广播电视发射机自动监测控制系统的设计与应用

摘要

　　广播电视技术的不断发展，对广播电视发射机的监测和控制提出了越来越高的要求。广播电视发射机的自动监测控制系统建设是保证广播电视节目正常播出，实现"有人留守，无人值班"的关键环节。并且通过加强自动化监测，可帮助广播电视主管部门获取各设备实时状况，进行数据分析，最大程度上保证不中断实时广播电视播出。

　　首先本文在对国内外广播电视监控技术的发展进行调研分析的基础上，采用分散控制、集中管理架构，设计并实现了专门用于广播电视发射机自动监测控制系统。

　　本系统通过核心服务器，对信息进行集中管理，同时监测和控制多个单片机子系统。单片机子系统采用的分布式架构，可以避免个别终端子系统出现故障而影响了整个监控系统的性能。由于单片机只在系统初始化时接收控制字参数，故在服务器出现故障时，终端子系统可独自运行，从而保证可正常监测广播电视发射机。

　　其次鉴于单片机子系统的重要性，本文的重点是单片机子系统的软硬件设计及实现。

　　子系统中采用STC12C5A60S2单片机来负责终端和服务器、主发射机、备用发射机之间的通信。为了保证传输数据的健壮性，串口采用RS232或RS422传输数据，并适配不同广播电视发射机通信接口。采用16C550扩展出第3路串口，解决了串口资源不足的问题，并为扩展出多路串口提供了思路，提高了系统兼容性。

　　单片机子系统软件采用模块化设计思想，共分为四大部分进行设计。分别为主控模块、主发射机模块、备发射机模块和看门狗模块。主控模块负责单片机子系统与服务器之间的通信、并控制主发射机模块和备发射机模块等。主（备）发射机模块实现主控模块和主（备）发射机的通信，并按照主控模块指令控制主（备）发射机。看门狗模块采用X5045监测主控模块是否正常运行，进一步提高系统的健壮性。由于采用模块化设计，应用于不同型号的广播电视发射机时，只需修改相应的发射机模块，而无需重新编写主控模块和看门狗模块。因此复用效率高，具有良好的经济效益。

　　最后通过实际运行，证明广播电视发射机自动监测控制系统运行稳定、实时性好，提高了工作效率，具有良好的应用前景。

　　关键词：广播电视发射机；自动监测控制；单片机；串口

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

目录

　　第1章绪论

　　1.1课题的研究背景及意义

　　随着广播电视数字化、智能化的发展，广播电视节目越来越丰富，进而广播电视发射机越来越复杂，值班员值班任务越来越重【1].为了保证广播电视台安全播出，减轻值班员工作压力，减少人为责任事故的发生，实现"有人留守，无人值班"的广播电视发射台运行目标，广播电视发射机的自动监测控制系统建设成为关键环节广播电视发射机自动监测控制的研究具有极其重要意义。广播电视是目前数字化媒体的重要组成部分，是观众获取国家重要政策信息和了解社会热点的重要渠道。

　　广播电视发射机自动监测控制系统可确保监测的发射机节目安全准确传输，避免了发射机故障停播带来的损失。系统可实时、准确监测广播电视发射机运行状态和主要参数，方便值班人员随时查看，减少巡机次数[5].

　　本文研制的系统，打破地域的限制，因此只需在终端界面操作，便可获取系统设备运行状态。自动监测控制系统在监测到设备严重故障情况下能够严格按照倒机步骤自动倒备机，并提供报警功能，反应速度极快|6].但目前，大部分的广播电视发射机没有设计同轴转换开关控制器，不能自动倒换天线，所以不能达到安全播出的目的[7].

　　发射机供配电部分不能满足自动监测控制的需要，不能满足防雷击的需求18].目前市场上还未出现专门自动监测控制广播电视发射机用的单片机系统|9].因此，设计实现广播电视发射机自动监测控制系统己迫在眉睫。广播电视发射机自动监测控制系统是衡量广播电视行业发展的里程碑事件，且该系统在国内外市场具有极其广泛的应用前景。本系统不仅达到了自动监测的目的，同时具有稳定性好、复用性高、实时性好的优点。

　　1.2广播电视自动监测控制现状

　　美国在上世纪九十年代就实现了广播电视发射机自动监测控制系统的研制。具有发射机自动控制，发生故障自动倒换备机，发布告警信号到维修人员终端机的功能。目前己有海外的广播电视发射机进入我国市场，例如美国HARRIS的Z10CD-10KW发射机和FAX系列发射机，德国R&S8000系列和9000系列发射机等^12].

　　以上发射机都配套有自动监测控制系统，并提供远程连接协议与端口。相比国外发展来说，我国广播电视自动监测控制系统起步较晚，与国外有不小差距。很长时间以来，我国广播电视监测业务存在监控手段单一、人工成本高、评价方式不够客观等问题n3].直到21世纪初只有部分广播电视发射台实现了自动监测控制，但其他大部分广播电视发射台仍是以人工操作为主。大部分发射机生产商都为自己品牌开发了专用的自动监测控制系统，例如中国的吉兆公司为自己的发射机提供发射机监测控制系统（TransmiterMonitor&ControlSystem,TMCS）[14].

　　但是不具有通用性，因此对适用于各个不同生产厂商与型号发射机的监测设备，市场仍然有不小的空白。目前业界针对广播电视发射机自动监测控制系统主流设计方案有三种。第一种采用"分级结构，单点控制，多点监视，任意点查询"方式，下位机系统实现接收上位机控制信号、自动完成各种控制动作并采集设备状态及报警信息，当上位机出现故障，监控功能仍可以按照存储在下位机中的监控程序按步骤执行[15].

　　第二种是采用集中管理的控制方式或分散性的控制方式，优点为能够最大限度的避免系统出现的各种风险，避免由于个别的单元出现问题影响整体系统的运行[16].第三种为增强型单片机-服务器模式，这种方式使用单个终端系统控制一主一备两台发射机，通过服务器实现多串口卡采集终端系统状态并控制终端系统，采用数据库进行数据的存储和管理[17].服务器采用SQLServer数据库存储信息集中管理，浏览器和服务器之间进行分布式编程[18,|9].

　　1.3自动监测控制的思路及目标

　　广播电视发射机自动监测控制系统采用分散控制、集中管理架构。单片机子系统是分散控制的单元，可以避免个别子系统出现故障而影响了整个监测控制系统的运行。单片机子系统控制一套节目的主备发射机，按照服务器的命令完成对发射机的操作，并自动采集广播电视发射机的运行状态和主要参数，将信息上传到服务器。如果服务器出现故障不工作时，单片机子系统可以按照预设的程序对发射机进行监测控制。服务器是集中管理的单元，汇总分析信息，同时监测和控制多个单片机子系统。用户可以在客户端对服务器数据库的数据进行浏览打印，可以直接在客户端对发射机进行控制操作。最终达到了对发射机远程监测和控制的目的。

　　1.4本论文的组织结构

　　本论文具体的章节和内容安排如下：

　　第1章主要介绍了广播电视发射机自动监测控制系统研宄意义、现状、思路和目标。

　　第2章主要介绍核心单片机及外围电路的硬件部分。包括同轴转换开关控制器的设计与实现，发射机供配电部分的设计和实现。

　　第3章主要介绍单片机子系统实现广播电视发射机自动监测控制所用的模块化软件设计思路。

　　第4章主要简述广播电视发射机自动监测控制系统运行测试项目及其结果。

　　第5章主要对广播电视发射机自动监测控制系统做一个总结.

　　第2章单片机子系统及附属设备硬件的设计与实现
　　2.1自动监测控制系统简介
　　2.2单片机子系统硬件的设计和实现
　　2.2.1单片机子系统的设计要求
　　2.2.2单片机子系统硬件的设计和实现
　　2.2.3单片机子系统的对外连线

　　2.3同轴转换开关控制器的设计与实现
　　2.3.1同轴转换开关的功能
　　2.3.2同轴转换开关控制器的设计与实现
　　2.3.3联锁扩展的设计和实现
　　2.3.4联锁故障应急预案

　　2.4发射机供配电部分的设计与实现
　　2.4.1单片机子系统通断发射机电源
　　2.4.2单片机子系统监测电源状态
　　2.4.3单片机子系统电源应急预案
　　2.5本章小结

　　第3章单片机子系统软件实现
　　3.1单片机的编程模块化设计
　　3.2主控模块
　　3.2.1主函数
　　3.2.2发射机控制程序
　　3.3主发射机模块
　　3.4备发射机模块233.5看门狗模块
　　3.3.6单片机子系统和服务器的通信协议及检验
　　3.7单片机子系统应急预案
　　3.8本章小结

　　第4章运行测试
　　4.1实时性、准确性测试
　　4.2自动监测控制系统远程开关机测试和定时自动开关机测试
　　4.3自动监测控制系统主机故障自动倒备机测试
　　4.4单片机子系统的测试
　　4.4.1单片机子系统定时自动开关机测试
　　4.4.2单片机子系统主机故障倒备机测试
　　4.5自动监测控制系统定时抄表功能的测试
　　4.6本章小结

第5章结论

　　广播电视发射机自动监测控制系统真正达到"有人留守，无人值班"的效果。比传统的人工值班，实时性好，可靠性高。因此它的成功应用，减少了值班员的人数，减轻了值班员的工作量；减少了维护人员上下高山的次数，提高了的安全性，具有良好的经济效益。本系统加强对发射机各种故障的监测，减少了造成迟播或停播的人为事故。因此系统能够有效的避免各种事故的发生，使广大人民能收到不间断高质量信号，具有良好的社会效益。广播电视发射机自动监测控制系统对全国无线发射台的智能化、自动化、网络化管理具有推动作用。本系统分散控制的核心是单片机子系统，具有良好的兼容性和通用性。为了解决单片机子系统串口资源的问题，采用16C550扩展出第3路串口，满足了与发射机通信的需求。并为扩展出多路串口提供了思路，提高了系统兼容性。对于不同型号的广播电视发射机其通信接口不同，一般是RS232或RS422.单片机子系统的第2路串口和第3路串口均可通过跳线设置成RS232或RS422,满足广播电视发射机的接口要求。

　　结果表明具有良好的通用性。设计和实现的同轴转换开关控制器和发射机配电部分满足自动监测控制的需求，反应快速、安全可靠。传统的同轴转换开关只提供一路天线到位信号，仅能满足发射机联锁需求；可以手动或电动倒换天线。同轴转换开关控制器通过中间继电器扩展多路天线到位信号，满足了发射机联锁、天线位置指示灯和单片机子系统天线位置信息等的需求。单片机子系统控制同轴转换开关控制器中的电机继电器，实现倒换天线的目的。比传统的天线倒换，自动倒换反应快时间短。值班员在采用传统手动或电动倒换天线时，容易忽视没有先关发射机，导致同轴开关烧毁，造成人为停播事故。单片机子系统在自动倒换天线时，其软件控制主备发射机关机，收到关机成功信息后再控制天线倒换。这样快速、安全可靠。传统的发射机配电部分只能手动给发射机通断电源。本系统设计和实现的供配电部分。单片机子系统通过中间继电器控制发射机交流接触器，这样能够实现自动控制发射机通断电源的目的。

　　因此主发射机故障时，单片机子系统能自动快速倒换天线、通备发射机电、开备发射机。结果表明当出现故障时系统自动故障倒机比传统人工操作反应快时间短，因此广大人民收看节目中断时间短，具有良好的社会效益。采用了模块化编程的方式对单片机子系统进行了编程。模块化编程效率高，运行稳定，维护方便，具有良好的经济效益。单片机子系统软件分为主控模块、主发射机模块、备发射机模块和看门狗模块。比传统编程方式，模块化编程能把复杂问题变为简单问题。对于不同型号的广播电视发射机，单片机子系统编程只要编写相应发射机模块，不用重新编写主控模块和看门狗模块，编程效率非常高。各功能模块严格定义了输入输出的参数。并在多个机器上运行，可靠性得到了保证。模块功能明确，维护方便。

　　本文设计的自动监测控制系统，实际运行中反馈存在如下不足：尽管目前自动监测控制系统己经实现了监测和远程控制的基本功能，实现自动记录、自动打印功能，但值班员对监测内容的要求有变化时，比如发生故障后，要求软件能实时监测需求数据。发射机所有数据都保存在服务器数据库中，因此只要修改客户机软件，显示所有数据即可。由于自动监测控制系统在管理网上采用了B/S结构，可以考虑在智能手机上开发应用软件。软件具有远程监测发射机运行状态和主要参数、以及报警信息等功能。

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致谢

　　本次论文的研宄工作是在我的导师蒋保臣教授的悉心指导和严格要求下完成的，蒋老师认真指导我完成了论文选题、文献查阅、课题进展及整个论文的撰写工作。蒋老师认真严谨的治学态度、实事求是的工作作风和良好科学的工作方法对我产生了极大的影响，这些也都是我今后工作和学习的榜样。

　　感谢我的导师蒋保臣教授，这篇论文的每个细节和每个数据，都离不开你的细心指导，感谢蒋老师不厌其烦地帮助我进行论文的修改和完善。在此，一并感谢山东大学（威海）机电与信息工程学院老师们多年来对我的教育和培养。

　　在查阅文献、课题进展及撰写论文期间，申恒广等同学对我论文的研宄工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情；感谢同年级的其他同学，使我能在团结和睦、友好互助的气氛中度过美好的时光；同时，也一并感谢所有关心、帮助过我的老师、同学和朋友们。感谢这篇论文所涉及到的各位学者！本文参考了数位学者的研究文献，站在广大学者的肩膀上，我才取得了更好的研究成果。如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本论文。

　　感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。感谢我妻子和儿子，你们的默默牺牲、无私奉献和关爱是我能够在求知的路上坚持前行的动力！在论文即将完成之际，我的情绪无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学和朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。谨以此文献给我的亲人、老师、同学和朋友们！

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