貴州省新聞出版廣電局七六一臺(tái) 侯飛飛

對(duì)幾種大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元的比較

貴州省新聞出版廣電局七六一臺(tái) 侯飛飛

簡(jiǎn)單介紹常見的大功率發(fā)射機(jī)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(shí)際應(yīng)用中出發(fā)解析其的可靠度。

大功率發(fā)射機(jī)；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(tái)都安裝使用了大功率（3KW以上）發(fā)射機(jī)來擴(kuò)大覆蓋率，并且10KW的發(fā)射機(jī)（調(diào)頻、電視發(fā)射機(jī)）使用率是相當(dāng)高的。我所工作的發(fā)射臺(tái)從上世紀(jì)七十年代成立至今一直都使用大功率發(fā)射機(jī)進(jìn)行廣播。現(xiàn)我國使用的大功率發(fā)射機(jī)品牌眾多，其功放單元和整機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)最大不同處就是其的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制單元（以下簡(jiǎn)稱：監(jiān)控單元）。本文將對(duì)幾種常見的大功率發(fā)射機(jī)的監(jiān)控單元進(jìn)行解析，從而了解各發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元的優(yōu)缺點(diǎn)，及運(yùn)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(jī)

（一）大功率發(fā)射機(jī)的發(fā)展

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

隨著MOS功率管和大功率電子管的發(fā)展，此時(shí)的發(fā)射機(jī)激勵(lì)級(jí)已經(jīng)開始使用MOS功率管，大功率發(fā)射機(jī)也從原先的多級(jí)多路逐漸演變成典型的初級(jí)推動(dòng)末級(jí)級(jí)的兩級(jí)功放發(fā)射機(jī)。這時(shí)的大功率發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)成本和維護(hù)成本降低，大量臺(tái)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(jī)的功放部分也發(fā)生了改變。但這時(shí)的高功率MOS管價(jià)格昂貴，采用多路合成的方式制造大功率發(fā)射機(jī)的造價(jià)太過昂貴。所以大多數(shù)發(fā)射機(jī)只是將初級(jí)的電子管功放更換為MOS管功放，末級(jí)依然使用大功率電子管功放。這種方式使得許多臺(tái)站在原有的兩級(jí)放大發(fā)射機(jī)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(jī)得以面世普及。這時(shí)的發(fā)射機(jī)體積變小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；雖然末級(jí)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(hù)成本也大大降低。這類大功率發(fā)射機(jī)是目前各臺(tái)站廣泛使用的發(fā)射機(jī)。

（二）大功率發(fā)射機(jī)的原理

大功率發(fā)射機(jī)經(jīng)幾代機(jī)型的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，不論那類機(jī)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(jī)簡(jiǎn)單的敘述其原理。

大功率發(fā)射機(jī)主要由激勵(lì)器和末級(jí)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(jī)方框圖圖1 -1 大功率發(fā)射機(jī)方框圖

由圖1-1可看出大功率發(fā)射機(jī)的基本工作原理，即音頻、視頻信號(hào)進(jìn)入激勵(lì)器中先進(jìn)行信號(hào)調(diào)制后通過激勵(lì)級(jí)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(hào)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(hào)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(fēng)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(fù)責(zé)控制發(fā)射機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、本機(jī)控制、遠(yuǎn)程控制、手動(dòng)自動(dòng)控制等工作方式，它還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)各單元的工作狀態(tài)，如

調(diào)制狀態(tài)、激勵(lì)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(jī)的發(fā)射和反射功率等。

二、大功率發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元

（一）大功率發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元的工作原理

監(jiān)控單元猶如發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的大腦，隨著大功率發(fā)射機(jī)的發(fā)展，監(jiān)控單元從最初簡(jiǎn)單的控制開關(guān)和監(jiān)測(cè)指示燈及儀表逐步演變成現(xiàn)在的通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)發(fā)射機(jī)的監(jiān)控。無論采用何種方式，監(jiān)控單元對(duì)發(fā)射機(jī)控制和監(jiān)測(cè)的作用是始終不變的。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用監(jiān)控單元的作用會(huì)發(fā)展得跟強(qiáng)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(jī)其它單元，然后接受到指令的單元會(huì)反饋給監(jiān)測(cè)模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)。早期的控制模塊主要是由手動(dòng)開關(guān)和繼電器及附屬線路等元器件組成；監(jiān)測(cè)模塊則是由狀態(tài)指示燈和各類儀表及附屬線路組成。現(xiàn)行的監(jiān)控單元應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，主要是由工控計(jì)算機(jī)主機(jī)、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(hào)線的集合，是計(jì)算機(jī)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(shí)鐘頻率。

圖2-2圖2 -2

如今大多數(shù)機(jī)器設(shè)備都利用通信總線方式實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，在設(shè)備受控單元需要一個(gè)能與監(jiān)控單元對(duì)話的模塊，即工控模塊。工控模塊其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)監(jiān)控裝置，它可以作為受監(jiān)控單元的獨(dú)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(shí)對(duì)不同類型的受監(jiān)控單元進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各單元的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)監(jiān)控單元

（一）以51單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元

51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。其可編程性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、造價(jià)低廉的特點(diǎn)在工控方面得到了廣泛應(yīng)用。一些要求控制成本的大功率發(fā)射機(jī)采用了以51單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元。

51單片機(jī)的主要功能參數(shù)：

1.8 位CPU·4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM) (52為8K)；

2.128bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)專用寄存器；

5.2 個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)（52有6個(gè)）；

6.一個(gè)全雙工串行通信口；

7.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB；

8.外部程序存儲(chǔ)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(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)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(yùn)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(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時(shí)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(jī)組成大功率發(fā)射機(jī)的監(jiān)控單元對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行開關(guān)機(jī)控制、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(jī)；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(jī)（受監(jiān)控端）；多個(gè)受監(jiān)控端通過串行總線與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信。

圖3 -1 51單片機(jī)監(jiān)控單元主機(jī)

51單片機(jī)組成的監(jiān)控單元主機(jī)（圖3-1所示），主要有單片機(jī)主板、控制面板、模擬量采集、各類接口及報(bào)警器組成。其中單片機(jī)主板便是51單片機(jī)的主要部分，它主要是對(duì)各接口發(fā)出相應(yīng)指令和接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；控制面板是監(jiān)控主機(jī)人機(jī)交流部分，它主要是提供開關(guān)機(jī)按鍵、入反射顯示、發(fā)射機(jī)其它參數(shù)顯示及相應(yīng)的操作按鈕；模擬量采集模塊主要是采集整機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)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(jī)進(jìn)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通信接口、控制設(shè)備工作狀態(tài)的控制信號(hào)接口（該接口主要是輸出高電平信號(hào)觸發(fā)繼電器控制開關(guān)機(jī)）、電源輸入接口、模擬量輸入接口；報(bào)警轟鳴器根據(jù)單片機(jī)程序的設(shè)定對(duì)發(fā)射機(jī)工作不正常時(shí)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(jī)功放盒監(jiān)控模塊

從圖3-2可看出發(fā)射機(jī)功放盒內(nèi)的監(jiān)控模塊與主監(jiān)控單元的功能相當(dāng)，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(gè)LED指示燈組成，顯示功放盒的工作狀態(tài)。對(duì)于整個(gè)大功率發(fā)射機(jī)還有激勵(lì)器、供電單元、冷卻單元等部分，每一部分都有一個(gè)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(jī)組成的大功率發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作穩(wěn)定、支持遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接入等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)顯示多個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如果受控單元過多必須增加二級(jí)單片機(jī)組成星型總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，這樣便增加了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，也造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)甚至造成數(shù)據(jù)丟失使實(shí)時(shí)性降低，同時(shí)復(fù)雜的總線網(wǎng)絡(luò)也增加維護(hù)難度。

（二）以PC機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元

現(xiàn)在PC機(jī)已經(jīng)普及到家庭，其強(qiáng)大的功能在工控上也得到了極致的應(yīng)用。目前主流的大功率發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元便是以PC機(jī)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(chǔ)器大小，多種類型接口，加上Windows操作系統(tǒng)良好的人機(jī)交流性等優(yōu)點(diǎn)頗受歡迎。

以PC機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元其主機(jī)的組成主要有：PC機(jī)、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(jī)（本節(jié)不再介紹）。

圖3 -3 PC機(jī)監(jiān)控單元

以PC機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控單元（圖3-3），充分利用PC機(jī)的高度集成的強(qiáng)大功能，通過高級(jí)語言編譯的專用程序?qū)Υ蠊β拾l(fā)射機(jī)的各單元進(jìn)行監(jiān)控。其中PC主機(jī)負(fù)責(zé)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(shí)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸給PC主機(jī)，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(fù)責(zé)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(jī)；控制電路及面板主要是提供簡(jiǎn)單的操作按鈕（開關(guān)機(jī)等），方便對(duì)發(fā)射機(jī)直接進(jìn)行操作。

以PC機(jī)為主控的受控單元都采用了51單片工控機(jī)監(jiān)控模塊，對(duì)于單一的受控端來說，51單片機(jī)已經(jīng)足夠處理其的數(shù)據(jù)。比起上一節(jié)介紹的機(jī)型，使用51單片機(jī)作為功放盒監(jiān)控單元的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于功放單元可采集的數(shù)據(jù)更多更及時(shí)，同時(shí)在功放盒本身的面板上不僅有狀態(tài)顯示還有對(duì)各模擬量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。這樣使得巡機(jī)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(jī)對(duì)受控單元傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析并可將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器或監(jiān)測(cè)終端，可同時(shí)顯示各單元的工作狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得維護(hù)人員能及時(shí)的了解發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，還可通過告警程序查詢告警點(diǎn)和故障點(diǎn)。這類監(jiān)控單元大大的提高了監(jiān)控能力，給維護(hù)人員提供了更可靠更及時(shí)的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了維護(hù)的準(zhǔn)確力，鞏固了安全播出。

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

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

內(nèi)嵌專用系統(tǒng)工控機(jī)，是在小型化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中獨(dú)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(duì)應(yīng)不同的發(fā)射機(jī)機(jī)型開發(fā)相應(yīng)的操作程序，其系統(tǒng)專業(yè)性強(qiáng)、無其它附帶累贅，對(duì)大功率發(fā)射機(jī)的監(jiān)控更專業(yè)更準(zhǔn)確。

內(nèi)嵌專用系統(tǒng)的監(jiān)控單元，它和PC機(jī)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(yīng)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(shí)，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(dǎo)航鍵操作；它可用多種方式同時(shí)與多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端連接實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。有的廠家甚至在發(fā)射機(jī)監(jiān)控單元加入物聯(lián)網(wǎng)模塊，讓維護(hù)人員隨時(shí)隨地都可以了解發(fā)射機(jī)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(jī)，它使用了一個(gè)更小型化的內(nèi)嵌系統(tǒng)，這個(gè)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(hù)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(duì)功放小盒的功率、報(bào)警門限等參數(shù)直接進(jìn)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(dá)到的）。

處理，利用鼠標(biāo)測(cè)量距離，自動(dòng)計(jì)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(duì)原實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)，特別是時(shí)間的自動(dòng)測(cè)量和位移的準(zhǔn)確定位，與傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量相比，提高了測(cè)量效率和測(cè)量精度。在測(cè)試和實(shí)際操作中，可以在有限的時(shí)間內(nèi)測(cè)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(shí)，將該系統(tǒng)在應(yīng)用到教學(xué)中，大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也讓學(xué)生了解關(guān)于圖像采集和處理的思路、方法，豐富了教學(xué)內(nèi)容。所以，在實(shí)際的教學(xué)中，具有很好的推廣價(jià)值。

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