貴州省新聞出版廣電局七六一臺 侯飛飛

對幾種大功率固態(tài)發(fā)射機監(jiān)控單元的比較

貴州省新聞出版廣電局七六一臺 侯飛飛

簡單介紹常見的大功率發(fā)射機工作原理，分析其監(jiān)控單元的組成結(jié)構(gòu)及工作原理，從實際應用中出發(fā)解析其的可靠度。

大功率發(fā)射機；監(jiān)控單元；比較；安全播出

緒論

隨著廣播電視無線覆蓋的新發(fā)展，各地區(qū)站臺都安裝使用了大功率（3KW以上）發(fā)射機來擴大覆蓋率，并且10KW的發(fā)射機（調(diào)頻、電視發(fā)射機）使用率是相當高的。我所工作的發(fā)射臺從上世紀七十年代成立至今一直都使用大功率發(fā)射機進行廣播?，F(xiàn)我國使用的大功率發(fā)射機品牌眾多，其功放單元和整機的設(shè)計各有不同，不過其工作原理大致一樣。從技術(shù)原理層面論各種發(fā)射機最大不同處就是其的工作狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備控制單元（以下簡稱：監(jiān)控單元）。本文將對幾種常見的大功率發(fā)射機的監(jiān)控單元進行解析，從而了解各發(fā)射機監(jiān)控單元的優(yōu)缺點，及運行的可靠性，最終讓使用者更好的做到安全播出。

一、大功率發(fā)射機

（一）大功率發(fā)射機的發(fā)展

最早的發(fā)射機是采用低功率電子管放大，要達到大功率發(fā)射需逐級放大后雙路或多路合成，這樣的一臺發(fā)射機功放部分會使用到十幾只甚至幾十上百只電子管，其造價高、維護成本巨大，只有極少數(shù)的臺站配備該類發(fā)射機。

隨著MOS功率管和大功率電子管的發(fā)展，此時的發(fā)射機激勵級已經(jīng)開始使用MOS功率管，大功率發(fā)射機也從原先的多級多路逐漸演變成典型的初級推動末級級的兩級功放發(fā)射機。這時的大功率發(fā)射機結(jié)構(gòu)相對簡單，造價成本和維護成本降低，大量臺站開始配備。

隨電子行業(yè)的發(fā)展，高功率的MOS管的問世，大功率發(fā)射機的功放部分也發(fā)生了改變。但這時的高功率MOS管價格昂貴，采用多路合成的方式制造大功率發(fā)射機的造價太過昂貴。所以大多數(shù)發(fā)射機只是將初級的電子管功放更換為MOS管功放，末級依然使用大功率電子管功放。這種方式使得許多臺站在原有的兩級放大發(fā)射機的基礎(chǔ)上很容易就改造而得。

隨后高功率MOS管的技術(shù)越發(fā)成熟，制造成本也大幅降低，使得全MOS管的大功率發(fā)射機得以面世普及。這時的發(fā)射機體積變小，結(jié)構(gòu)簡單；雖然末級功率是靠多路功放模塊合成而得，但MOS管的穩(wěn)定性和長壽命使得維護成本也大大降低。這類大功率發(fā)射機是目前各臺站廣泛使用的發(fā)射機。

（二）大功率發(fā)射機的原理

大功率發(fā)射機經(jīng)幾代機型的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)相當成熟，不論那類機型其原理都是一樣的。這里將以現(xiàn)在普遍使用的大功率發(fā)射機簡單的敘述其原理。

大功率發(fā)射機主要由激勵器和末級功放組及其支持這兩部分的供電單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、冷卻單元及監(jiān)控單元組成。原理方框圖如圖1-1：

圖1-1 大功率發(fā)射機方框圖圖1 -1 大功率發(fā)射機方框圖

由圖1-1可看出大功率發(fā)射機的基本工作原理，即音頻、視頻信號進入激勵器中先進行信號調(diào)制后通過激勵級功放放大后輸入功放組的功率分配網(wǎng)絡(luò)；各功放盒將分配網(wǎng)絡(luò)送來的信號放大后經(jīng)功率合成網(wǎng)絡(luò)將功率合成為大功率后通過濾波器濾波后傳輸至天線將射頻信號發(fā)射出去。其中的冷卻單元主要為功放單元提供冷卻，有風冷和液冷兩種；供電單元為其它單元提供支持其工作的電源；監(jiān)控單元負責控制發(fā)射機的開機、關(guān)機、本機控制、遠程控制、手動自動控制等工作方式，它還負責監(jiān)測發(fā)射機各單元的工作狀態(tài)，如

調(diào)制狀態(tài)、激勵功率，各功放盒的工作電流、電壓、溫度、輸出輸入的功率及整機的發(fā)射和反射功率等。

二、大功率發(fā)射機監(jiān)控單元

（一）大功率發(fā)射機監(jiān)控單元的工作原理

監(jiān)控單元猶如發(fā)射機系統(tǒng)中的大腦，隨著大功率發(fā)射機的發(fā)展，監(jiān)控單元從最初簡單的控制開關(guān)和監(jiān)測指示燈及儀表逐步演變成現(xiàn)在的通過計算機系統(tǒng)完成對發(fā)射機的監(jiān)控。無論采用何種方式，監(jiān)控單元對發(fā)射機控制和監(jiān)測的作用是始終不變的。隨計算機技術(shù)的應用監(jiān)控單元的作用會發(fā)展得跟強大。

圖2-1圖2 -1

監(jiān)控單元的工作方式如圖2-1所示，通過控制模塊將控制指令發(fā)送至發(fā)射機其它單元，然后接受到指令的單元會反饋給監(jiān)測模塊相應的數(shù)據(jù)狀態(tài)。早期的控制模塊主要是由手動開關(guān)和繼電器及附屬線路等元器件組成；監(jiān)測模塊則是由狀態(tài)指示燈和各類儀表及附屬線路組成?，F(xiàn)行的監(jiān)控單元應用計算機技術(shù)，主要是由工控計算機主機、通信總線、各單元工控板組成。

（二）通信總線制監(jiān)控單元

總線就是各種信號線的集合，是計算機各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路?？偩€主要分為并行總線和串行總線，其主要參數(shù)有總線帶寬、總線位寬、總線時鐘頻率。

圖2-2圖2 -2

如今大多數(shù)機器設(shè)備都利用通信總線方式實現(xiàn)智能監(jiān)控，大功率發(fā)射也不例外。由圖2-2可看出實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控，在設(shè)備受控單元需要一個能與監(jiān)控單元對話的模塊，即工控模塊。工控模塊其實質(zhì)就是一個監(jiān)控裝置，它可以作為受監(jiān)控單元的獨立監(jiān)控模塊，也可通過總線與主監(jiān)控單元連接受主監(jiān)控單元管理控制。利用通信總線，主監(jiān)控單元可同時對不同類型的受監(jiān)控單元進行監(jiān)控，對各單元的數(shù)據(jù)進行分析，這大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的工作效能。

三、現(xiàn)行幾種常見的大功率發(fā)射機監(jiān)控單元

（一）以51單片機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。其可編程性、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、造價低廉的特點在工控方面得到了廣泛應用。一些要求控制成本的大功率發(fā)射機采用了以51單片機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元。

51單片機的主要功能參數(shù)：

1.8 位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM) (52為8K)；

2.128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) （52有256bytes的RAM）；

3.32 條I/O口線，111條指令，大部分為單字節(jié)指令；

4.21 個專用寄存器；

5.2 個可編程定時/計數(shù)器，5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個）；

6.一個全雙工串行通信口；

7.外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB；

8.外部程序存儲器尋址空間為64kB；

9.邏輯操作位尋址功能，雙列直插40PinDIP封裝；

10.單一+5V電源供電；

CPU由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器;RAM用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及要顯示的數(shù)據(jù);ROM用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格;I/O口，四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最佳振蕩頻率為6M—12M。

51單片機組成大功率發(fā)射機的監(jiān)控單元對發(fā)射機進行開關(guān)機控制、工作狀態(tài)監(jiān)測，其主要由51芯片、顯示電路、鍵控電路、通信接口電路、模擬量采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源處理電路等組成監(jiān)控主機；由模擬量采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路等組成監(jiān)控下位機（受監(jiān)控端）；多個受監(jiān)控端通過串行總線與監(jiān)控主機進行通信。

圖3 -1 51單片機監(jiān)控單元主機

51單片機組成的監(jiān)控單元主機（圖3-1所示），主要有單片機主板、控制面板、模擬量采集、各類接口及報警器組成。其中單片機主板便是51單片機的主要部分，它主要是對各接口發(fā)出相應指令和接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；控制面板是監(jiān)控主機人機交流部分，它主要是提供開關(guān)機按鍵、入反射顯示、發(fā)射機其它參數(shù)顯示及相應的操作按鈕；模擬量采集模塊主要是采集整機的關(guān)鍵點的模擬量（入射功率、反射功率等）然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理；接口部分主要有連接受控端的串行總線接口、連接遠程計算機的通信接口、控制設(shè)備工作狀態(tài)的控制信號接口（該接口主要是輸出高電平信號觸發(fā)繼電器控制開關(guān)機）、電源輸入接口、模擬量輸入接口；報警轟鳴器根據(jù)單片機程序的設(shè)定對發(fā)射機工作不正常時發(fā)出轟鳴警告。

該監(jiān)控單元的受控端監(jiān)控模塊主要由模擬量采集及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理電路、工作狀態(tài)控制電路、接口電路、狀態(tài)指示電路組成。如圖3-2所示：

圖3 -2 發(fā)射機功放盒監(jiān)控模塊

從圖3-2可看出發(fā)射機功放盒內(nèi)的監(jiān)控模塊與主監(jiān)控單元的功能相當，只是處理的數(shù)據(jù)量不同。該模塊雖然由控制功能，但不具備控制按鈕，它受主控控制從而控制功放盒的工作狀態(tài)。顯示模塊由幾個LED指示燈組成，顯示功放盒的工作狀態(tài)。對于整個大功率發(fā)射機還有激勵器、供電單元、冷卻單元等部分，每一部分都有一個監(jiān)控模塊，這些的監(jiān)控模塊的結(jié)構(gòu)都是相同的，不同的是采集的數(shù)據(jù)和顯示狀態(tài)量。

51單片機組成的大功率發(fā)射機監(jiān)控單元有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、工作穩(wěn)定、支持遠程計算機接入等優(yōu)點。但由于51芯片自身的功能限制它處理的數(shù)據(jù)量有限，不能同時顯示多個監(jiān)控數(shù)據(jù)，如果受控單元過多必須增加二級單片機組成星型總線網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控，這樣便增加了監(jiān)控系統(tǒng)的復雜性，也造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r甚至造成數(shù)據(jù)丟失使實時性降低，同時復雜的總線網(wǎng)絡(luò)也增加維護難度。

（二）以PC機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元

現(xiàn)在PC機已經(jīng)普及到家庭，其強大的功能在工控上也得到了極致的應用。目前主流的大功率發(fā)射機監(jiān)控單元便是以PC機為基礎(chǔ)的。其32位（更高的為64位）的數(shù)據(jù)處理能力，可隨需求配置存儲器大小，多種類型接口，加上Windows操作系統(tǒng)良好的人機交流性等優(yōu)點頗受歡迎。

以PC機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元其主機的組成主要有：PC機、多功能接口卡、顯示器、控制電路及面板等。其受控單元的監(jiān)控模塊大多使用51單片工控機（本節(jié)不再介紹）。

圖3 -3 PC機監(jiān)控單元

以PC機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元（圖3-3），充分利用PC機的高度集成的強大功能，通過高級語言編譯的專用程序?qū)Υ蠊β拾l(fā)射機的各單元進行監(jiān)控。其中PC主機負責連接所有受控單元，控制所有單元和分析所有數(shù)據(jù)，同時將狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示在顯示器上；多功能接口卡主要功能是采集模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸給PC主機，也可將模擬量數(shù)據(jù)傳輸給模擬量LED顯示板；多功能接口卡還負責連接控制面板電路，它將控制面板上的操作指令傳輸給PC主機；控制電路及面板主要是提供簡單的操作按鈕（開關(guān)機等），方便對發(fā)射機直接進行操作。

以PC機為主控的受控單元都采用了51單片工控機監(jiān)控模塊，對于單一的受控端來說，51單片機已經(jīng)足夠處理其的數(shù)據(jù)。比起上一節(jié)介紹的機型，使用51單片機作為功放盒監(jiān)控單元的監(jiān)控系統(tǒng)，對于功放單元可采集的數(shù)據(jù)更多更及時，同時在功放盒本身的面板上不僅有狀態(tài)顯示還有對各模擬量的實測數(shù)據(jù)。這樣使得巡機人員可更直觀的觀察各單元的狀態(tài)，特別是功放盒的狀態(tài)。

PC機對受控單元傳輸來的數(shù)據(jù)進行存儲和分析并可將數(shù)據(jù)傳輸給遠程服務(wù)器或監(jiān)測終端，可同時顯示各單元的工作狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)，使得維護人員能及時的了解發(fā)射機的工作狀態(tài)，還可通過告警程序查詢告警點和故障點。這類監(jiān)控單元大大的提高了監(jiān)控能力，給維護人員提供了更可靠更及時的數(shù)據(jù)，增強了維護的準確力，鞏固了安全播出。

（三）以內(nèi)嵌專用系統(tǒng)的工控機為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元

隨著計算機系統(tǒng)小型化的發(fā)展，內(nèi)嵌專用系統(tǒng)的工控機逐步普及開來，許多高端的發(fā)射機采用了這類監(jiān)控單元。

內(nèi)嵌專用系統(tǒng)工控機，是在小型化的計算機系統(tǒng)中獨立開發(fā)操作程序（一般多為UNIX系統(tǒng)）的監(jiān)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)對應不同的發(fā)射機機型開發(fā)相應的操作程序，其系統(tǒng)專業(yè)性強、無其它附帶累贅，對大功率發(fā)射機的監(jiān)控更專業(yè)更準確。

內(nèi)嵌專用系統(tǒng)的監(jiān)控單元，它和PC機的監(jiān)控單元的結(jié)構(gòu)大致一樣，不同的是嵌入式設(shè)備的應用軟件和操作系統(tǒng)都是緊密結(jié)合的，處理數(shù)據(jù)更精確更及時，小型化的系統(tǒng)也更精致。這種系統(tǒng)不在保留控制面板，它可直接在觸摸屏上操作或利用快捷導航鍵操作；它可用多種方式同時與多個遠程監(jiān)測終端連接實時顯示數(shù)據(jù)。有的廠家甚至在發(fā)射機監(jiān)控單元加入物聯(lián)網(wǎng)模塊，讓維護人員隨時隨地都可以了解發(fā)射機的工作狀態(tài)。

內(nèi)嵌式監(jiān)控單元的受控端也不在使用51單片機，它使用了一個更小型化的內(nèi)嵌系統(tǒng)，這個系統(tǒng)比主控的功能略小些，但它專業(yè)的系統(tǒng)功能，使得維護人員能通過功放盒自身的顯示面板輕松的讀取數(shù)據(jù)，并且通過功放盒的控制面板可直接對功放小盒的功率、報警門限等參數(shù)直接進行設(shè)置（以上兩種系統(tǒng)是靠調(diào)節(jié)電位器和重寫程序達到的）。

處理，利用鼠標測量距離，自動計算出油滴下落和上升的速度，通過公式得出元電荷e并保存。

該系統(tǒng)是對原實驗系統(tǒng)的改進，特別是時間的自動測量和位移的準確定位，與傳統(tǒng)手動測量相比，提高了測量效率和測量精度。在測試和實際操作中，可以在有限的時間內(nèi)測量更多的油滴，為數(shù)據(jù)處理提供了更多可靠的數(shù)據(jù)。同時，將該系統(tǒng)在應用到教學中，大大激發(fā)了學生的實驗興趣，也讓學生了解關(guān)于圖像采集和處理的思路、方法，豐富了教學內(nèi)容。所以，在實際的教學中，具有很好的推廣價值。

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黃曉園（1990—），廣東梅州人，助理實驗師，從事智能控制、光電技術(shù)等研究。