大功率广播发射机嵌入式系统研究

1嵌入式与实时操作系统

嵌入式系统是先进的计算机、半导体和电子技术与应用紧密结合的产物，具有很强专用性；是对应用对象功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统；也是集控制、监视或辅助装置、机器和设备运行的装置；是软件和硬件的综合体。为此，选用了嵌入式系统作为发射机辅助、监控系统，本设计分别选用了C/OS-II操作系统与STM32内核。C/OS-II是一种免费公开源代码、结构小巧、移植方便、可固化、可裁剪、可剥夺，实时内核的实时操作系统，是专门为计算机的嵌入式应用设计的。C/OS-II具有执行效率高、占用空间小、高实时性和高可靠性及高可扩展性等特点。C/OS-II已经在世界范围内得到广泛应用，尤其在通讯、电子、自动化等领域的应用具有无比的优越性。它的稳定性、可靠性、安全性已经通过了非常严格的测试，得到了美国航空管理局的认证。STM32系列是为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。增强型系列时钟频率达到72MHz，内置32K到128K的闪存。增强型STM32在USBOTG和CAN2.0B接口基础上增加了以太网10/100MAC模块。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s模数转换器、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。

2自动故障推断器系统

在工业自动化领域，设备故障总是伴随着相应的故障现象，广播发射机故障亦然如此。对于发射机故障处理者来说，故障现象主要表现在各电气量表值与各传感器（压力，电荷，温度等）的状态。如果嵌入式系统可以识别这些故障现象并给维修人员做出提示，就可以极大缩短故障处理时间。依照以上思路，本设计将特征相对简单的典型故障转化为可以代表故障发生的特征值，并将其与系统当前状态、表值进行比较，从而给出故障来源的可能性推断。如此依托高性能、高可靠性的实时嵌入式系统，可以代替相对简单却繁琐经验判断，做出实时的判断，极大地缩短故障判断时间。这就是DF100A广播发射机的故障自动推断器设计的思路。（1）总结归纳DF100A发射机典型故障现象与故障特征，由此建立一个典型故障的特征值表，将典型故障所表现的状态值与正常表值进行收录。（2）对发射机各关键节点进行取样，并通过RS232从自动控制系统上位机取得各个值，然后建立一个当前发射机的状态、表值表。（3）将发射机当前的状态表值与典型故障特征值表进行比较，如果与某个故障特征吻合或近似吻合，则程序判定为故障。特征值分为两种，一种是状态值，为逻辑是非判断，代表当前发射机是否良好的状态；另一种是表值，代表了发射机各回路中各物理量的大小，由于发射机表值在各环境、各发射频率都有所偏差与浮动，程序别设置了浮动值，以避免因发射机频率变化及表值摆动等引起的误差。（4）故障报警及显示，对故障处理者显示出可能的故障所在。

3自动故障推断器硬件环境搭建

（1）嵌入式最小系统：为使STM32嵌入式系统正常工作，需接入相关的电路，如电源、复位、晶振、启动方式、通信等电路，构成嵌入式最小系统，图2是STM32最小系统原理图。（2）RS232串行通信：由DF100A短波发射机自动化系统对各表值及节点物理量进行取样。本设计采用RS232通信接口，RS232通信模块电路如图3所示，它是将上位机的集控信息，传输到STM32嵌入式系统。该模块用MAX232芯片，将上位机的RS232电平转化为芯片能接收的TTL电平。MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电，内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。（3）液晶显示屏：显示屏采用12864汉字图形点阵液晶显示模块，电路如图4所示。该模块可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。液晶显示屏相对应的管脚定义如表1所示。

4自动故障推断器程序设计

首先分析DF100A发射机运维中出现的典型故障，而后对故障现象与故障特征进行总结，将故障现象状态数据化，用特征值形式来代表故障发生时的各表值与状态。由此将故障现象转化为可用嵌入式程序判断的故障特征值，建立起故障特征值表。如下例举了数个典型故障。

4.1典型故障解析

（1）高末无栅流故障。故障特征：有末前阴流，无高末栅流，控制4灯灭，OPERATE指示灯亮红灯。根据故障特征，将故障特征值表中高末栅流特征值211H=0，浮动值取212H=0.5；控制4灯特征取251H=0；OPER-ATE指示灯特征取247H=1。（2）1PS5A1栅流传感器故障。故障特征：末前阴流正常0.4～0.6A，高末栅流正常，高压表、高末屏流、功率表为0，9A4板OPERATE灯亮，9A5控制4灯灭。根据故障特征，将故障特征值表中高末电压特征值取223H=0，浮动值取224H=1；高末屏流特征值取225H=0，浮动值取226H=0.5；功率表特征值225H=0，浮动值226H=3；OPERATE灯状特征取247H=1；控制4灯特征取251H=1。（3）PA栅阴碰极。故障特征：PA栅流表反打，静态偏压低，60V左右（正常为400V）。根据故障特征，将故障特征值表中高末栅流特征值取211H=－0.4，浮动值取212H=0.39；高末偏压特征值取209H=60，浮动值取212H=20；（4）高末帘栅回路阻抗过大接近开路故障特征：机器无任何过荷。高末帘栅流0.2A，高末屏流2A，末前阴流、高末栅流、高压、帘栅压正常，功率输出小于20kW。根据故障特征，将故障特征值表中高末帘栅流取211H=0.2，浮动值取212H=0.05，高末屏流H=2，浮动值取H=0.5；输出功率225H=20，浮动值226H=2。（5）1PS6R33开路故障。故障特征：高前阴流过荷，掉高压。重上后末前阴流正常，无高末栅流。末前屏压表反打。（末前阴流0.6A，高末栅流、屏流、屏压、帘栅压为0，末前屏压表轻微反打）。根据故障特征，将故障特征值表中高末电压特征值取223H=0，浮动值取224H=1；高末屏流特征值取225H=0，浮动值取226H=0.5；功率表特征值225H=0，浮动值226H=3；高末栅流特征值211H=0，浮动值取212H=0.5；高末帘栅压特征值217H=0，浮动值取218H=30；；高末栅流特征值211H=0，浮动值取212H=0.5；末前阴流特征值203H=0.6，浮动值取204H=0.1。末前级过荷特征取245H=1。

4.2建立如表2所示的故障特征值表

4.3通过对发射机的取样，在经由RS232总线的传输，嵌入式系统得到了发射机的当前的各电气量与状态值当前值取样建表如表3所示。

4.4故障特征比较与判断

图5为故障特征判断流程图，图6为浮动值辅助判断说明图，由于篇幅所限，详细流程和说明在此不再赘述。

5结语

以上是应用嵌入式系统设计用于DF100A广播发射机的故障自动推断器，在实际工作中，由于大功率发射机电磁场对信号检测方面干扰问题，影响了数据的传输的稳定性和准确性，技术上还需要不断完善。

作者：李智琴 单位：国家新闻出版广电总局五六一台