一型實用遙控設備的設計與應用

郭 京，蘇德章

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000;2.中國人民解放軍91202部隊，遼寧葫蘆島125004)

0 引言

工程實踐中經常需要對水面無人職守浮體上設備進行遙控，在某些特定場合，浮體環境孤立且本身易遭破壞。因此，對遙控設備的可靠性和費效比提出了更高要求，但原遙控設備采用分離元器件，且編碼、譯碼、發射、接收和電源等單元自成一體，相互間用線纜連接，使其體積和重量大、故障率高、可靠性差。為滿足其特定使用需求，提高可靠性，設計了一型簡單實用的多功能遙控設備。

1 遙控設備的設計與實現

1.1 總體設計思路

原遙控設備從維修快速性考慮，把本應合二為一的編碼器與發射機、接收機與譯碼器分機殼安裝，采用接插件和線纜連接，這種結構設計雖有利于快速更換、維修，但在潮濕環境下卻極易導致故障頻繁、可靠性降低。同時，還由于功放電路采用多個功率管并聯使用，一旦失配燒毀其中一個會引起連鎖反應，導致整個發射機不能工作。據不完全統計，該設備的絕大多數故障是上述原因造成的。

針對該設備存在的問題，結合實際使用，新遙控設備的設計主要考慮以下幾個問題:

①發射機與編碼器具備雙機自動切換功能，一旦一套發射機發生故障，能自動切換到另一套;

②發射機、接收機采用高性能抗失配設計，避免天線失配造成燒毀功放管或靈敏度降低等問題;

③接收機采用輸出短路保護設計，避免被控設備短路而無法完成后續控制任務;

④盡量選用標準件和成熟技術，在保證可靠性的前提下提高效費比。

1.2 遙控設備組成

遙控設備由發控和接收2個部分組成，其組成框圖如圖1所示。發控部分由編碼電路、調制倍頻電路、功率前置放大電路、功放輸出電路、天線和自動切換電路及電源等部分組成;接收部分由高頻放大選頻電路、二次中放變頻電路、鑒頻整形、解碼輸出、執行電路、天線和蓄電池組等部分組成［1，2］。

圖1 遙控設備組成

1.3 單元電路選擇與設計

1.3.1 編譯碼、前置放大及接收電路

根據總體設計思想，為降低成本、提高可靠性，包含編碼、調制倍頻、功率前置放大等電路的發射模塊和包含高頻放大選頻、二次中放變頻、鑒頻整形、譯碼等電路的接收模塊選用配對成品遠距離無線遙控組件［3］。遙控遙控采用數字電路密碼編址，其密碼多達32萬組，并可通過外部引腳靈活設置，通過驅動電路和繼電器可構成4位鎖存或非鎖存遙控開關，還可使用16通道轉換開關進行二次譯碼擴展到15位。因此，有很強的抗干擾性和較好的保密性。組件外圍配以發令按鍵、接收顯示和驅動等電路，即可實現指令編碼、調制和譯碼、顯示及執行相應動作。這種設計既簡化了電路、降低了成本，又提高了抗干擾能力。

1.3.2 功放電路

功率放大電路由功放管、匹配網絡和偏置電路等部分組成。功放管采用美國摩托羅拉公司生產的N溝道增強型高頻大功率場效應管MFR174。該管的主要特點是增益高、功率大、噪聲低、偏置電路簡單，且能承受較大失配而不損壞。

1.3.3 雙機自動切換電路

雙機自動切換電路的主要作用是當主發射機發生故障無法正常工作時，備用發射機能自動接替主機工作，完成指令發送。這要求切換電路在瞬間要完成2個動作:立即切斷主發射機功放電路的供電，并接通備份機功放的電源;將天線從主機轉接到備份機的發射輸出單元。這2個動作必須瞬間可靠完成。因此，設計時首要選擇合適的開關器件，此電路中選用固態繼電器作開關器件，因其能有效克服機械繼電器觸點在大電流時易產生電弧火花的不足，提高可靠性。

雙機自動切換電路由整流、驅動和延時電路等組成。整流電路的作用是將主機發射單元輸出的載波信號整形變為一定幅度的直流電壓，驅動電路的作用是根據整流信號控制相應繼電器的閉合、斷開，實現發射天線和射電源的轉換。延時電路的作用是保證在電路剛接通電源的瞬間，主發射機的發射單元尚無載波信號時避免電路切換，即主機開機時轉換電路不工作，而只在主機故障時才進行電路切換。

1.3.4 電路保護功能

為滿足安全使用要求，系統中設置2處保護電路:①在電源中設置了防反接電路、防止電源接反而損壞設備;② 接收機輸出短路保護電路，以防止在點燃曳光管過程中因曳光管短路而引起的電源短路，造成保險管斷而無法再次點燃曳光管(以往時有發生)。

(1)電源防反接電路

該電路只使用了一只肖特基二極管即實現了反接保護的作用。肖特基二極管屬于低功耗、大電流、超高速半導體器件，其反向恢復時間Trr可小到幾個ns，正向導通壓降僅0.4 V左右，而整流電流卻可達幾kA，接入后對供電電壓無影響。

(2)接收機輸出短路保護電路

經分析論證，設計了3種輸出短路保護電路:電子限流保護電路、固定電阻保護電路和PTC熱敏電阻保護電路［4］。經實驗，電子限流保護電路可保證輸出短路時，接收機保險管及其單元電路不被燒毀，但該電路結構復雜，調試難度大。固定電阻保護電路是在每一個繼電器的輸出端串接一支合適的電阻，電阻的取值既要保證流過保險管的電流小于接收機電源保險管的最大耐流值，又能可靠地點燃曳光管(經試驗點燃曳光管電流應大于0.4 A)，即可起到限流作用，從而保護接收機保險不被燒毀，接收機仍處于正常待機狀態。但其存在一個致命問題，即在點燃一支曳光管后電路短路時，短路電流將一直存在，很快會將蓄電池的電量放光，導致電池損壞使得接收機無法工作。而PTC熱敏電阻保護電路，利用PTC電阻率在特定溫度時發生突變的特性而設計。實驗中選用的PTC標稱電阻值為12 Ω，接收機的供電電壓24 V、保險的額定電流3 A，當電路正常時，輸出回路電流為I=24/Rtl=24/12=2 A，能可靠點燃曳光管而不會燒毀保險。一旦某一路短路時，此時回路電流維持在2 A，由于熱敏電阻具有正溫度特性，使其溫度迅速上升的同時阻值急劇增大到1.5 kΩ，此時回路電流僅為IK=24/Rtl=16 mA，由此可見，即使執行電路的輸出端一直對地短路，由于PTC的作用，幾乎對電池電壓無影響，仍能使其他執行電路正常工作。

2 調試與性能檢測

2.1 設備組裝與調試

根據總體思路和主要器件選型進行了原理圖的設計，并根據原理圖完成了以MRF174為主的發射電路，以及按鍵、接收顯示和執行機構等印刷板圖、設備的面板圖及裝配結構圖的設計，進行了原理樣機的組裝，并按各部分的功能對發射機的發射功率、自激的消除、與天線的良好匹配以及接收機靈敏度等方面進行了嚴格調試，達到了預期效果。

調試過程中主要解決了發射機自激問題。由于電路設計或其他原因，調試時電路產生過2種自激:①靜態自激，即輸入端不加激勵信號時，在剛加電的瞬間，電流突然上升，或者是在靜態調試時，當調到某一位置時，電流突然上升到規定值以上;②動態自激，即靜態時不自激，而在加上激勵信號后，電流上升到規定值以上，這時即使去掉激勵信號，發射機電流仍保持在正常調試值以上，用高頻示波器觀察輸出的自激振蕩的波形，頻率在75 MHz左右。發射機自激極易燒毀功放管。經過反復試驗，采用下列措施解決了問題［5-7］:

①合理布置元器件的安裝位置;輸入、輸出信號嚴格隔離，破壞產生正反饋的條件;

②印刷電路板大面積接地，屏蔽盒良好接地;

③加強對供電電源的濾波;

④單獨屏蔽功放電路。

2.2 性能測試

性能測試分2步進行:首先對接收靈敏度、發射功率和誤碼率等指標和自動切換、自動短路保護等功能進行檢測與考核，測試結果表明系統各項技術指標和功能均達到或超過總體設計要求;第2階段主要在海上實際使用條件下考核其有效遙控作用距離及對環境條件的適應能力。遙控作用距離試驗時，將接收端和發控端分別布站在2個船上，天線高度均為15 m，要求控制距離為30 km，實測可靠、穩定控制距離為45 km以上;將發控端移到陸上，在通視距離內控制距離達90 km以上。在作用距離測試中系統穩定可靠，無漏碼、誤碼現象。

3 結束語

通過內外場測試，新遙控設備的各項技術指標和功能滿足設計、使用要求，在批量制造并投入使用2年內不需要進行發射功率、接收靈敏度的調試，仍能穩定可靠工作，且整個設備造價低廉，僅為同類設備的1/20，重量僅為同類設備的1/5。測試和實際使用證明:該設備整體設計合理、原理簡單、元器件易購價廉，所有功能均由硬件實現。具有可靠性高、維護操作簡便、通用性強的特點。

［1］王文斌.海軍裝備試驗靶標技術［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［2］申良生，韓成哲，鄧萬紅.某型試驗遙控設備的改進與測試［J］.測控技術，2009(6):43-45.

［3］蔡凡娣.遠距離無線遙控組件及其應用［J］.電子世界(合訂本)，1996:136-137，178-179.

［4］杜虎林.用萬用表檢測電子元器件［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1998.

［5］陳偉鑫.新型實用電路精選指南［M］.北京:電子工業出版社，1992.

［6］藍鴻翔，陳瑞濤.電子線路基礎［M］.北京:人民教育出版社，1982.

［7］張肅文.高頻電子線路［M］.北京:人民教育出版社，1982.