基于LabVIEW 的功率檢測單元監控系統設計

潘恭培

（廣西廣播電視技術中心梧州分中心 廣西 梧州 543001）

0 引言

目前，廣播電視的天饋線系統是整個安全播出的重要環節。 在本單位機房中，調頻發射天饋鏈路的末端都安裝有開關板和功率檢測單元。 功率檢測單元主要用于檢測當前雙饋天線的運行參數，特別是入反射功率和駐波比。然而，目前尚未對該功率檢測單元進行實時監控。 當需要查看天饋線的運行狀態等相關參數時，需要值班人員從一樓值班室走到三樓的發射機房進行查看。 這會耗費大量時間，同時也不利于機房的整體監控，可能影響安全播出［1］。 為了實現更高的智能化水平，設計出上位機軟件對功率檢測單元進行實時監控。 當監測到的數據超過限定值時，該軟件能夠及時發出報警。 這樣，值班人員可以實時掌握當前天饋線系統的運行狀態，減輕工作壓力，確保機房的安全播出。

1 系統的整體鏈路設計方案

研究人員在開關板的功率檢測單元中，通過協議轉換器將RS232 協議轉換成TCP／IP 協議。 然后，經過光電轉換器A 端和B 端，將電信號轉換為光信號。 在一樓值班室，再將光信號轉換回電信號，并與監控電腦的上位機軟件進行相關數據的通信。 由于需要對數據進行長距離的傳輸，為了保證數據的穩定性，要使用光電轉換器對信號進行轉換。 整體鏈路設計框圖如圖1 所示。

圖1 整體鏈路設計框圖

2 上位機軟件的界面設計

本軟件的主要功能界面有監控數據界面和參數的配置界面，可以實時顯示當前的相關參數以及對功率檢測單元進行參數配置。 上位機軟件界面如圖2 所示。

圖2 上位機軟件界面

2.1 監控數據界面

該界面主要是顯示當前的雙饋天線的通道1 和2 的頻率范圍、入反射的功率值、入反射的耦合度、駐波比的告警門限值和駐波比告警開關以及反射功率的報警門限值設定。

通過以上的數據監測，可以掌握天饋系統的運行狀況。 一旦反射功率超過設定的門限值，系統將自動發出報警聲，以提醒值班人員。 同時，對應的反射功率背景變成紅色，這樣顯得更加醒目和直觀。

2.2 參數的配置界面

該界面主要是針對當前通道1 和2 測量的頻率范圍、入反射的耦合度和駐波比告警門限的設定。 通過遠程參數設置，可以方便靈活地對天饋系統進行操作。

3 各部分功能的實現

3.1 協議轉換器的相關配置

功率檢測單元提供RS232 的通信接口，速率為19.2 kbps（8 bit，無校驗位，1 bit 停止位）。 在主控機未發送信號時，功率檢測單元不主動發送數據。 將協議轉換器設定相應的IP 地址。 在TCP 模式下，需要設置遠程主機的IP和端口號。 在RS232 模式下，需要配置與功率檢測單元一致的串口通信參數。 將監控電腦的IP 設置為與遠程主機相同的IP，子網掩碼為255.255.255.0，網關可不設，這樣監控電腦的上位機軟件就可以與功率檢測單元進行正常的通信。

3.2 光電轉換器的功能介紹

光電轉換器是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網傳輸媒體轉換單元，主要是利用光電效應將光信號轉換成電信號。 在遠距離傳輸信號時，通常采用光纖作為傳輸介質。 光纖具有較大的傳輸帶寬和良好的穩定性，使其成為長距離信息傳輸的理想選擇。 然而，電腦、電話或傳真等設備產生的是電信號，無法直接在光纖中傳播。 因此，需要使用光電轉換器將這些電信號轉換成可以在光纖里傳播的光信號。 同樣地，接收端也需要一個光電轉換器將接收到的光信號再轉換回電信號。 一般光電轉換器是成對進行使用的［2］。

由于本監控系統的實現需要進行遠距離數據的傳輸，因此運用了一對光電轉換器。 將串口協議轉換器輸出的IP 信號接入到光電轉換器的A 端網口上，并將光纖的一端連接到光電轉換器的TX（發送）口。 在光電轉換器的B端上，將光纖的另一端連接到RX（接收）口。 接下來，將網絡一端連接到光電轉換器的B 端網口，另一端連接監控電腦的網口，才能進行數據的傳輸［3］。

3.3 功率檢測單元參數的顯示

3.3.1 數據的查詢命令幀

由于對功率檢測單元讀取參數時，要發送相應的命令幀。 根據其提供的數據讀取命令幀格式，具體格式如下：

幀頭：1 個字節，0xFA， 表示命令幀。

地址：1 個字節，功率檢測單元的編號0～255。

控制字：1 個字節，數據位索引。

校驗碼：2 個字節，CRC16 校驗，g（x）＝x16＋x12＋x5＋1，校驗的字節包括幀頭。

在程序中，讀取的命令幀為：FA 01 FF 09 52。 幀命令是以十六進制顯示的，在發送命令時，也要以十六進制進行發送。 功率檢測單元在接收到命令幀后，將所檢測的參數以相應的格式進行回復。

3.3.2 功率檢測單元的回復

在接收到十六進制的查詢命令幀后，功率檢測單元也將以十六進制的數據進行答復，例如：7D 01 FF 3C 01 01 06 6F F3 00 01 05 49 00 37 00 00 00 10 3E 00 00 00 00 00 06 6F F3 00 01 05 48 00 25 00 00 00 10 90 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 51 41。 這條數據中共有66 個字節，第1 個字節是幀頭；第2 個字節是被設置功率檢測單元的編號；第3 個字節是控制字；第4 個字節是數據的長度；第5 個字節是設置功率檢測單元編號；第6 個字節是遠程設置開關；第7～10 個字節是通道1 的工作頻率范圍；11 ～12 字節是通道1 的駐波比告警門限；13～14 字節是通道1 的入射耦合度；15～16 字節是通道1 的反射耦合度；17 ～20 字節是通道1 的入射功率；21～22 字節是通道1 的反射功率；23 字節bit ＝0 通道1 無駐波報警；通道2 的相應參數是從第26個字節到44 個字節，順序和通道1 相同。 后面的FF 是保留字節，最后兩個字節是前面的所有字節進行CRC16 校驗后所得的校驗碼。

3.4 功率檢測單元的遠程設置

3.4.1 數據的配置命令幀

設置功率檢測單元的參數時，要發送相應的數據幀。根據其提供的主控機發送數據幀格式，具體格式如下：

幀頭：1 個字節，0x7D， 表示的是數據幀。

地址：1 個字節，功率檢測單元的編號0～255。

控制字：1 個字節，數據位索引。

數據長度：1 個字節，表示后面數據的長度。

數據：N 個字節，根據控制字的不同而不同。

校驗碼：2 個字節，CRC16 校驗，g（x）＝x16＋x12＋x5＋1，校驗的字節包括幀頭。

3.4.2 配置命令幀解析

在程序中，如配置數據的幀為：7D 01 FF 3C 01 01 06 6F F3 00 01 05 49 00 37 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 06 6F F3 00 01 05 48 00 25 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF E9 E3，數據幀同樣也是以十六進制進行發送的。 在配置的數據幀中也同樣有66 個字節，第1 個字節是幀頭；第2 個字節是被設置功率檢測單元的編號；第3 個字節是控制字；第4 個字節是數據的長度；第5 個字節是設置功率檢測單元編號；第6 個字節是遠程設置開關；第7 ～10 個字節是通道1 的工作頻率范圍；第11 和12 個字節是通道1 的駐波比門限；第13 和14 個字節是通道1 的入射耦合度設置；第15 和16 個字節是通道1 的反射耦合度設置；第17～20 個字節是通道2 的工作頻率范圍；第21 和22 個字節是通道2 的駐波比門限；第23 和24 個字節是通道2的入射耦合度設置；第25 和26 個字節是通道2 的反射耦合度設置；后面的FF 是保留字節，最后兩個字節是前面的所有字節進行CRC16 校驗后所得的校驗碼。

功率檢測單元在接收到配置的數據幀后，按節點的功能對其進行配置。 在配置成功后，將返回FA 01 7F 98 DA的十六進制應答幀。 主控機可通過返回來的數據判斷配置是否成功。

4 上位機軟件程序設計

4.1 TCP 協議的配置

TCP 是互聯網的一個重要的傳輸層協議。 TCP 提供面向連接的可靠、有序的字節流傳輸服務。 應用程序在使用TCP 之前，必須先建立TCP 連接；TCP 通過校驗和、序列號、確認應答、重發控制、連接管理以及窗口控制等機制實現可靠性傳輸［4］。 在實驗虛擬儀器工程平臺（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）軟件中，使用TCP 協議控件搭建與設備的連接，進行數據的訪問等操作。 TCP 控件的配置程序框圖如圖3 所示。

圖3 TCP 控件的配置程序框圖

在程序中放置打開TCP 連接控件后，配置其目標的IP 和端口號。 此IP 和端口號是協議轉換器的IP 地址和端口號，再經過適當的延時時間，才能夠穩定地與設備進行連接。

4.2 數據讀取程序

在功率檢測單元－監控界面下，利用TCP 控件的讀取功能，對設備進行數據的讀取。 在設備與上位機通信正常后，在循環的程序中，配置好數據讀取的命令幀和要讀取的字節數。 再通過截取相應的字節數進行數值轉換，可以將十六進制字符串轉換成十進制數。 經過計算或組合等操作，可以將所需的工作頻率、入射和反射功率、入射和反射耦合值、駐波報警開關以及駐波報警門限顯示在數據顯示控件中［5］。 通道1 數據的讀取程序框圖如圖4 所示。

圖4 通道1 數據的讀取程序框圖

得到通道1 的數據后，對于通道2 也進行同樣的程序框圖操作，但需要改變對字節截取地址的位數，以便得到通道2 所需要的數據。

4.3 數據配置程序

在機房的天饋線系統的實際應用當中，只對功率檢測單元的通道1 和2 的工作頻率范圍、駐波比告警門限和入反射的耦合度進行設置即可。 要發送一條完整的配置數據幀，需要按格式的要求進行操作。 配置數據的程序框圖如圖5 所示。

在配置數據時，首先要讀取相應的參數數值并顯示出來。 然后，對這些參數進行更改，并在確定后向功率檢測單元發送數據幀命令。 主要的操作包括將數據從十進制轉換成十六進制，字符串的組合以及CRC 校驗等。 得到的配置命令數據幀可以通過通道TCP 控件寫入的功能進行數據配置。

4.4 報警功能程序

在功率檢測單元中，天饋線系統中出現故障時，主要是體現在駐波比和反射功率數值過大。 本設計針對反射功率超過設定數值的情況，會觸發報警聲音并使反射功率值背景顏色由灰色變成紅色，以起到提醒的作用。 程序框圖如圖5 所示。

5 結語

本軟件系統具有良好的穩定性，圖形界面形象直觀。在機房的應用上，能很好地對調頻的天饋線系統進行實時的監控，讓值班人員在值班室就可以實時掌握當前調頻天饋線的運行情況，大大地減輕了值班人員的壓力。 通過對反射功率的設定，在檢測到天饋線反射功率異常時，發出報警聲音，可以起到預告警的作用，以提醒值班人員做好相應的應急預案。 解決了當前廣播電視無線發射對天饋線系統的監測存在的薄弱問題，為機房的安全播出工作提供了可靠的保障。