李智琴

摘 要 本文針對應(yīng)用 C/OS-II實時嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計用于DF100A廣播發(fā)射機的故障自動推斷器進行論述，并用實例做了詳細的介紹。

關(guān)鍵詞 發(fā)射機 嵌入式 C/OS-II STM32 故障推斷器

中圖分類號：TN836.4 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.06.066

Design and Application of Embedded System on

High-power Broadcast Transmitters

LI Zhiqin

（National State Press and Publication Administration of Radio Wuliuyi Station， Nanchang， Jiangxi 330046）

Abstract In this paper， for the application of C / OS-II real-time operating system designed for automatic fault DF100A radio transmitter inference are discussed， with examples made a detailed presentation.

Key words transmitter; embedded; C/OS-II; STM32; fault estimator

0 引言

DF100A大功率短波發(fā)射機是我國廣播覆蓋和實驗的主導(dǎo)機型，它的穩(wěn)定運維關(guān)系著廣播覆蓋和實驗質(zhì)量和效果。因此對DF100A發(fā)射機的穩(wěn)定運行要求極其嚴格。然而對于機器而言，故障是不可避免的。而DF100A發(fā)射機是由龐大而且復(fù)雜的電子、電氣、機械等系統(tǒng)組成，包含了大量的線路與器件，一旦發(fā)生故障，對安全傳輸發(fā)射任務(wù)是極大的考驗。同時“有人留守，無人值班”模式的提出與實現(xiàn)，對發(fā)射機的自動化智能化系統(tǒng)提出一個更高的要求。因此，如何實現(xiàn)對故障的自動檢測和及時排除乃至自動化處理是一個亟待解決的問題。

1 嵌入式與實時操作系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是先進的計算機、半導(dǎo)體和電子技術(shù)與應(yīng)用緊密結(jié)合的產(chǎn)物，具有很強專用性;是對應(yīng)用對象功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng);也是集控制、監(jiān)視或輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置;是軟件和硬件的綜合體。為此，選用了嵌入式系統(tǒng)作為發(fā)射機輔助、監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計分別選用了 C/OS-II操作系統(tǒng)與STM32內(nèi)核。

C/OS-II是一種免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、移植方便、可固化、可裁剪、可剝奪，實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，是專門為計算機的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的。 C/OS-II 具有執(zhí)行效率高、占用空間小、高實時性和高可靠性及高可擴展性等特點。 C/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其在通訊、電子、自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用具有無比的優(yōu)越性。它的穩(wěn)定性、可靠性、安全性已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，得到了美國航空管理局的認證。

STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，內(nèi)置32K到128K的閃存。 增強型STM32在USB OTG 和CAN2.0B接口基礎(chǔ)上增加了以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。新STM32的標(biāo)準外設(shè)包括10個定時器、兩個12位1-Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口。

2 自動故障推斷器系統(tǒng)

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，設(shè)備故障總是伴隨著相應(yīng)的故障現(xiàn)象，廣播發(fā)射機故障亦然如此。對于發(fā)射機故障處理者來說，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)在各電氣量表值與各傳感器（壓力，電荷，溫度等）的狀態(tài)。如果嵌入式系統(tǒng)可以識別這些故障現(xiàn)象并給維修人員做出提示，就可以極大縮短故障處理時間。

依照以上思路，本設(shè)計將特征相對簡單的典型故障轉(zhuǎn)化為可以代表故障發(fā)生的特征值，并將其與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)、表值進行比較，從而給出故障來源的可能性推斷。如此依托高性能、高可靠性的實時嵌入式系統(tǒng)，可以代替相對簡單卻繁瑣經(jīng)驗判斷，做出實時的判斷，極大地縮短故障判斷時間。這就是DF100A廣播發(fā)射機的故障自動推斷器設(shè)計的思路。圖1是自動故障推斷器整體系統(tǒng)框圖，設(shè)計分以下四步驟實施。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

（1）總結(jié)歸納DF100A發(fā)射機典型故障現(xiàn)象與故障特征，由此建立一個典型故障的特征值表，將典型故障所表現(xiàn)的狀態(tài)值與正常表值進行收錄。

（2）對發(fā)射機各關(guān)鍵節(jié)點進行取樣，并通過RS232從自動控制系統(tǒng)上位機取得各個值，然后建立一個當(dāng)前發(fā)射機的狀態(tài)、表值表。

（3）將發(fā)射機當(dāng)前的狀態(tài)表值與典型故障特征值表進行比較，如果與某個故障特征吻合或近似吻合，則程序判定為故障。特征值分為兩種，一種是狀態(tài)值，為邏輯是非判斷，代表當(dāng)前發(fā)射機是否良好的狀態(tài);另一種是表值，代表了發(fā)射機各回路中各物理量的大小，由于發(fā)射機表值在各環(huán)境、各發(fā)射頻率都有所偏差與浮動，程序中特別設(shè)置了浮動值，以避免因發(fā)射機頻率變化及表值擺動等引起的誤差。

（4）故障報警及顯示，對故障處理者顯示出可能的故障所在。

3 自動故障推斷器硬件環(huán)境搭建

（1）嵌入式最小系統(tǒng)：為使STM32嵌入式系統(tǒng)正常工作，需接入相關(guān)的外圍電路，如電源、復(fù)位、晶振、啟動方式、通信等電路，構(gòu)成嵌入式最小系統(tǒng)，圖2是STM32最小系統(tǒng)原理圖。

（2）RS232串行通信：由DF100A短波發(fā)射機自動化系統(tǒng)對各表值及節(jié)點物理量進行取樣。本設(shè)計采用RS232通信接口，RS232通信模塊電路如圖3所示，它是將上位機的集控信息，傳輸?shù)絊TM32嵌入式系統(tǒng)。該模塊用MAX232芯片，將上位機的RS232電平轉(zhuǎn)化為芯片能接收的TTL電平。MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標(biāo)準串口設(shè)計的接口電路，使用+5V單電源供電，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：

第一部分是電荷泵電路，由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。

（3）液晶顯示屏：顯示屏采用12864漢字圖形點陣液晶顯示模塊，電路如圖4所示。該模塊可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個中文漢字（16X16 點陣）、128 個字符（8X16 點陣）及64X256 點陣顯示RAM（GDRAM）。液晶顯示屏相對應(yīng)的管腳定義如表1 所示。

4 自動故障推斷器程序設(shè)計

首先分析DF100A發(fā)射機運維中出現(xiàn)的典型故障，而后對故障現(xiàn)象與故障特征進行總結(jié)，將故障現(xiàn)象狀態(tài)數(shù)據(jù)化，用特征值形式來代表故障發(fā)生時的各表值與狀態(tài)。由此將故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可用嵌入式程序判斷的故障特征值，建立起故障特征值表。如下例舉了數(shù)個典型故障。

圖5 故障特征判斷流程圖

4.1 典型故障解析

（1）高末無柵流故障。故障特征：有末前陰流，無高末柵流，控制4燈滅，OPERATE指示燈亮紅燈。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末柵流特征值211H = 0，浮動值取212H = 0.5 ;控制4燈特征取251H = 0 ;OPERATE指示燈特征取247H=1。

（2）1PS5A1柵流傳感器故障。故障特征：末前陰流正常0.4～0.6A，高末柵流正常，高壓表、高末屏流、功率表為0，9A4板OPERATE燈亮，9A5控制4燈滅。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末電壓特征值取223H = 0，浮動值取224H=1 ;高末屏流特征值取225H = 0，浮動值取226H = 0.5;功率表特征值225H = 0，浮動值226H = 3;OPERATE燈狀特征取247H = 1;控制4燈特征取251H = 1。

（3）PA柵陰碰極。故障特征：PA柵流表反打，靜態(tài)偏壓低，60V左右（正常為400V）。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末柵流特征值取211H = -0.4，浮動值取212H = 0.39;高末偏壓特征值取209H = 60，浮動值取212H = 20;

（4）高末簾柵回路阻抗過大接近開路故障特征：機器無任何過荷。高末簾柵流0.2A，高末屏流2A，末前陰流、高末柵流、高壓、簾柵壓正常，功率輸出小于20kW。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末簾柵流取211H = 0.2，浮動值取212H = 0.05，高末屏流H = 2，浮動值取H = 0.5;輸出功率225H = 20，浮動值226H = 2。

（5）1PS6R33開路故障。故障特征：高前陰流過荷，掉高壓。重上后末前陰流正常，無高末柵流。末前屏壓表反打。（末前陰流0.6A，高末柵流、屏流、屏壓、簾柵壓為0，末前屏壓表輕微反打）。

根據(jù)故障特征，將故障特征值表中高末電壓特征值取223H = 0，浮動值取224H=1;高末屏流特征值取225H = 0，浮動值取226H = 0.5;功率表特征值225H = 0，浮動值226H = 3;高末柵流特征值211H = 0，浮動值取212H = 0.5;高末簾柵壓特征值217H = 0，浮動值取218H = 30;;高末柵流特征值211H = 0，浮動值取212H = 0.5;末前陰流特征值203H = 0.6，浮動值取204H=0.1。末前級過荷特征取245H = 1。

圖6 浮動值輔助判斷說明

4.2 建立如表2所示的故障特征值表

4.3 通過對發(fā)射機的取樣，在經(jīng)由RS232總線的傳輸，嵌入式系統(tǒng)得到了發(fā)射機的當(dāng)前的各電氣量與狀態(tài)值

當(dāng)前值取樣建表如表3所示。

4.4 故障特征比較與判斷

圖5為故障特征判斷流程圖，圖6為浮動值輔助判斷說明圖，由于篇幅所限，詳細流程和說明在此不再贅述。

5 結(jié)語

以上是應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計用于DF100A廣播發(fā)射機的故障自動推斷器，在實際工作中，由于大功率發(fā)射機電磁場對信號檢測方面干擾問題，影響了數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性，技術(shù)上還需要不斷完善。

參考文獻

[1] 任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)UC/OS-11原理及應(yīng)用（第3版）.北京航空航天大學(xué)出版社，2014.1.

[2] 嵌入式實時操作系統(tǒng) C/OS-III應(yīng)用開發(fā)：基于STM32微控制器 ?Jean J·Labrosse.北京航空航天大學(xué)出版社，2012.1.

[3] 譚浩強著.C語言程序設(shè)計（第2版）.清華大學(xué)出版社，2011.1.