隔离作用，其线圈供电由I0模块的开关输出口控制。当软件控制1L-0.0端口设置为“开”，KA1线圈通电，其常开触点闭合，接口2 输出2 2 0 V交流电，电机正转。同理，当1L-0.1端口设置为“开”时，电机反转。需要注意的是，1L-0.0，1L-0.1端口不能同时设置为“开”，否则同轴开关电机正、反端同时得电，将发生不可预知的问题，为此，设置KA3，K A 4进行互锁，使得正、反电机同时得电的情况不会发生。K1是自动/手动转换开关，当转为手动状态时，同轴开关的正、反转由开关K2手动控制。当电机正转到位，端口4和端口5将连通，3M-0.0端获得高电平，软件收到电机正转到位信号。同理，当电机反转到位，软件收到电机反转到位信号。2.2.2主、备机电源开关控制接口模块主、备机电源开关控制接口模块如图4所示。中间继电器KA5KA8起隔离作用，受控于2 L-0.4至2 L-0.7端口电平，端口电平由软件控制并模拟人工开机、关机按钮，即无论是开机还是关机，相应的24V直流220V交流+LLN1LKA1KA3KA4K10.022KA1KA4KA30.1KA23KA2K2424V直流+53M2接通2 2 0 V交流，电机正0.066转，3接通2 2 0 V交流，电机反转。4、5为正转到位信号0.17（连通），6、7 为反转到位信号（连通）。MODBUS-同轴开关检测控制模块检测控制同轴开关检测控制接口I08R-A模块接口图3同轴开关检测控制模块电路图电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）电视装重ideo EngineeringP器件与设计ARTS&DESIGN24V直流A1L+220V交流A2NO2LKA5A3KM1（辅触KA5,KM1（主触)0.4KA6A4KM1KA60.5主发射机电源KA70.6B1L0.7KA8B2220V交流ONKA7B3KM2（辅触KM2（主触)KA8B4KM2MODBUS-备发射机电源I08R-A模块发射机电源开关控制模块外部接线方法图4主、备机电源开关控制接口模块图端口都要输出一个持续时间约2 s（可调整)的高电平，其余时间端口均处于零电平。具体控制流程是：当2 L-0.5端口为高电平，表示开机，则KA6线圈通电，其常开触点闭合，交流接触器KM1线圈通电，其主触点闭合，主发射机通电，同时辅助触点也闭合。2 s后，虽然2 L-0.5端口转为零电平，KA6常开触点断开，但由于KM1辅助触点仍闭合，交流接触器处于自保持导通状态。当2 L-0.4端口为高电平，表示进行关机，则KA5线圈通电，其常闭触点断开，交流接触器线圈失电，其主、辅触点均断开，停止主发射机供电。2 s后，虽然2 L-0.4端口转为零电平，KA5常闭触点闭合，但KM1仍处于关断状态。备发射机电源开关控制过程与上述原理完全一致。图4中右侧部分为模块外部交流接触器接线方法。可在这部分加装自动/手动控制转换开关，用于发射机应急手动开关机操作。3软件设计切换控制器的软件设计就是利用McgsPro组态软件对触摸屏进行工程组态。组态好的工程可以通过USB或RJ-45接口下载到触摸屏。触摸屏会自动运行工程，进人监控工作状态。如图5所示，组态工作就是对组态环境中的主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五大部分分别进行组态，利用系统提供的构件构造应用系统，配置各种参数，快速形成一个有丰富功能、可实际应用的发射机监控及主备切换控制工程3。McgsPro组态环境文件（编辑（E）查看帮动）回惠中文工作台：CAMCGSPROSAMPLESG系列样的演示工程8 0 0 X480.MCPX回主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略百动画组态启动画面首页Title状态监控参数设置仪表显示新建窗口实时曲线历史曲线XY曲线报警浏览存盘浏览配方管理窗口属性伍宣设控制中心坦示板1图5McgsPro组态环境基本界面3.1软件设计基本过程软件设计的主要工作包括构建实时数据库、建立数据通信连接、设计人机交互窗口界面、编制流程控制脚本程序等。3.1.1构建实时数据库构建实时数据库，是根据监测、控制需要，构建所有需要的数据对象（变量），并对每个数据对象进行属性设置及操作方法（报警属性、报警处理和存盘处理等)设置4。实时数据库将成为连接各部分的数据中心，发挥核心功能作用。3.1.2建立数据通信连接建立数据通信连接是指建立系统与外部通信设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态。其中，与主、备发射机通信，需要向厂家获取发射机的串口通信协议，使用“串口收发数据”构件与发射机进行通信。与MODBUS-IO8R-A模块通信，只需添加ModbusRTU电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）18ideoEngineering器件与设计ARTS&DESIGN器件与设计构件，按模块通信协议进行相关设置，即可读取模拟量、开关量或设置输出开关状态。与上位机通信，可通过添加“ModbusTCPIP数据转发设备”构件，进行通道与实时数据对象关联设置，可将触摸屏构建为一个ModbusTCP从站（数据发送服务器），上位机通过网络访问从站数据，对从站有关数据进行读、写操作。3.1.3设计人机交互窗口界面人机交互窗口界面设计是通过创建窗口，在窗口中放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，并对图形对象进行设置，建立与实时数据对象的链接，从而完成图形界面的设计工作。可根据实际需要创建多个窗口，并设计由各种功能构件（比如动画构件、策略等)来操控窗口的各项功能。3.1.4编制流程控制脚本程序编制流程控制脚本程序，是通过创建各种策略并编写脚本，实现对系统运行流程进行自由控制，使系统按照预设的顺序和条件操作数据对象，控制用户窗口状态，修改设备运行参数，提高控制过程的实时性和有序性。主备机切换有严格的条件和流程，通过编写策略，可以很好地对流程进行控制。3.2软件设计有关要点3.2.1发射机串口数据读写由于发射机串口通信协议均为私有协议，需按以下方法进行串口通信操作。（1）在设备窗口中添加“通用串口父设备”，设置COM端口号、波特率、数据位、停止位、校验位等通信参数。在“通用串口父设备”下添加“串口收发数据”构件，设置最小采集周期、协议类型（字符串/16 进制）、读串口的结束方式、通信等待时间、读串口停止字符、读串口停止长度等参数。（2）在实时数据库中新建两个字符串型数据writeData、r e a d D a t a，分别存放写命令字串和返回数据字串。同时在数据库中创建发射功率、反射功率、功放电压、电流等发射机物理指标数据对象。（3）创建循环策略，编写发射机运行参数读解脚本程序，当程序运行时，将按设定的循环时间，周期性地向发射机通信串口发送读数据请求命令，并获取返回数据，对返回数据进行解析、实时更新发射机物理指标数据对象3.2.2主备机切换控制策略主备机切换流程控制需要遵循的要点是：只有当主机和备机同时没有功率输出，才能进行同轴开关的转动5。相较于传统的以机械互锁的方式来进行主备切换控制，本设计要求以更智能的方式进行主备切换。即，无论主、备机是处于开机还是关机状态、功率输出是有还是无、同轴开关处于正位还是反位等多种组合状态，切换器都能正确判断并进行全流程安全、自动切换控制。通过控制发射机功率输出来进行主备切换是首选的方法。只有与发射机串口通信中断或对功率控制失效时，才采用关闭/开启发射机（或功放）电源的方法进行主备切换控制。3.3切换界面设计切换界面设计充分利用McgsPro提供的图元、图符和动画构件等图形对象，绘制主备机机柜、连接馈线、同轴开关、假负载等设备图形，将这些图形与实时数据对象关联建立动画连接。程序运行时，相关电源、功率等指示、射频信号能流流向、同轴开关位置状态、假负载图形状态等将随实际的设备工作状态改变而发生变化。发生主备切换时，界面还能实时显示切换流程状态，便于维护人员了解切换过程细节。图6 是主备切换完成后的界面。玉溪市老尖山广播电视发射台2023-02-2513:13:33DS-31频道发射机主备机监控切换去天线主机备机备一主切换切换进程状态备主机关闭功率操作一，将暂停读解中口数据第一次发送关闭主机功率命令.关闭主机功率成功准备切换返回等待主机功率关断切换同轴开关切换到位近备机功率图65主一备切换完成后的界面电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）C编辑：张玉聪(上接第13页）编辑：张玉聪ARTS&DESIGN电视技市ideo Engineering器件与设计4应应用效果该切换器能很好地实现对主、备发射机运行参数的实时监测。当达到切换条件，切换器能根据各项运行参数智能地进行全流程主备自动切换，而且图形界面会直观展示切换进程细节。该切换器用于地面数字电视发射机主备切换，也可用于调频广播发射机主备切换，既是切换器也是数据采集器。在台站监控系统中的使用情况表明，其运行十分稳定可靠，已成为台站监控系统的重要组成部分。55结语本文利用触摸屏较强的数据采集、通信、数据运算处理以及生动的图形动画显示功能，简易地设计出功能完善、性能稳定的发射机主备监控切换器。设计作为控制端，小程序需要借助云平台将控制信息发送到ESP8266EX芯片端并接收来自ESP8266EX芯片的一些上报信息。ESP8266EX芯片与云平台使用MQTT协议进行信息传递。理论上，微信端也可以通过MQTT协议完成与云平台的信息沟通，但是实现比较复杂，工作量也比较大。本设计使用ONENET云平台提供的应用程序编程接（A p p l i c a t i o n Pr o g r a mmi n g In t e r f a c e，A PI）接，使用HTTP或HTTPS调用进行设备管理、数据查询以及设备命令交互。通过查阅ONENET云平台的使用说明，本设计中，给云平台发送控制命令采用POST方法。实现发送控制指令的部分关键代码如下。wx.request(url:http:l/ 魏立威.发射机主备机切换控制器的设计J.活力，2 0 13(1):40.2谢英.基于触摸屏和PLC的发射机控制系统.信息化研究,2 0 0 9(11):9-12.3 黄军飞，覃晖.基于ARMLinux的地面数字电视发射机主备切换控制器设计.广播与电视技术，2 0 2 1（9)：98-101.4 喻成.发射机主备机自动切换系统设计J.电子制作，2015(12):49-50.5 汪家祺，沈斌，王敏海，等.发射机同轴倒换开关故障分析与处理J.广播与电视技术，2 0 2 3，50（1）：93-95.关控制系统能够采集电视的工作状态和实时温度信息，并通过ONENET云平台转发到用户使用的微信小程序端实现远程控制。为了节省成本，减小系统的体积，便于安装使用，本系统不使用常与ESP8266EX芯片搭配的带串口的单片机，提高了系统的稳定性和可靠性。本系统可使得家长对少年儿童的看电视行为实现有效监管，减少沉迷电视对少年儿童的身心伤害。参考文献：1 赵剑锋，安霆，张晓辉，等.基于ESP8266的声光报警和智能控制装置设计J.仪表技术，2 0 2 3（3）：2 1-2 3.2张萍.基于ESP8266和OneNET云平台的远程报警系统J.单片机与嵌入式系统应用，2 0 17（12）：6 4-6 7.3 张峰，刘海锋.基于物联网技术的智能插座设计与实现J物联网技术，2 0 2 2（3）：6 8-7 0.4管嘉诚，李晓烽，黄志芳，等.基于ESP8266与机智云的物联网智能家居.物联网技术，2 0 2 3，13（3）：140-142.5 祝朝坤，王显然.基于树莓派与ESP8266的温室环境智能监控系统的设计与实现J.电子产品世界，2 0 2 3，30（1)：40-43.6 张恒强，安霆，王乙涵.基于ESP8266的物联网技术应用研究.仪表技术，2 0 2 2（3）：2 6-2 9.