对几种大功率固态发射机监控单元的比较

贵州省新闻出版广电局七六一台 侯飞飞

对几种大功率固态发射机监控单元的比较

贵州省新闻出版广电局七六一台 侯飞飞

简单介绍常见的大功率发射机工作原理，分析其监控单元的组成结构及工作原理，从实际应用中出发解析其的可靠度。

大功率发射机；监控单元；比较；安全播出

绪论

随着广播电视无线覆盖的新发展，各地区站台都安装使用了大功率（3KW以上）发射机来扩大覆盖率，并且10KW的发射机（调频、电视发射机）使用率是相当高的。我所工作的发射台从上世纪七十年代成立至今一直都使用大功率发射机进行广播。现我国使用的大功率发射机品牌众多，其功放单元和整机的设计各有不同，不过其工作原理大致一样。从技术原理层面论各种发射机最大不同处就是其的工作状态监测和设备控制单元（以下简称：监控单元）。本文将对几种常见的大功率发射机的监控单元进行解析，从而了解各发射机监控单元的优缺点，及运行的可靠性，最终让使用者更好的做到安全播出。

一、大功率发射机

（一）大功率发射机的发展

最早的发射机是采用低功率电子管放大，要达到大功率发射需逐级放大后双路或多路合成，这样的一台发射机功放部分会使用到十几只甚至几十上百只电子管，其造价高、维护成本巨大，只有极少数的台站配备该类发射机。

随着MOS功率管和大功率电子管的发展，此时的发射机激励级已经开始使用MOS功率管，大功率发射机也从原先的多级多路逐渐演变成典型的初级推动末级级的两级功放发射机。这时的大功率发射机结构相对简单，造价成本和维护成本降低，大量台站开始配备。

随电子行业的发展，高功率的MOS管的问世，大功率发射机的功放部分也发生了改变。但这时的高功率MOS管价格昂贵，采用多路合成的方式制造大功率发射机的造价太过昂贵。所以大多数发射机只是将初级的电子管功放更换为MOS管功放，末级依然使用大功率电子管功放。这种方式使得许多台站在原有的两级放大发射机的基础上很容易就改造而得。

随后高功率MOS管的技术越发成熟，制造成本也大幅降低，使得全MOS管的大功率发射机得以面世普及。这时的发射机体积变小，结构简单；虽然末级功率是靠多路功放模块合成而得，但MOS管的稳定性和长寿命使得维护成本也大大降低。这类大功率发射机是目前各台站广泛使用的发射机。

（二）大功率发射机的原理

大功率发射机经几代机型的发展，到现在已经相当成熟，不论那类机型其原理都是一样的。这里将以现在普遍使用的大功率发射机简单的叙述其原理。

大功率发射机主要由激励器和末级功放组及其支持这两部分的供电单元、传输网络、冷却单元及监控单元组成。原理方框图如图1-1：

图1-1 大功率发射机方框图图1 -1 大功率发射机方框图

由图1-1可看出大功率发射机的基本工作原理，即音频、视频信号进入激励器中先进行信号调制后通过激励级功放放大后输入功放组的功率分配网络；各功放盒将分配网络送来的信号放大后经功率合成网络将功率合成为大功率后通过滤波器滤波后传输至天线将射频信号发射出去。其中的冷却单元主要为功放单元提供冷却，有风冷和液冷两种；供电单元为其它单元提供支持其工作的电源；监控单元负责控制发射机的开机、关机、本机控制、远程控制、手动自动控制等工作方式，它还负责监测发射机各单元的工作状态，如

调制状态、激励功率，各功放盒的工作电流、电压、温度、输出输入的功率及整机的发射和反射功率等。

二、大功率发射机监控单元

（一）大功率发射机监控单元的工作原理

监控单元犹如发射机系统中的大脑，随着大功率发射机的发展，监控单元从最初简单的控制开关和监测指示灯及仪表逐步演变成现在的通过计算机系统完成对发射机的监控。无论采用何种方式，监控单元对发射机控制和监测的作用是始终不变的。随计算机技术的应用监控单元的作用会发展得跟强大。

图2-1图2 -1

监控单元的工作方式如图2-1所示，通过控制模块将控制指令发送至发射机其它单元，然后接受到指令的单元会反馈给监测模块相应的数据状态。早期的控制模块主要是由手动开关和继电器及附属线路等元器件组成；监测模块则是由状态指示灯和各类仪表及附属线路组成。现行的监控单元应用计算机技术，主要是由工控计算机主机、通信总线、各单元工控板组成。

（二）通信总线制监控单元

总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。总线主要分为并行总线和串行总线，其主要参数有总线带宽、总线位宽、总线时钟频率。

图2-2图2 -2

如今大多数机器设备都利用通信总线方式实现智能监控，大功率发射也不例外。由图2-2可看出实现对设备的监控，在设备受控单元需要一个能与监控单元对话的模块，即工控模块。工控模块其实质就是一个监控装置，它可以作为受监控单元的独立监控模块，也可通过总线与主监控单元连接受主监控单元管理控制。利用通信总线，主监控单元可同时对不同类型的受监控单元进行监控，对各单元的数据进行分析，这大大提高了监控系统的工作效能。

三、现行几种常见的大功率发射机监控单元

（一）以51单片机为基础的监控单元

51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。其可编程性、结构简单、工作稳定、造价低廉的特点在工控方面得到了广泛应用。一些要求控制成本的大功率发射机采用了以51单片机为基础的监控单元。

51单片机的主要功能参数：

1.8 位CPU·4kbytes程序存储器(ROM) (52为8K)；

2.128bytes的数据存储器(RAM) （52有256bytes的RAM）；

3.32 条I/O口线，111条指令，大部分为单字节指令；

4.21 个专用寄存器；

5.2 个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个）；

6.一个全双工串行通信口；

7.外部数据存储器寻址空间为64kB；

8.外部程序存储器寻址空间为64kB；

9.逻辑操作位寻址功能，双列直插40PinDIP封装；

10.单一+5V电源供电；

CPU由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及要显示的数据;ROM用以存放程序、一些原始数据和表格;I/O口，四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M—12M。

51单片机组成大功率发射机的监控单元对发射机进行开关机控制、工作状态监测，其主要由51芯片、显示电路、键控电路、通信接口电路、模拟量采样电路、A/D转换电路、电源处理电路等组成监控主机；由模拟量采样电路、A/D转换电路、通信接口电路等组成监控下位机（受监控端）；多个受监控端通过串行总线与监控主机进行通信。

图3 -1 51单片机监控单元主机

51单片机组成的监控单元主机（图3-1所示），主要有单片机主板、控制面板、模拟量采集、各类接口及报警器组成。其中单片机主板便是51单片机的主要部分，它主要是对各接口发出相应指令和接收数据，并对数据进行分析处理；控制面板是监控主机人机交流部分，它主要是提供开关机按键、入反射显示、发射机其它参数显示及相应的操作按钮；模拟量采集模块主要是采集整机的关键点的模拟量（入射功率、反射功率等）然后经A/D转换后送入单片机进行处理；接口部分主要有连接受控端的串行总线接口、连接远程计算机的通信接口、控制设备工作状态的控制信号接口（该接口主要是输出高电平信号触发继电器控制开关机）、电源输入接口、模拟量输入接口；报警轰鸣器根据单片机程序的设定对发射机工作不正常时发出轰鸣警告。

该监控单元的受控端监控模块主要由模拟量采集及A/D转换电路、数据处理电路、工作状态控制电路、接口电路、状态指示电路组成。如图3-2所示：

图3 -2 发射机功放盒监控模块

从图3-2可看出发射机功放盒内的监控模块与主监控单元的功能相当，只是处理的数据量不同。该模块虽然由控制功能，但不具备控制按钮，它受主控控制从而控制功放盒的工作状态。显示模块由几个LED指示灯组成，显示功放盒的工作状态。对于整个大功率发射机还有激励器、供电单元、冷却单元等部分，每一部分都有一个监控模块，这些的监控模块的结构都是相同的，不同的是采集的数据和显示状态量。

51单片机组成的大功率发射机监控单元有结构简单、造价低、工作稳定、支持远程计算机接入等优点。但由于51芯片自身的功能限制它处理的数据量有限，不能同时显示多个监控数据，如果受控单元过多必须增加二级单片机组成星型总线网络进行监控，这样便增加了监控系统的复杂性，也造成数据传输的延时甚至造成数据丢失使实时性降低，同时复杂的总线网络也增加维护难度。

（二）以PC机为基础的监控单元

现在PC机已经普及到家庭，其强大的功能在工控上也得到了极致的应用。目前主流的大功率发射机监控单元便是以PC机为基础的。其32位（更高的为64位）的数据处理能力，可随需求配置存储器大小，多种类型接口，加上Windows操作系统良好的人机交流性等优点颇受欢迎。

以PC机为基础的监控单元其主机的组成主要有：PC机、多功能接口卡、显示器、控制电路及面板等。其受控单元的监控模块大多使用51单片工控机（本节不再介绍）。

图3 -3 PC机监控单元

以PC机为基础的监控单元（图3-3），充分利用PC机的高度集成的强大功能，通过高级语言编译的专用程序对大功率发射机的各单元进行监控。其中PC主机负责连接所有受控单元，控制所有单元和分析所有数据，同时将状态和数据显示在显示器上；多功能接口卡主要功能是采集模拟量进行A/D转换，将数据传输给PC主机，也可将模拟量数据传输给模拟量LED显示板；多功能接口卡还负责连接控制面板电路，它将控制面板上的操作指令传输给PC主机；控制电路及面板主要是提供简单的操作按钮（开关机等），方便对发射机直接进行操作。

以PC机为主控的受控单元都采用了51单片工控机监控模块，对于单一的受控端来说，51单片机已经足够处理其的数据。比起上一节介绍的机型，使用51单片机作为功放盒监控单元的监控系统，对于功放单元可采集的数据更多更及时，同时在功放盒本身的面板上不仅有状态显示还有对各模拟量的实测数据。这样使得巡机人员可更直观的观察各单元的状态，特别是功放盒的状态。

PC机对受控单元传输来的数据进行存储和分析并可将数据传输给远程服务器或监测终端，可同时显示各单元的工作状态及实时数据，使得维护人员能及时的了解发射机的工作状态，还可通过告警程序查询告警点和故障点。这类监控单元大大的提高了监控能力，给维护人员提供了更可靠更及时的数据，增强了维护的准确力，巩固了安全播出。

（三）以内嵌专用系统的工控机为基础的监控单元

随着计算机系统小型化的发展，内嵌专用系统的工控机逐步普及开来，许多高端的发射机采用了这类监控单元。

内嵌专用系统工控机，是在小型化的计算机系统中独立开发操作程序（一般多为UNIX系统）的监控系统。这种系统对应不同的发射机机型开发相应的操作程序，其系统专业性强、无其它附带累赘，对大功率发射机的监控更专业更准确。

内嵌专用系统的监控单元，它和PC机的监控单元的结构大致一样，不同的是嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，处理数据更精确更及时，小型化的系统也更精致。这种系统不在保留控制面板，它可直接在触摸屏上操作或利用快捷导航键操作；它可用多种方式同时与多个远程监测终端连接实时显示数据。有的厂家甚至在发射机监控单元加入物联网模块，让维护人员随时随地都可以了解发射机的工作状态。

内嵌式监控单元的受控端也不在使用51单片机，它使用了一个更小型化的内嵌系统，这个系统比主控的功能略小些，但它专业的系统功能，使得维护人员能通过功放盒自身的显示面板轻松的读取数据，并且通过功放盒的控制面板可直接对功放小盒的功率、报警门限等参数直接进行设置（以上两种系统是靠调节电位器和重写程序达到的）。

处理，利用鼠标测量距离，自动计算出油滴下落和上升的速度，通过公式得出元电荷e并保存。

该系统是对原实验系统的改进，特别是时间的自动测量和位移的准确定位，与传统手动测量相比，提高了测量效率和测量精度。在测试和实际操作中，可以在有限的时间内测量更多的油滴，为数据处理提供了更多可靠的数据。同时，将该系统在应用到教学中，大大激发了学生的实验兴趣，也让学生了解关于图像采集和处理的思路、方法，丰富了教学内容。所以，在实际的教学中，具有很好的推广价值。

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黄晓园（1990—），广东梅州人，助理实验师，从事智能控制、光电技术等研究。