對幾種大功率固態發射機監控單元的比較

貴州省新聞出版廣電局七六一臺 侯飛飛

對幾種大功率固態發射機監控單元的比較

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射機工作原理，分析其監控單元的組成結構及工作原理，從實際應用中出發解析其的可靠度。

大功率發射機；監控單元；比較；安全播出

緒論

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

一、大功率發射機

（一）大功率發射機的發展

最早的發射機是采用低功率電子管放大，要達到大功率發射需逐級放大后雙路或多路合成，這樣的一臺發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，只有極少數的臺站配備該類發射機。

隨著MOS功率管和大功率電子管的發展，此時的發射機激勵級已經開始使用MOS功率管，大功率發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射機。這時的大功率發射機結構相對簡單，造價成本和維護成本降低，大量臺站開始配備。

隨電子行業的發展，高功率的MOS管的問世，大功率發射機的功放部分也發生了改變。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射機的造價太過昂貴。所以大多數發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射機的基礎上很容易就改造而得。

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

（二）大功率發射機的原理

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

大功率發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、傳輸網絡、冷卻單元及監控單元組成。原理方框圖如圖1-1：

圖1-1 大功率發射機方框圖圖1 -1 大功率發射機方框圖

由圖1-1可看出大功率發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制后通過激勵級功放放大后輸入功放組的功率分配網絡；各功放盒將分配網絡送來的信號放大后經功率合成網絡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；監控單元負責控制發射機的開機、關機、本機控制、遠程控制、手動自動控制等工作方式，它還負責監測發射機各單元的工作狀態，如

調制狀態、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射和反射功率等。

二、大功率發射機監控單元

（一）大功率發射機監控單元的工作原理

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

圖2-1圖2 -1

監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送至發射機其它單元，然后接受到指令的單元會反饋給監測模塊相應的數據狀態。早期的控制模塊主要是由手動開關和繼電器及附屬線路等元器件組成；監測模塊則是由狀態指示燈和各類儀表及附屬線路組成。現行的監控單元應用計算機技術，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據、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

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

三、現行幾種常見的大功率發射機監控單元

（一）以51單片機為基礎的監控單元

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。其可編程性、結構簡單、工作穩定、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射機采用了以51單片機為基礎的監控單元。

51單片機的主要功能參數：

1.8 位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM) (52為8K)；

2.128bytes的數據存儲器(RAM) （52有256bytes的RAM）；

3.32 條I/O口線，111條指令，大部分為單字節指令；

4.21 個專用寄存器；

5.2 個可編程定時/計數器，5個中斷源，2個優先級（52有6個）；

6.一個全雙工串行通信口；

7.外部數據存儲器尋址空間為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和部分外部特殊功能寄存器;RAM用以存放可以讀寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以及要顯示的數據;ROM用以存放程序、一些原始數據和表格;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/記數器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數模式；五個中斷源的中斷控制系統；一個全雙工UART（通用異步接收發送器）的串行I/O口，用于實現單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內振蕩器和時鐘產生電路，石英晶體和微調電容需要外接。最佳振蕩頻率為6M—12M。

51單片機組成大功率發射機的監控單元對發射機進行開關機控制、工作狀態監測，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轉換電路、電源處理電路等組成監控主機；由模擬量采樣電路、A/D轉換電路、通信接口電路等組成監控下位機（受監控端）；多個受監控端通過串行總線與監控主機進行通信。

圖3 -1 51單片機監控單元主機

51單片機組成的監控單元主機（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出相應指令和接收數據，并對數據進行分析處理；控制面板是監控主機人機交流部分，它主要是提供開關機按鍵、入反射顯示、發射機其它參數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鍵點的模擬量（入射功率、反射功率等）然后經A/D轉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、控制設備工作狀態的控制信號接口（該接口主要是輸出高電平信號觸發繼電器控制開關機）、電源輸入接口、模擬量輸入接口；報警轟鳴器根據單片機程序的設定對發射機工作不正常時發出轟鳴警告。

該監控單元的受控端監控模塊主要由模擬量采集及A/D轉換電路、數據處理電路、工作狀態控制電路、接口電路、狀態指示電路組成。如圖3-2所示：

圖3 -2 發射機功放盒監控模塊

從圖3-2可看出發射機功放盒內的監控模塊與主監控單元的功能相當，只是處理的數據量不同。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。顯示模塊由幾個LED指示燈組成，顯示功放盒的工作狀態。對于整個大功率發射機還有激勵器、供電單元、冷卻單元等部分，每一部分都有一個監控模塊，這些的監控模塊的結構都是相同的，不同的是采集的數據和顯示狀態量。

51單片機組成的大功率發射機監控單元有結構簡單、造價低、工作穩定、支持遠程計算機接入等優點。但由于51芯片自身的功能限制它處理的數據量有限，不能同時顯示多個監控數據，如果受控單元過多必須增加二級單片機組成星型總線網絡進行監控，這樣便增加了監控系統的復雜性，也造成數據傳輸的延時甚至造成數據丟失使實時性降低，同時復雜的總線網絡也增加維護難度。

（二）以PC機為基礎的監控單元

現在PC機已經普及到家庭，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射機監控單元便是以PC機為基礎的。其32位（更高的為64位）的數據處理能力，可隨需求配置存儲器大小，多種類型接口，加上Windows操作系統良好的人機交流性等優點頗受歡迎。

以PC機為基礎的監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。其受控單元的監控模塊大多使用51單片工控機（本節不再介紹）。

圖3 -3 PC機監控單元

以PC機為基礎的監控單元（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對大功率發射機的各單元進行監控。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據，同時將狀態和數據顯示在顯示器上；多功能接口卡主要功能是采集模擬量進行A/D轉換，將數據傳輸給PC主機，也可將模擬量數據傳輸給模擬量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（開關機等），方便對發射機直接進行操作。

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

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

（三）以內嵌專用系統的工控機為基礎的監控單元

隨著計算機系統小型化的發展，內嵌專用系統的工控機逐步普及開來，許多高端的發射機采用了這類監控單元。

內嵌專用系統工控機，是在小型化的計算機系統中獨立開發操作程序（一般多為UNIX系統）的監控系統。這種系統對應不同的發射機機型開發相應的操作程序，其系統專業性強、無其它附帶累贅，對大功率發射機的監控更專業更準確。

內嵌專用系統的監控單元，它和PC機的監控單元的結構大致一樣，不同的是嵌入式設備的應用軟件和操作系統都是緊密結合的，處理數據更精確更及時，小型化的系統也更精致。這種系統不在保留控制面板，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測終端連接實時顯示數據。有的廠家甚至在發射機監控單元加入物聯網模塊，讓維護人員隨時隨地都可以了解發射機的工作狀態。

內嵌式監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嵌系統，這個系統比主控的功能略小些，但它專業的系統功能，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據，并且通過功放盒的控制面板可直接對功放小盒的功率、報警門限等參數直接進行設置（以上兩種系統是靠調節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。

該系統是對原實驗系統的改進，特別是時間的自動測量和位移的準確定位，與傳統手動測量相比，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測量更多的油滴，為數據處理提供了更多可靠的數據。同時，將該系統在應用到教學中，大大激發了學生的實驗興趣，也讓學生了解關于圖像采集和處理的思路、方法，豐富了教學內容。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、光電技術等研究。