CN105091946A - 基于ARM的150kW短波发射机监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ARM的150kW短波发射机监测系统，该监测系统能实现150kW短波发射机电气信号的测量、温度的测量、调幅度的测量、界面显示、数据存储、串口通信、网络通信等功能，通过对采集到的150kW短波发射机各方面的监测数据进行处理和分析，评估整个发射机的工作状态是否正常，实现自动抄表、自动检测、自动诊断、超限报警、数据查询、WIFI等功能。

Description

基于ARM的150kW短波发射机监测系统

技术领域

本发明涉及短波发射机电气参数的数据采集及监测，尤其是涉及一种基于嵌入式系统的短波发射机监测系统。

背景技术

150kW短波发射机监测系统主要实现对150kW短波发射机的工作状态及各级电路工作时的电气参数进行实时监控和数据检测。目前传统的短波发射机测量装置的信号采集仍使用单片机作为主控制芯片，无显示界面，无数据存储功能，发射机电气参数的记录只能采用人工抄录的方式，无法对发射机电气参数进行统一管理和分析。由于没有人机界面，需通过另外一台工控机对采集的参数值进行校正，不具备网口，不能对监测装置进行远程维护，软件升级，已经不能适应目前的发展。

发明内容

在本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于ARM的嵌入式短波发射机监测系统，该监测系统能实现150kW短波发射机电气信号的测量、温度的测量、调幅度的测量、界面显示、数据存储、串口通信、网络通信等功能，通过对采集到的150kW短波发射机各方面的监测数据进行处理和分析，评估整个发射机的工作状态是否正常，实现自动抄表、自动检测、自动诊断、超限报警、数据查询、WIFI等功能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案其特点是，通过隔离放大器实现150kW短波发射机与监测系统信号的有效隔离，以ARM嵌入式核心板为本监测系统的核心，通过核心板的SPI串行总线连接并扩展A/D模拟量采集电路，通过核心板的GPIO接口连接温度测量电路，调幅度测量通过A/D模拟量采集电路送到ARM核心板，表头电路驱动电压表显示。

所述的信号隔离，为避免大功率发射机瞬间非正常电压突然加到150kW短波发射机监测系统电路输入端，造成监测系统电路元器件损坏，以及避免监测系统装置本身对发射机各级采样电路的影响，本发明采用输入/输出1：1增益的信号隔离放大器连接发射机各级信号采样端与本短波发射机监测系统的输入端，将输入端信号、输出端信号进行有效隔离，同时也将输入信号与输出信号的供电电源进行了隔离，解决短波发射机与监测系统的电气隔离及现场干扰问题，保障监测系统稳定可靠运行。

所述的ARM嵌入式核心板作为主控制模块，由嵌入式Linux操作系统和LCD、SPI、GPIO驱动组成，负责对A/D模拟量采集、温度测量、调幅度测量、LCD显示屏的控制。

所述的AD模拟量采集,包括3片8通道、多量程、SPI串行输出的A/D转换芯片、滤波电路、分压电路组成。其中8路AD输入用于低周箱高前级电子管的灯丝、栅极、帘栅极以及板极的电压和电流的数据采集；8路AD输入用于低周箱末级电子管的灯丝、栅极以及帘栅极以及末级板极的电压和电流的数据采集；6路AD输入用于高前激励、宽放电流、宽放电压、宽放功率、输出功率、反射功率的数据采集。2路AD输入用于调幅波监测电路，采集高频调幅波信号的载波直流和音频检波信号。末级和前级电子管灯丝电流互感器取样回来的灯丝电流电压范围在0~15V之间，为使范围在A/D采样范围0~10V内，经电阻分压后接入到A/D采样输入端。大功率发射机的高频干扰比较强，A/D模拟量转换器采集速度快，灵敏度高，经滤波器滤波后，还需经软件滤波再由界面显示。

所述的温度测量，是指对150kW短波发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度进行测量，电子管入水温度过高，表明热交换器不正常；出水温度过高表明电子管工作不正常，这两种情况都应该禁止发射机的正常工作。温度传感器测回的数据通过ARM核心板的GPIO接口送到ARM，通过软件滤波，得到入水、出水温度在界面显示出来。

所述的调幅度测量，根据GY31-84《调幅广播发射机运行技术等级》调幅度的定义：用单一频率的音频信号对载波进行调制的已调波，其最大或最小瞬时振幅与调制期间载波振幅差值再与调制期间载波振幅之比用百分比表示，既为发射机的调幅度。在本监测系统中，通过对150kW短波发射机的射频信号进行瞬时监测，其调幅度为射频信号检波后的音频电平幅度与直流电平之比。通过对载波直流信号的时间函数进行积分计算，得到在Δt时间间隔内的载波能量值；同样对音频信号的时间函数进行积分计算，得到在Δt时间间隔内的音频信号的能量值；将在Δt时间间隔内的音频信号的能量值除以在Δt时间间隔内的载波能量值，其商值就是在Δt时间间隔内的调幅度值。

所述的表头电路驱动150kW短波发射机的前级帘栅电流、前级阳极电流、末级栅级电流、末级帘栅电流、末级阳级电流、末级阳级电压6块表的表头，在安装之前对六块表进行校表，通过改变表头电路信号输入端的串接电阻，及运放的放大倍数对表头显示值进行校正。表头电路能反应短波发射机运行时的工作状态，当短波发射机前级或末级故障时，相应的表头反打。同样，经A/D采样后进入系统的LCD显示界面中的相应表头也显示反打状态并提示报警信息。

附图说明

图1为本发明基于ARM的短波发射机监测系统内部结构图；

图2为本发明中调幅度测量电路结构图。

具体实施方式

如图1所示，基于ARM的150kW短波发射机监测系统内部结构主要包括2部分，24路采集板及ARM嵌入式核心板，其中ARM核心板为嵌入式系统，接口资源丰富，有串口、USB接口、SD卡接口、LCD显示接口、100M标准网口接口、SPI串行总线、30pinGPIO接口，支持LCD四线电阻触摸屏。随着ARM微处理器的发展，高性能的多核处理器已成趋势，集成了CPU高性能图形引擎，流畅运行嵌入式Linux操作系统，非常适用于图形图像显示，智能监控系统的开发。24路采集板包括隔离放大器、A/D模拟量转换、温度测量和调幅度测量，通过SPI总线，GPIO接口实现与ARM核心板的数据传输。

24路采集板包括3片8路A/D模拟量转换芯片，需要对SPI总线进行复用，即使用ARM核心板的一个SPI接口，通过GPIO接口的3个GPIO引脚，复用SPI总线的片选信号，将3片A/D模拟量转换芯片连接到同一个SPI总线接口上，分时复用SPI总线。调幅度测量电路送出的高频调幅信号的载波直流和音频检波信号分别送到A/D模拟量转换芯片的2个通道输入端。出入温度和入水温度传感器连接到ARM核心板的GPIO接口。隔离放大器将短波发射机采样电路送入的信号与A/D转换电路隔离。

ARM嵌入式核心板作为监测系统的主控制模块，用于对外部硬件设备的调度控制，通过Linux操作系统，以及外部设备的硬件驱动程序，协调各硬件设备的工作，及数据存储功能。监测系统的人机界面使用跨平台的QT图形界面开发平台开发，利用窗口、菜单和图形显示的形式将本系统的所有功能显示出来，方便操作人员使用。本系统软件主要包括A/D模拟量采集及报警、温度采集、调幅度测量、表值校正、抄表、远程通讯、WIFI、及数据存储功能。

监测系统的A/D模拟量采集是对高前级的灯丝电流、灯丝电压、栅极电流、栅极电压、帘栅极电流、帘栅极电压、板极电流、板极电压；末级的灯丝电流、灯丝电压、栅极电流、栅极电压、帘栅极电流、帘栅极电压、板极电流、板极电压；高前激励、宽放电流、宽放电压、宽放功率、输出功率、反射功率、调幅度等模拟信号进行采集，系统按着150kW短波发射机电控系统开机的顺序从高前级、末级到细调，依次发给A/D转换电路测量命令，读回A/D采样值经软件滤波及计算处理后得到测量的真实数据，送到显示界面显示。通过宽放、高前、末级、细调1、细调2几个页面将相应的模拟量值用表头图形及数字显示。当短波发射机运行过程中各级电路出现异常，采集回的信号值超出正常范围时，显示页面进行报警，指示呈红色醒目显示。

温度采集部分，温度传感器与ARM核心板通过GPIO接口连接，监测系统按温度传感器的通讯协议及地址编码将150kW短波发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度读回，采样值经软件滤波后送到显示界面，当发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度超过一定值后，界面报警，温度显示呈红色。

调幅度测量部分，实际上是音频幅度与载波幅度之比，为此通过调幅度测量电路对短波发射机的射频信号进行处理，如图2所示，调幅度测量电路将射频输入信号，经运算放大器放大，通过线性检波电路检波，再经低通滤波电路，得到音频分量和直流分量的叠加信号送入A/D变换器，转换成数字量送入系统。系统测试软件以固定的测量时间采集到的一系列随时间变化离散数值，恢复成一个以时间t为变量的音频函数Y=f(t)。将该函数进行积分运算得到该函数所包含的面积，除以载波直流分量的函数Y=At在相同时间内的积分面积，其结果的商就是该调幅波在该时间间隔内的调幅度值。利用在一定时间间隔Δt的数据计算的调幅度，为这段测量时间中信号的调幅度值。监测到的调幅度值是一个随时间变化的动态数据，在调幅度监测显示界面上，在重现该时间段的音频信号波形的同时，指示出该时间段调幅度的监测结果。如10ms实时音频波形及调幅度测量值，及分钟实时音频波形及调幅度测量平均值。

表值校正是在短波发射机工作的状态下，根据实测值来校正软件显示的值。通过校正页面，点击所需校正的信号名称，填写该信号的实测值，点击确认后系统软件自动计算出该信号的校正系数，再点击保存完成该信号的校正。

抄表功能，150kW短波发射机进入播音状态后，此时的发射机各级电路的电气参数有重要意义，通过对各级电路电气参数的检测分析，判断出目前短波发射机是否处于良好的状态。当短波发射机开始播音后，打开监测系统的播音界面，界面显示全部的信号测量值，此时手动点击保存，即将当前短波发射机的各表值保存到播音记录中，同时保存播音时短波发射机的频率值。当短波发射机处于远程控制时，监测系统接收来自发射机自动化控制系统的播音信号、及频率值，监测系统接收到播音信号30分钟后自动保存当前发射机各表值及相应的频率值。本地手动抄表与远程自动抄表可根据表值记录的最后状态类型来区别。

150kW短波发射机监测系统通过远程端口将短波发射机的测量表值、温度、调幅度等数据送到短波发射机自动化控制系统，并由发射机自动化系统进一步的上传至机房平台，由控制中心进行检测管理。

本监测系统支持USB-WIFI无线网卡，对监测系统的无线网口进行参数设置，使其与短波发射机机房中的WIFI内部网关连接，通过监测系统应用软件中接口程序将监测系统的低周箱监测数据、高周箱监测数据以及高频信号监测数据通过系统USB无线网卡的Wi-Fi接口发送出去，机房的Wi-Fi无线网关将接收到这些监测数据。以便经过授权的相关人员可以通过，安装有安卓操作系统的手机对发射机监测系统数据进行监测。

本监测系统的数据存储在SD卡中，系统开启后，数据自动从SD卡中读到内存，数据库定时清理时间较长的记录，通过数据导出功能可以将数据库导出到U盘的根目录下。

Claims (5)

1.基于ARM的150kW短波发射机监测系统，其特征在于，采用以ARM为核心的嵌入式核心板控制外围硬件设备，采用嵌入式操作系统及用户应用程序。

2.如权利要求1所述的150kW短波发射机的自动调谐控制系统硬件包括24路采集板及ARM嵌入式核心板，24路采集板包括隔离放大器电路、A/D模拟量转换电路、温度测量电路和调幅度测量电路。

3.如权利要求1所述的150kW短波发射机的自动调谐控制系统，其特征在于，采用基于ARM的嵌入式Linux操作系统及QT图形用户界面开发平台开发用户应用程序。

4.如权利要求2所述的外围硬件电路，其特征在于，可以实现以下功能：

如权利要求2所述的隔离放大器电路，采用输入/输出1：1增益的信号隔离放大器连接发射机各级信号采样端与本短波发射机监测系统的输入端，将输入端信号、输出端信号进行有效隔离，同时也将输入信号与输出信号的供电电源进行了隔离；

如权利要求2所述的A/D模拟量转换电路，包括3片8通道、多量程、SPI串行输出的A/D转换芯片,及滤波电路、分压电路组成，对150kW短波发射机高前级、末级、高周箱、高频信号进行采集，为使采集信号范围在A/D采样范围0~10V内，大于10V的采集信号经电阻分压后接入到A/D采样输入端，大功率发射机的高频干扰比较强，通过滤波电路滤除干扰；

如权利要求2所述的温度测量电路，150kW短波发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度传感器与ARM核心板的GPIO接口连接，将温度值送到ARM核心板；

如权利要求2所述的调幅度测量电路，调幅度测量电路将射频输入信号，经运算放大器放大，通过线性检波电路检波，再经低通滤波电路，得到音频分量和直流分量的叠加信号送入A/D变换器，转换成数字量送入系统。

5.如权利要求3所述基于QT开发的用户应用程序，其特征在于，用户通过对应用程序的图形界面的操作实现对150kW短波发射机电气信号的A/D采集及报警、温度的测量、调幅度的测量、表值校正、抄表、远程通讯、WIFI及数据存储等功能；

所述的A/D采集及报警，监测系统应用程序向A/D转换电路发送测量命令，读回A/D采样值经软件滤波及计算处理后得到测量的真实数据，用表头图形及数字显示，当短波发射机运行过程中各级电路出现异常，采集回的信号值超出正常范围时，显示页面进行报警；

所述的温度的测量，监测系统按温度传感器的通讯协议及地址编码将150kW短波发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度读回，采样值经软件滤波后送到显示界面，当发射机电子管冷却系统的入水温度和出水温度超过一定值后，界面报警；

所述的调幅度测量部分，通过对150kW短波发射机的射频信号进行瞬时监测，射频信号经调幅度测量电路得到音频分量和直流分量的叠加信号送入A/D变换器，转换成数字量送入系统，其调幅度为射频信号检波后的音频电平幅度与直流电平之比，监测到的调幅度值是一个随时间变化的动态数据，在调幅度监测显示界面上，在重现该时间段的音频信号波形的同时，指示出该时间段调幅度的监测结果；

所述的表值校正是在短波发射机工作的状态下，根据实测值来校正软件显示的值，通过校正页面，点击所需校正的信号名称，填写该信号的实测值，点击确认后系统软件自动计算出该信号的校正系数，再点击保存完成该信号的校正；

所述的抄表功能，当150kW短波发射机开始播音后，本地模式下，通过监测系统的播音界面将当前短波发射机的各表值保存到播音记录中，同时保存播音时短波发射机的频率值，当短波发射机处于远程控制时，监测系统接收来自发射机自动化控制系统的播音信号、及频率值，监测系统接收到播音信号30分钟后自动保存当前发射机各表值及相应的频率值；

所述的远程通讯，是指150kW短波发射机监测系统通过远程端口将短波发射机的测量表值、温度、调幅度等数据送到短波发射机自动化控制系统，并由发射机自动化系统进一步的上传至机房平台，由控制中心进行检测管理；

所述的WIFI功能，是指本监测系统支持USB-WIFI无线网卡，监测系统的无线网口与短波发射机机房中的WIFI内部网关连接，通过监测系统应用软件中接口程序将短波发射机的监测数据通过系统USB无线网卡的Wi-Fi接口发送出去，可使用安装有安卓操作系统的手机对发射机监测系统数据进行监测；

所述的本监测系统的数据存储，其特征是本系统的数据存储在SD卡中，系统开启后，自动从SD卡中读到内存，数据库定时清理时间较长的记录，通过数据导出功能可以将数据库导出到U盘的根目录下。