如何提高短波發(fā)射機的自動化水平

國家新聞出版廣電總局871臺 洪 清

如何提高短波發(fā)射機的自動化水平

國家新聞出版廣電總局871臺 洪 清

短波發(fā)射機是廣播發(fā)射領(lǐng)域用于發(fā)射短波波段無線電信號的設(shè)備，提高其自動化水平具有十分現(xiàn)實的意義。本文就如何提高短波發(fā)射機的自動化水平做出了詳細的說明，分析了PLC和FPGA的工作原理及特點，列舉了兩者在提高短波發(fā)射機自動化水平方面的一些具體應(yīng)用。

自動化水平；PLC；FPGA；短波發(fā)射機；調(diào)諧

前言

短波發(fā)射機是指發(fā)射短波波段無線電信號的設(shè)備，通常用于廣播發(fā)射領(lǐng)域。科學技術(shù)的進步促使短波發(fā)射機由過去的人工操作向自動化控制轉(zhuǎn)變，利用PLC或FPGA技術(shù)提高短波發(fā)射機的自動化水平，對提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性，最大程度減小人為事故的發(fā)生具有十分現(xiàn)實的意義。

1 短波發(fā)射機提升自動化水平的必要性

DF100A型短波發(fā)射機是我國應(yīng)用范圍較廣的機型。它主要由射頻放大系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括調(diào)諧系統(tǒng)）、天線饋線系統(tǒng)組成。其中。控制系統(tǒng)作為發(fā)射機的“中樞神經(jīng)”，其自動化水平直接決定了整臺設(shè)備的運行情況。

控制系統(tǒng)的功能主要由繼電器和接觸器完成。一臺DF100A型短波發(fā)射機中，總共使用了5個定時繼電器、12個控制繼電器、27個中間繼電器、35個調(diào)諧繼電器、10個頻道鎖存與切換繼電器、16個交流接觸器。如此眾多的繼電器和接觸器，易造成發(fā)射機倒換波段、調(diào)諧不精確，同時發(fā)射機內(nèi)部連線復(fù)雜，易發(fā)生故障的隱患點較多，排除故障不易。因此，非常有必要采用全新的技術(shù)手段來提升發(fā)射機的自動化水平。

2 利用PLC提高短波發(fā)射機整體自動化水平

2.1 PLC工作原理

PLC，中文名稱為可編程控制器，可以執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，它以微處理器CPU為核心，采用存儲器進行內(nèi)部編程，并通過數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。PLC是將計算機技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電控制技術(shù)相結(jié)合的高科技電子化產(chǎn)物，可以有效提升繼電控制自動化水平，尤其考慮到操作人員的專業(yè)水平不一，PLC程序采用以梯形圖為主的簡單指令，編程并不需要專業(yè)性很強的計算機編程語言。

PLC的工作過程分為三個階段，分別是輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新，三個階段為一個掃描周期。PLC在工作時，其CPU以一定的掃描速度循環(huán)重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。

在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入數(shù)據(jù)或狀態(tài)，將它們存儲到相應(yīng)的單元內(nèi)。在程序執(zhí)行階段，PLC以自上而下的順序依次地掃描所有的用戶程序(梯形圖)，在掃描每一條程序時，按照先左后右，先上后下的順序掃描控制線路并進行邏輯運算，然后根據(jù)運算結(jié)果，對相應(yīng)存儲單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)進行修改。程序掃描運算結(jié)束后，便進入了輸出刷新階段。這時，CPU依據(jù)工作程序刷新所有的輸出鎖存電路，同時啟動輸出電路，驅(qū)動外部設(shè)備，實現(xiàn)對短波發(fā)射機的控制。

2.2 PLC的工作特點

2.2.1 使用簡單，編程方便

PLC改變了短波發(fā)射機傳統(tǒng)的繼電控制模式，以特定的程序來實現(xiàn)控制功能，大幅提升自動化水平。當改變控制程序時可以在線進行修改，無需短波發(fā)射機停運或拆動設(shè)備硬件。PLC采用簡明的梯形圖、語句表等編程語言，簡單易學，可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

2.2.2 功能豐富

PLC內(nèi)部有著豐富的處理指令系統(tǒng)和存儲空間，僅一臺小型PLC內(nèi)部便集成有成百上千個可供用戶使用的編程元件和存儲區(qū)域，能夠在同一時間對上千條指令進行運算存儲，然后根據(jù)不同的程序要求和運算結(jié)果完成相應(yīng)的工作。PLC非常適用于短波發(fā)射機，能夠很好地滿足其多樣化的控制要求。另外，PLC還有通訊接口，能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接現(xiàn)實對短波發(fā)電機的多地控制，集中管理。

2.2.3 運行可靠

在硬件封面，PLC控制省去了大量中間繼電器、時間繼電器環(huán)節(jié)，僅剩下與輸入輸出功能相關(guān)的少量硬件設(shè)備，接線規(guī)模可減少到繼電控制的1/10-1/100，降低了因機械觸點接觸不良或線路問題而造成故障的概率。PLC依靠光耦器和微電子電磁元件進行信號的傳遞，抗干擾能力強，釋放的電磁場強度小，不會對短波發(fā)射機的正常工作造成影響。在軟件方面，PLC安裝有一整套監(jiān)控程序，面向用戶提供一些自動化操作、監(jiān)控指令，能夠?qū)崟r反映程序執(zhí)行狀態(tài)和發(fā)射機設(shè)備運行狀態(tài)，減少誤操作風險。

2.2.4 經(jīng)濟適用

PLC產(chǎn)品已經(jīng)標準化、模塊化、系列化，配備有品種齊全的各種硬件設(shè)備可供用戶選擇，用PLC的統(tǒng)一單位可以隨時在市場上購買相關(guān)硬件，拿回來就可以使用，方便了日常維護和系統(tǒng)配置。雖然PLC前期投入大，但是在實際使用中大大降低了短波發(fā)射機的控制成本，PLC體積小輔助設(shè)備少，耗電量低，維護簡單且次數(shù)少，具有較高的性價比，還可以帶來一些附加價值。

2.3 如何利用PLC實現(xiàn)短波發(fā)射機自動化水平的提高

2.3.1 分析短波發(fā)射機的發(fā)射和控制任務(wù)

DF100A型短波發(fā)射機常用于廣播發(fā)射領(lǐng)域，不同的發(fā)射任務(wù)對發(fā)射機運行程序、硬件設(shè)備的要求是不同的，因此必須首先明確發(fā)射機的發(fā)射任務(wù)是什么。

其次，需要分析發(fā)射機的控制任務(wù)。一般來說，發(fā)射機控制系統(tǒng)所涉及的任務(wù)有發(fā)射機電源的開關(guān)操作、頻率取樣操作、功率升降操作、調(diào)諧操作等，不同的操作會產(chǎn)生諸如電流、電壓、頻率等參數(shù)的變化，需要對這些參數(shù)進行采樣統(tǒng)計工作。在數(shù)據(jù)采樣時，需要考慮發(fā)射機規(guī)模的大小以及操作的復(fù)雜程度來選擇采樣數(shù)量，并對取樣進行科學統(tǒng)計，將各參數(shù)的性質(zhì)、變化情況、輸入地址分析清楚，分析結(jié)果匯總在一起，為選擇PLC容量和品牌、型號提供參考。

2.3.2 分配輸入輸出地址

發(fā)射機自動化水平表現(xiàn)在工作過程的自動化監(jiān)控，自動化監(jiān)控的實現(xiàn)離不開PLC對運行數(shù)據(jù)的存儲、分析、運算。各種類型的數(shù)據(jù)需要通過輸入地址進入到存儲單元中，在經(jīng)過運算處理后，作為執(zhí)行結(jié)果通過輸出地址作用于發(fā)射機。

從理論上講，PLC編程只有在輸入輸出地址分配結(jié)束后才能進行，對于PLC與發(fā)射機的接線圖和裝配圖而言，也需要以輸入輸出地址分配為基礎(chǔ)。在分配過程中為了保證合理性，一般把類似數(shù)據(jù)的信號點分配在連續(xù)的輸入輸出地址上，同時注意記錄所有輸入輸出點的地址、代碼、名稱并存檔，方便以后維護升級。

2.3.3 倒換波段和諧波濾波器

當進行倒換波段工作時，PLC會根據(jù)當前頻率所處的波段確定出頻率位置，同時，將計算出的位置轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的電壓數(shù)值并輸送到馬達驅(qū)動板上，實現(xiàn)對短路棒位置的調(diào)整，保證換波工作的順利完成。

在進行諧波濾波器的倒換時，需要人工輸入諧波濾波器的最高限壓數(shù)值和最低限壓數(shù)值。PLC會根據(jù)當前的工作狀態(tài)準確計算出所需的頻率值，一方面計算值會形成刻度顯示，供操作人員查看，另一方面計算值會轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)值并輸送至馬達驅(qū)動板，對諧波濾波器的位置進行精確控制，從而保證濾波器發(fā)揮過濾雜波的作用。

2.3.4 發(fā)射機調(diào)諧與頻率切換

短波發(fā)射機的工作頻率需要隨電波傳播情況反復(fù)更換，利用PLC進行精細化自動調(diào)諧簡單方便，迅速準確。

自動調(diào)諧是指根據(jù)發(fā)射機當前的工作頻率，將各調(diào)諧元件調(diào)至對應(yīng)位置的過程。當DF100A型短波發(fā)射機進行調(diào)諧時，PLC首先需要判斷當前頻率是否為以前保存過的頻率。如果當前的頻率以前保存過，就將以前位置的伺服電壓的數(shù)值進行保存；如果當前的頻率以前沒有保存過，就需要對這一新頻率的伺服電壓數(shù)值和參數(shù)情況進行保存。PLC會啟動相應(yīng)程序，開辟一個新存儲單元用于伺服電壓數(shù)值的存儲，同時PLC會自動計算該頻率上各頻段的參數(shù)（例如調(diào)諧、電容）情況，計算結(jié)果被一同存儲起來。PLC通過自動分析計算，可以對DF100A型短波發(fā)射機所有工作頻率和相關(guān)參數(shù)進行控制，減輕人為控制的壓力。

此外，PLC控制系統(tǒng)可以從上位機處獲得發(fā)射的載波頻率數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過PLC的分析運算處理，可以將不同頻率合成為合成器所需要的載波頻率，實現(xiàn)不同頻率的快速切換。基于PLC技術(shù)的頻率切換最突出的特點就是速度快，準確性高，特別適用于電視、廣播領(lǐng)域。如果出現(xiàn)了臨時代播的情況，可以迅速完成頻率切換，將載波頻率輸出至下位機，保證電視、廣播信號不間斷傳輸。

3 利用FPGA實現(xiàn)短波發(fā)射機調(diào)諧自動化

FPGA對發(fā)射機自動化的貢獻，主要在于提升了調(diào)諧系統(tǒng)的自動化能力。

3.1 FPGA工作原理

FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，作為專業(yè)集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，在性能上既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。與PLC常用的圖像化編程所不同的是，F(xiàn)PGA采用VHDL語言進行編程。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一種概念，包括內(nèi)部接線、輸入輸出模塊IOB、可配置邏輯模塊LCB三部分。FPGA利用小型查找表（RAM）來實現(xiàn)邏輯的組合，每個小型查找表都連接著一個D觸發(fā)器輸入端口，D觸發(fā)器輸出端與其他邏輯電路相連。小型查找表加D觸發(fā)器組成基本邏輯單元模塊，這些模塊之間由金屬線互連，既可以實現(xiàn)組合邏輯功能又可以實現(xiàn)時序邏輯功能。FPGA工作時，編程數(shù)據(jù)載入內(nèi)部靜態(tài)存儲單元，數(shù)據(jù)的數(shù)值決定了邏輯基本單元的功能以及各模塊之間的連接方式，最終確定FPGA的邏輯功能。

FPGA其具有集成程度高、穩(wěn)定性好、運算速度塊（可達ns級）、觸發(fā)器數(shù)量豐富等特點，應(yīng)用廣泛。

3.2 基于FPGA的發(fā)射機自動化調(diào)諧系統(tǒng)

DF100A型短波發(fā)射機的調(diào)諧方式主要有三種：手動、半自動、自動。

手動調(diào)諧方式曾經(jīng)是DF100A型短波發(fā)射機較為常用的方式，但是這種方式具有一定的缺陷性。第一，手動調(diào)諧操作相當繁瑣，在操作設(shè)備的同時需要讀取儀表數(shù)值并判斷發(fā)射機的工作狀態(tài)，容易出錯，調(diào)諧狀態(tài)的好壞與人工判斷水平和業(yè)務(wù)素質(zhì)有著很大的關(guān)系。第二，由于發(fā)射機自身設(shè)計原因，DF100A型短波發(fā)射機僅有十個信道，最多只能存儲十個頻率。如果需要存儲新的頻率，需要人工進行開頻處理，開頻處理包括改變載波頻率、波段設(shè)置、諧波設(shè)置等環(huán)節(jié)，操作復(fù)雜，需要多人配合進行。第三，手動調(diào)諧高度依賴人力，無法做到“有人留守，無人值班”，與信息化的發(fā)展要求不相適應(yīng)。

半自動調(diào)諧是介于手動調(diào)諧和自動調(diào)諧之間，是一種前者向后者過渡式的調(diào)諧方式。

自動調(diào)諧是目前短波發(fā)射機調(diào)諧最為常用同時也是最為方便的調(diào)諧方式，相關(guān)研究和使用實踐已經(jīng)證明，基于FPGA的自動化調(diào)諧具有較高的實用價值。自動調(diào)諧的主體由單片機、FPGA、步進電機構(gòu)成。單片機和FPGA屬于運算單元，前者完成上位機通信、元件位置信息采集處理存儲功能，后者完成測定發(fā)射機工作頻率、元件位置邏輯設(shè)計以及人機交互功能。步進電機屬于執(zhí)行單元，其角位移量與輸入脈沖呈嚴格的正比關(guān)系，具有極佳的開環(huán)跟隨性能，在工作中不會產(chǎn)生積累誤差，定位精度高。自動化調(diào)諧系統(tǒng)工作過程為：通過驅(qū)動馬達帶動調(diào)諧元件（真空可變電容或電感線圈）發(fā)生機械轉(zhuǎn)動，繼而改變調(diào)諧元件的機械位置。由于調(diào)諧元件的機位置發(fā)生變化，與其機械相連的追蹤電位器中心抽頭電壓值發(fā)生變化，反映元件當前位置信息的改變情況。在存儲器中，儲存有不同工作頻率下多路被調(diào)元件的最佳位置信息。當前位置信息與最佳位置信息相互比較，如果差值和極性相同則調(diào)諧過程結(jié)束，如果不相同，F(xiàn)PGA會控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向，直至兩者極性相同，差值為零。

雖然PLC也可以用于調(diào)諧系統(tǒng)的自動化，但是其對非線性等函數(shù)處理能力有限，可視界面和人機交互功能不強，而且PLC的某些編程資源存在固化現(xiàn)象，無法對用戶開放。FPGA可以克服以上缺陷，對調(diào)諧過程進行較為精細的控制，大幅提高了短波發(fā)射機的自動化水平。

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洪清（1980—），男，海南三亞人，大學本科，工程師，研究方向：電子信息工程。