李偉鋒

（粵東鴻圖嶂電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái)，廣東 梅州 514000）

0 引 言

隨著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)頻電視轉(zhuǎn)播臺(tái)的自動(dòng)控制與監(jiān)控技術(shù)不斷進(jìn)步。為順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，建設(shè)智慧發(fā)射臺(tái)站、加強(qiáng)臺(tái)站管理以及減輕臺(tái)站值班人員負(fù)荷，已成為當(dāng)前發(fā)射臺(tái)工作的重點(diǎn)。臺(tái)站自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)針對(duì)每套節(jié)目每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了智能化監(jiān)控，對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出功率、工作電流電壓及同軸開關(guān)狀態(tài)等實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化監(jiān)控，對(duì)不同接口類型的發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和主備機(jī)自動(dòng)倒換功能。

1 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控

1.1 硬采集發(fā)射機(jī)功率監(jiān)控原理

在發(fā)射機(jī)功率監(jiān)控系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確地獲取發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，在發(fā)射機(jī)饋管監(jiān)控口增加功率檢波器實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的采樣。功率檢波器采集到的信號(hào)如圖1所示。

圖1 調(diào)頻信號(hào)波形

射頻信號(hào)是一個(gè)對(duì)稱的正弦波信號(hào)，其功率與電壓的幅值相關(guān)。然而，幅值無法直接采樣，需要將高頻正弦波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換（俗稱檢波），將已調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)通過高靈敏度的檢波二極管轉(zhuǎn)換為可以直接測量的直流信號(hào)，原理如圖2所示。

圖2 二極管檢波原理圖

Ui為發(fā)射機(jī)饋管輸出的射頻信號(hào)，經(jīng)過檢波二極管VD1后，其波形下半部分被削除，正半部分的半波信號(hào)被保留，如圖3所示。

圖3 二極管檢波后的波形

通過高頻濾波電容C1將檢波二極管輸出信號(hào)中的高頻載波信號(hào)去掉。濾掉載波信號(hào)后的電壓波形如圖4所示。

圖4 濾掉載波信號(hào)后的電壓波形

檢波二極管的電流回路由精密電阻R1和R2構(gòu)成。發(fā)射機(jī)的輸出功率越大，檢波后的電壓越高。該電壓經(jīng)R1和R2分壓后，經(jīng)由高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量VAD，再通過式（1）計(jì)算得出檢波器輸出電壓Vo［1］：

式中，Vref為參考電壓。由于前端經(jīng)過了R1和R2分壓，故需要還原實(shí)際電壓值，于是有：

由式（2）獲得U總電壓，再通過式（3）計(jì)算出絕對(duì)功率值P，以此獲取發(fā)射機(jī)的輸出功率值。

式中，dBw為U總的射頻電平單位，P為轉(zhuǎn)換后的功率，1 W為基準(zhǔn)功率。

1.2 發(fā)射機(jī)電壓電流采集

1.2.1 三相電壓采集

發(fā)射機(jī)工作過程中，機(jī)器的工作電壓和電流是非常重要的運(yùn)行指標(biāo)，需要在監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于輸入到發(fā)射機(jī)的三相電壓，需進(jìn)行市電采樣，采樣原理如圖5所示。

每相電壓通過3個(gè)300 kΩ的串聯(lián)電阻后接入運(yùn)算放大器。A、B、C三相分別與零線組成一組（共3組）差分信號(hào)后送入運(yùn)算放大器LM358，得到一個(gè)幅值小于基準(zhǔn)電壓且大于0 V的正弦波信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得正確的電壓值。

圖5 市電采樣電路

1.2.2 三相電流采集

發(fā)射機(jī)在工作過程中功率非常大，輸入的電流也非常大，通常在幾安到幾十安左右，無法用儀表直接進(jìn)行測量。因此，通過對(duì)每相電流加裝電流互感器的方式采集線上電流?；ジ衅鞯淖饔檬菍⒔涣麟娐分械拇箅娏靼凑毡壤禐榭捎脙x表直接測量的小數(shù)值電流，工作原理如圖6所示［2］。

圖6中，I1為輸入發(fā)射機(jī)的A、B、C三相中的其中一相。經(jīng)過互感器后，互感器的次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的低壓交變電流I2。整流過程如圖7所示。

圖6 電流互感器基本原理

圖7 互感器電壓整流

通過在次級(jí)端串接一個(gè)二極管VD1和一個(gè)負(fù)載電阻R，可以獲得一個(gè)正半周期的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后接入單片機(jī)，根據(jù)不同的匝數(shù)比N，通過式（4）計(jì)算出初級(jí)端I1的電流值，從而獲得線上的電流數(shù)據(jù)：

1.3 協(xié)議類發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集接口原理與保護(hù)

1.3.1 協(xié)議接口發(fā)射機(jī)通信原理

本系統(tǒng)采用ST公司型號(hào)為STM32F103VET6的微控器作為核心控制器，配合開源的UCOS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)的核心。它通過網(wǎng)口通信的方式與上位機(jī)和發(fā)射機(jī)相連，可根據(jù)發(fā)射機(jī)的不同類型選擇對(duì)應(yīng)的采集接口，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議與硬采集發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制。發(fā)射機(jī)采集器原理如圖8所示。

1.3.2 接口協(xié)議轉(zhuǎn)換原理

對(duì)于有協(xié)議接口的發(fā)射機(jī)，在發(fā)射機(jī)與網(wǎng)口2中間增加一級(jí)串口服務(wù)器，可將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485、RS422或RS232信號(hào)，以兼容不同的發(fā)射機(jī)接口協(xié)議。采用艾科嘉（EXAR）公司的高級(jí)多協(xié)議收發(fā)器SP330E作為轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換原理如圖9所示。

SP330E通過芯片設(shè)置引腳13和引腳14進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換模式選擇。對(duì)這兩個(gè)引腳進(jìn)行拉高或拉低，可實(shí)現(xiàn)協(xié)議接口類型的切換。引腳設(shè)置與協(xié)議模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖8 發(fā)射機(jī)采集器原理框圖

串口服務(wù)器與發(fā)射機(jī)的連接采用DB9標(biāo)準(zhǔn)接口。DB9有9針引腳，滿足3種協(xié)議的引腳引出。本設(shè)計(jì)中DB9引腳與協(xié)議模式的接口定義關(guān)系如表2所示，其中“—”代表未使用。

圖9 SP330E協(xié)議轉(zhuǎn)換原理圖

表1 芯片模式選擇原理

表2 DB9引腳與協(xié)議模式的接口定義關(guān)系表

1.3.3 通信接口保護(hù)

由于發(fā)射機(jī)的電磁工作環(huán)境特殊，為了避免電磁干擾對(duì)采集器的損毀，針對(duì)RS-485和RS-422接口采取了嚴(yán)格的防靜電和浪涌措施。以RS-485接口為例，它的保護(hù)電路如圖10所示。

圖10 RS-485保護(hù)電路

BLSA1、BLSA2及BLSA3為氣體放電管，由陶瓷放電管密閉封裝。它的內(nèi)部由兩個(gè)或多個(gè)帶間隙的金屬電極充以惰性氣體氬氣或氖氣構(gòu)成，導(dǎo)通電壓通常為90 V左右，反應(yīng)時(shí)間為100 ns，能夠完全有效地避免靜電對(duì)后級(jí)電路造成影響。R1和R2為限流電阻，防止輸入電流過大對(duì)設(shè)備接口造成沖擊而導(dǎo)致設(shè)備損壞。對(duì)于瞬間高電壓（＜90 V），采用3個(gè)高靈敏的雙向瞬態(tài)抑制二極管P0080C作為保護(hù)器件，使得后級(jí)電路處于一個(gè)穩(wěn)定可靠的電壓環(huán)境。

2 發(fā)射機(jī)自動(dòng)倒換系統(tǒng)

2.1 倒換系統(tǒng)中的聯(lián)鎖與互鎖

2.1.1 系統(tǒng)基本組成

為保障廣播電視節(jié)目信號(hào)不間斷且安全穩(wěn)定播出，臺(tái)站發(fā)射機(jī)均采用一主一備的方式進(jìn)行熱備份。兩部發(fā)射機(jī)共用一個(gè)饋線，采用設(shè)備聯(lián)鎖互鎖功能實(shí)現(xiàn)主備發(fā)射之間的切換。主備發(fā)射機(jī)與天線的連接如圖11所示。主備發(fā)射機(jī)、天線、假負(fù)載及同軸開關(guān)等設(shè)備連接組成天線倒換系統(tǒng)，確保主備發(fā)射機(jī)功率輸出端口與天饋線連通環(huán)節(jié)順利切換。同時(shí)，發(fā)射機(jī)通過監(jiān)測天線的聯(lián)鎖信號(hào)，保證在天線切換不到位的情況下無法啟動(dòng)發(fā)射機(jī)，以避免由于天線接口連接不穩(wěn)定導(dǎo)致發(fā)射機(jī)在大功率開機(jī)后燒毀同軸開關(guān)接口而損壞發(fā)射機(jī)［3］。

2.1.2 互鎖信號(hào)

為防止發(fā)射機(jī)主備機(jī)同時(shí)播出造成信號(hào)相互干擾，臺(tái)站為每套節(jié)目的主備機(jī)加入了互鎖功能。主備機(jī)中任意一個(gè)發(fā)射機(jī)正常播出時(shí)，另一部發(fā)射機(jī)不能自行啟動(dòng)?；ユi是信號(hào)正常播出的必要條件。若放棄互鎖功能，輕則發(fā)射機(jī)自行關(guān)機(jī)，重則發(fā)射機(jī)或者天線同軸開關(guān)損壞，甚至可能發(fā)生在不知情的情況下把發(fā)射機(jī)的功率引到備機(jī)播出而值班人員無法察覺導(dǎo)致重大播出事故的情況。

2.1.3 互鎖功能的實(shí)現(xiàn)

機(jī)房主備發(fā)射機(jī)的天線倒換均采用同軸開關(guān)配合控制的方式實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要由電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行程開關(guān)、邏輯控制器、轉(zhuǎn)換開關(guān)主體機(jī)以及控制接口等結(jié)構(gòu)件組成。其中，控制接口中的兩組信號(hào)通過行程開關(guān)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖和互鎖信號(hào)的輸出，原理如圖12所示。

圖11 主備發(fā)射機(jī)與天線連接示意圖

圖12 主備發(fā)射機(jī)聯(lián)鎖功能原理

K1和K2均為行程開關(guān)，其中K1的常開觸點(diǎn)3、4與K2的常開觸點(diǎn)5、6分別連接到主備發(fā)射機(jī)的信號(hào)聯(lián)鎖接口。同軸開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的壓板會(huì)壓向行程開關(guān)。假如電機(jī)向右順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，壓板接觸到行程開關(guān)K2，常開觸點(diǎn)閉合。該觸點(diǎn)與發(fā)射機(jī)的聯(lián)鎖信號(hào)相連，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的聯(lián)鎖信號(hào)輸出。發(fā)射機(jī)檢測到聯(lián)鎖信號(hào)閉合后才能正常開啟，否則無法正常開機(jī)，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能。

2.2 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集及倒換控制原理

2.2.1 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集

發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集器既是功率監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，也是倒換系統(tǒng)的重要組成部分。在所有通信控制鏈路正常的情況下，發(fā)射機(jī)的主備倒換系統(tǒng)主要依靠發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集器提供給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來判斷是否需要對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行主備倒換［4］。

2.2.2 發(fā)射機(jī)倒換系統(tǒng)的倒換流程

為保障發(fā)射機(jī)信號(hào)正常播出，防止發(fā)生停播事故，同時(shí)避免在倒換過程中損壞發(fā)射機(jī)，倒換系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的倒換條件要求嚴(yán)格。硬件方面，首先主備發(fā)射機(jī)的通信接口需連接正常，能正常獲取發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)，且發(fā)射機(jī)處于遠(yuǎn)程狀態(tài)。其次，同軸開關(guān)控制器接口連接正常，能準(zhǔn)確獲取發(fā)射機(jī)聯(lián)鎖信號(hào)和天線的位置信息。最后，備份發(fā)射機(jī)處于熱備份狀態(tài)。軟件方面，首先系統(tǒng)時(shí)間必須與實(shí)時(shí)時(shí)間同步。其次，已經(jīng)設(shè)置了工作時(shí)間，且當(dāng)前正處于播出時(shí)間段。再次，天線自動(dòng)倒換系統(tǒng)處于打開狀態(tài)。最后，按照額定功率的百分比，已設(shè)置倒換功率下限。

滿足倒換條件時(shí)，若發(fā)射機(jī)功率異常，發(fā)射機(jī)會(huì)進(jìn)入倒換預(yù)備狀態(tài)。倒換預(yù)備一般有10～20 s的時(shí)間限制。若在預(yù)備期內(nèi)功率恢復(fù)為正常值，則自動(dòng)取消預(yù)備狀態(tài)，轉(zhuǎn)入正常工作模式；若發(fā)射機(jī)的異常狀態(tài)時(shí)間超過了預(yù)備時(shí)間，則系統(tǒng)立即進(jìn)入倒換狀態(tài)［5］。以發(fā)射機(jī)主機(jī)倒換備機(jī)為例，假如此時(shí)主發(fā)射機(jī)的狀態(tài)發(fā)生異常，則倒換流程如圖13所示。

3 結(jié) 語

針對(duì)發(fā)射臺(tái)的發(fā)射監(jiān)控和自動(dòng)倒換等環(huán)節(jié)進(jìn)行的數(shù)字化和自動(dòng)化建設(shè)，極大地提升了臺(tái)站對(duì)整個(gè)播出系統(tǒng)的管理效率。以往諸多重復(fù)性工作被現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)替代，減輕了人員操作帶來的播出風(fēng)險(xiǎn)和值班人員的操作難度，提升了整個(gè)臺(tái)站的管理能力，為今后發(fā)展為智慧廣電發(fā)射臺(tái)管理平臺(tái)的管理末梢提供了數(shù)字化和自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖13 發(fā)射機(jī)倒換流程