S7HP型發射機水循環監測系統研究

林文才

國家新聞出版廣電總局824臺（以下簡稱“我臺”）的S7HP型1000 kW全固態中波發射機系法國Thomson公司生產，由三個功率放大模塊柜和并機網絡柜組成。發射機的熱耗散主要靠水冷系統，一小部分由風冷系統排出，剩余部分通過自然對流直接排到機房中。每個功率放大模塊柜都有自己獨立的水冷系統，可對射頻放大模塊、高壓整流器和-VINT整流器進行冷卻降溫，確保這些組件處于相對溫度下，才能使發射機穩定運行。原有水循環監測采用的是指針式儀表，觀測不準確，且位于水泵房，值班人員需定時巡機查看水壓和水溫。若水冷系統出現故障，未能及時發現，將造成發射機封鎖停機，嚴重威脅安全播出工作。為提高發射機安全播出水平，以及發射機播出狀態監測能力，本文設計了基于PC機和單片機的水循環監測系統，該系統可實時監測水循環的水壓和水溫，并對異常情況發出語音報警，確保水冷系統正常工作。

1 系統設計

該系統由一個PC主機和多個從機（數據采集終端）組成，從機包含有水壓（水溫）檢測電路和中央控制器（單片機），系統組網示意圖如圖1所示。

各從機將發射機水冷系統的水壓和水溫數據進行實時采集與傳送，PC主機可對各從機送來的采集數據進行監視和記錄，并在計算機屏幕上顯示，從而達到遠程監控發射機水冷系統的目的，對水循環設備運行過程進行科學管理、預防事故發生。

PC主機和各從機通過RS485總線進行串行通信，工作方式為半雙工通信，主要的工作流程是：首先PC機輪流訪問各從機，從機接收到主機發送的命令，然后將采集到的數據傳送給主機，主機再將接收到的數據在屏幕上顯示并保存。

2 硬件設計

從機分為四個模塊：CPU模塊、通信模塊、顯示模塊和輸入接口模塊，從機系統組成如圖2所示。輸入接口模塊將水壓（水溫）傳感器輸出的4～20 mA電流信號，轉化為單片機可以識別的電壓信號，即可實現對水循環設備運行數據的采集。顯示模塊由LED指示燈組成，可以顯示從機的工作狀態。通信模塊采用RS485 MODBUS RTU標準通信協議，實現PC主機和各從機的數據交換。CPU模塊負責采集數據，并將數據通過RS485總線發送給PC主機。

圖1 系統組網示意

圖2 從機系統組成圖

2.1 CPU模塊

在數據采集和處理過程中，考慮到傳輸速度和穩定性，CPU模塊選用了ATMEL公司生產的8位AVR微處理器Atmega8。

圖3 8位AVR微處理器Atmega8管腳配置圖

CPU模塊如圖3所示，VCC和GND為5V電源端口；XTAL1和XTL2為外部晶體振蕩器輸入端口；PC6和PB3-PB4為MCU-ISP形式軟件寫入端口；PD0和PD1為485串口輸出/輸入端口；PD2為485的輸入/輸出使能端口；PD3為LED指示燈輸出端口；PC0為A/D轉換器模擬量輸入端口；AVCC為A/D 轉換器的電源。

為避免電磁干擾（EMI），提高模擬測量的精度，電路中AVCC通過一個LC網絡與數字電壓源VCC連接，并在AREF上外加電容，以提高噪聲抑制性能。

單片機Atmega8接入水壓/水溫傳感器，采集數據，通過內部計算，采用RS485 MODBUS RTU標準通信協議將獲取的數據發送給PC主機。

2.2 通信模塊

通信模塊電路采用低功耗收發器MAX485，TTL與MAX485兩側的電源與信號通過光耦和雙通道數字隔離芯片ADUM1201實現隔離，將總線上A接一個上拉電阻，B接一個下拉電阻，上下拉電阻保證在通信過程中A，B線不會因電平差別小而出現亂碼的情況。在485總線的首尾兩端接匹配電阻120Ω，吸收總線上的反射信號，保證485總線的穩定性。

模塊充分考慮了485總線防雷設計，在485的發送端和接收端采用了3個瞬態電壓抑制器TVS，2個熱恢復保險絲和1個氣體放電管，可以起到很好的抗干擾和防雷的作用，避免雷電對通信網絡的破壞，使485總線更安全。

2.3 輸入接口模塊

水壓傳感器采用的是A0B-131小巧型壓力變送器，可以用于石油、化工、冶金、電力、醫藥衛生、釀酒及食品加工等工業領域，測量液體，氣體和蒸汽的壓力及液位。該變送器采用了擴散硅敏感元件，測量精確，穩定性好，抗干擾能力強，適合惡劣使用環境。主要技術參數為，測量范圍：0～60 MPA；測量精度：±0.5%FS；輸出信號：4～20 mADA。

水溫傳感器采用的是SBWZ一體化溫度變送器，該變送器安全可靠，使用壽命長，抗干擾能力強，工作原理是熱電偶(熱電阻)產生的熱電勢(電阻)經過溫度變送器的電橋產生不平衡信號，經放大后轉換成為4～20 mA的直流電信號輸出。主要技術參數是：測量范圍：0～100 ℃，測量精度：±0.5%FS，輸出信號：4～20 mADA。

傳感器將水壓（水溫）物理量轉換為電流信號，輸入接口模塊將4～20 mA電流轉化0～5 V電壓信號，便于單片機計算。

3 程序設計

3.1 通信協議

本系統采用RS485 MODBUS RTU標準通信方式。通信協議如下：

第一，串行通信的一幀數據由1位起始位、8位數據位、無奇偶校驗位、1位停止位共10位組成。

第二，設置波特率為9 600 bps。為保證數據傳送的準確性，單片機和PC主機的波特率必須相同。

第三，數據幀格式如表1所示。

表1 數據幀格式

第三，數據定義包括以下內容。

地址碼定義：地址范圍為01～FE。功能碼定義：03—讀寄存器，06—寫寄存器。寄存器地址：0000—4～20 mA電流輸入寄存器地址，0064—模塊地址寄存器地址。校驗碼定義：采用CRC16校驗碼。

第五，采集命令過程如下。

發送：01 03 0000 0001 840A（見表2）

接收：01 03 01 00F2 C9C1（見表3）

第六，模塊地址設置如下。

發送：01 06 0064 02 B249（將模塊地址01改為02，見表4）

接收：01 06 0064 02 B249（修改成功后返回相同數據，見表4）

3.2 PC主機程序設計

PC主機的界面設計使用編程開發工具Visual Basic 6.0，數據交換使用通信控件MSComm，數據的存儲采用數據庫Access實現。界面設計如圖4所示，實現的主要功能有：顯示采集終端傳送的水壓和水溫數據；系統管理：設置告警閾值，對異常值發出語音告警，設置通信端口號，實現與從機的串行通信；數據管理：可查詢存儲的歷史記錄。

3.3 從機程序設計

從機的軟件編程主要包括定時采集、A/D轉換、數據接收和發送。從機的主程序流程圖如圖5所示。

表2 發送內容

表3 接收內容

表4 模塊地址設置

圖4 應用程序界面

圖5 從機程序流程圖

4 結語

該系統已實現了對發射機水循環的水溫和水壓數據的采集及顯示，已投入使用，今后將進一步完善該平臺，增加監測項目，為安全播出工作提供技術保障。

[1]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]馬朝等.Atmega8原理及應用手冊[M].北京:清華大學出版社,2002.

[3]沈文等.AVR單片機C語言開發入門指導[M].北京:清華大學出版社,2003.