如何提高短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化水平

國(guó)家新聞出版廣電總局871臺(tái) 洪 清

如何提高短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化水平

國(guó)家新聞出版廣電總局871臺(tái) 洪 清

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

自動(dòng)化水平；PLC；FPGA；短波發(fā)射機(jī)；調(diào)諧

前言

短波發(fā)射機(jī)是指發(fā)射短波波段無(wú)線電信號(hào)的設(shè)備，通常用于廣播發(fā)射領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步促使短波發(fā)射機(jī)由過(guò)去的人工操作向自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)變，利用PLC或FPGA技術(shù)提高短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化水平，對(duì)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(shí)的意義。

1 短波發(fā)射機(jī)提升自動(dòng)化水平的必要性

DF100A型短波發(fā)射機(jī)是我國(guó)應(yīng)用范圍較廣的機(jī)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(jī)的“中樞神經(jīng)”，其自動(dòng)化水平直接決定了整臺(tái)設(shè)備的運(yùn)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(tái)DF100A型短波發(fā)射機(jī)中，總共使用了5個(gè)定時(shí)繼電器、12個(gè)控制繼電器、27個(gè)中間繼電器、35個(gè)調(diào)諧繼電器、10個(gè)頻道鎖存與切換繼電器、16個(gè)交流接觸器。如此眾多的繼電器和接觸器，易造成發(fā)射機(jī)倒換波段、調(diào)諧不精確，同時(shí)發(fā)射機(jī)內(nèi)部連線復(fù)雜，易發(fā)生故障的隱患點(diǎn)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(lái)提升發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化水平。

2 利用PLC提高短波發(fā)射機(jī)整體自動(dòng)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(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)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(chǔ)器進(jìn)行內(nèi)部編程，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入、輸出控制各種機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。PLC是將計(jì)算機(jī)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(dòng)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(jiǎn)單指令，編程并不需要專業(yè)性很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。

PLC的工作過(guò)程分為三個(gè)階段，分別是輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新，三個(gè)階段為一個(gè)掃描周期。PLC在工作時(shí)，其CPU以一定的掃描速度循環(huán)重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)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(chǔ)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(shí)，按照先左后右，先上后下的順序掃描控制線路并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，對(duì)相應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行修改。程序掃描運(yùn)算結(jié)束后，便進(jìn)入了輸出刷新階段。這時(shí)，CPU依據(jù)工作程序刷新所有的輸出鎖存電路，同時(shí)啟動(dòng)輸出電路，驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波發(fā)射機(jī)的控制。

2.2 PLC的工作特點(diǎn)

2.2.1 使用簡(jiǎn)單，編程方便

PLC改變了短波發(fā)射機(jī)傳統(tǒng)的繼電控制模式，以特定的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，大幅提升自動(dòng)化水平。當(dāng)改變控制程序時(shí)可以在線進(jìn)行修改，無(wú)需短波發(fā)射機(jī)停運(yùn)或拆動(dòng)設(shè)備硬件。PLC采用簡(jiǎn)明的梯形圖、語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，可以縮短系統(tǒng)的開(kāi)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(chǔ)空間，僅一臺(tái)小型PLC內(nèi)部便集成有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件和存儲(chǔ)區(qū)域，能夠在同一時(shí)間對(duì)上千條指令進(jìn)行運(yùn)算存儲(chǔ)，然后根據(jù)不同的程序要求和運(yùn)算結(jié)果完成相應(yīng)的工作。PLC非常適用于短波發(fā)射機(jī)，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(shí)對(duì)短波發(fā)電機(jī)的多地控制，集中管理。

2.2.3 運(yùn)行可靠

在硬件封面，PLC控制省去了大量中間繼電器、時(shí)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)?？蓽p少到繼電控制的1/10-1/100，降低了因機(jī)械觸點(diǎn)接觸不良或線路問(wèn)題而造成故障的概率。PLC依靠光耦器和微電子電磁元件進(jìn)行信號(hào)的傳遞，抗干擾能力強(qiáng)，釋放的電磁場(chǎng)強(qiáng)度小，不會(huì)對(duì)短波發(fā)射機(jī)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(dòng)化操作、監(jiān)控指令，能夠?qū)崟r(shí)反映程序執(zhí)行狀態(tài)和發(fā)射機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，減少誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 經(jīng)濟(jì)適用

PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)在市場(chǎng)上購(gòu)買相關(guān)硬件，拿回來(lái)就可以使用，方便了日常維護(hù)和系統(tǒng)配置。雖然PLC前期投入大，但是在實(shí)際使用中大大降低了短波發(fā)射機(jī)的控制成本，PLC體積小輔助設(shè)備少，耗電量低，維護(hù)簡(jiǎn)單且次數(shù)少，具有較高的性價(jià)比，還可以帶來(lái)一些附加價(jià)值。

2.3 如何利用PLC實(shí)現(xiàn)短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)化水平的提高

2.3.1 分析短波發(fā)射機(jī)的發(fā)射和控制任務(wù)

DF100A型短波發(fā)射機(jī)常用于廣播發(fā)射領(lǐng)域，不同的發(fā)射任務(wù)對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)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(jī)的發(fā)射任務(wù)是什么。

其次，需要分析發(fā)射機(jī)的控制任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)所涉及的任務(wù)有發(fā)射機(jī)電源的開(kāi)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(huì)產(chǎn)生諸如電流、電壓、頻率等參數(shù)的變化，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)工作。在數(shù)據(jù)采樣時(shí)，需要考慮發(fā)射機(jī)規(guī)模的大小以及操作的復(fù)雜程度來(lái)選擇采樣數(shù)量，并對(duì)取樣進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)，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(hào)提供參考。

2.3.2 分配輸入輸出地址

發(fā)射機(jī)自動(dòng)化水平表現(xiàn)在工作過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控，自動(dòng)化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)PLC對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算。各種類型的數(shù)據(jù)需要通過(guò)輸入地址進(jìn)入到存儲(chǔ)單元中，在經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，作為執(zhí)行結(jié)果通過(guò)輸出地址作用于發(fā)射機(jī)。

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(jìn)行，對(duì)于PLC與發(fā)射機(jī)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(guò)程中為了保證合理性，一般把類似數(shù)據(jù)的信號(hào)點(diǎn)分配在連續(xù)的輸入輸出地址上，同時(shí)注意記錄所有輸入輸出點(diǎn)的地址、代碼、名稱并存檔，方便以后維護(hù)升級(jí)。

2.3.3 倒換波段和諧波濾波器

當(dāng)進(jìn)行倒換波段工作時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)當(dāng)前頻率所處的波段確定出頻率位置，同時(shí)，將計(jì)算出的位置轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值并輸送到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)短路棒位置的調(diào)整，保證換波工作的順利完成。

在進(jìn)行諧波濾波器的倒換時(shí)，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(huì)根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)準(zhǔn)確計(jì)算出所需的頻率值，一方面計(jì)算值會(huì)形成刻度顯示，供操作人員查看，另一方面計(jì)算值會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)值并輸送至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板，對(duì)諧波濾波器的位置進(jìn)行精確控制，從而保證濾波器發(fā)揮過(guò)濾雜波的作用。

2.3.4 發(fā)射機(jī)調(diào)諧與頻率切換

短波發(fā)射機(jī)的工作頻率需要隨電波傳播情況反復(fù)更換，利用PLC進(jìn)行精細(xì)化自動(dòng)調(diào)諧簡(jiǎn)單方便，迅速準(zhǔn)確。

自動(dòng)調(diào)諧是指根據(jù)發(fā)射機(jī)當(dāng)前的工作頻率，將各調(diào)諧元件調(diào)至對(duì)應(yīng)位置的過(guò)程。當(dāng)DF100A型短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，PLC首先需要判斷當(dāng)前頻率是否為以前保存過(guò)的頻率。如果當(dāng)前的頻率以前保存過(guò)，就將以前位置的伺服電壓的數(shù)值進(jìn)行保存；如果當(dāng)前的頻率以前沒(méi)有保存過(guò)，就需要對(duì)這一新頻率的伺服電壓數(shù)值和參數(shù)情況進(jìn)行保存。PLC會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)程序，開(kāi)辟一個(gè)新存儲(chǔ)單元用于伺服電壓數(shù)值的存儲(chǔ)，同時(shí)PLC會(huì)自動(dòng)計(jì)算該頻率上各頻段的參數(shù)（例如調(diào)諧、電容）情況，計(jì)算結(jié)果被一同存儲(chǔ)起來(lái)。PLC通過(guò)自動(dòng)分析計(jì)算，可以對(duì)DF100A型短波發(fā)射機(jī)所有工作頻率和相關(guān)參數(shù)進(jìn)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(jī)處獲得發(fā)射的載波頻率數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)PLC的分析運(yùn)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(shí)現(xiàn)不同頻率的快速切換?；赑LC技術(shù)的頻率切換最突出的特點(diǎn)就是速度快，準(zhǔn)確性高，特別適用于電視、廣播領(lǐng)域。如果出現(xiàn)了臨時(shí)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(jī)，保證電視、廣播信號(hào)不間斷傳輸。

3 利用FPGA實(shí)現(xiàn)短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧自動(dòng)化

FPGA對(duì)發(fā)射機(jī)自動(dòng)化的貢獻(xiàn)，主要在于提升了調(diào)諧系統(tǒng)的自動(dòng)化能力。

3.1 FPGA工作原理

FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。與PLC常用的圖像化編程所不同的是，F(xiàn)PGA采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯的組合，每個(gè)小型查找表都連接著一個(gè)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(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可以實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能。FPGA工作時(shí)，編程數(shù)據(jù)載入內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)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(yùn)算速度塊（可達(dá)ns級(jí)）、觸發(fā)器數(shù)量豐富等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

3.2 基于FPGA的發(fā)射機(jī)自動(dòng)化調(diào)諧系統(tǒng)

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

手動(dòng)調(diào)諧方式曾經(jīng)是DF100A型短波發(fā)射機(jī)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(dòng)調(diào)諧操作相當(dāng)繁瑣，在操作設(shè)備的同時(shí)需要讀取儀表數(shù)值并判斷發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)，容易出錯(cuò)，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(jī)自身設(shè)計(jì)原因，DF100A型短波發(fā)射機(jī)僅有十個(gè)信道，最多只能存儲(chǔ)十個(gè)頻率。如果需要存儲(chǔ)新的頻率，需要人工進(jìn)行開(kāi)頻處理，開(kāi)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(jìn)行。第三，手動(dòng)調(diào)諧高度依賴人力，無(wú)法做到“有人留守，無(wú)人值班”，與信息化的發(fā)展要求不相適應(yīng)。

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

自動(dòng)調(diào)諧是目前短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧最為常用同時(shí)也是最為方便的調(diào)諧方式，相關(guān)研究和使用實(shí)踐已經(jīng)證明，基于FPGA的自動(dòng)化調(diào)諧具有較高的實(shí)用價(jià)值。自動(dòng)調(diào)諧的主體由單片機(jī)、FPGA、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)和FPGA屬于運(yùn)算單元，前者完成上位機(jī)通信、元件位置信息采集處理存儲(chǔ)功能，后者完成測(cè)定發(fā)射機(jī)工作頻率、元件位置邏輯設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互功能。步進(jìn)電機(jī)屬于執(zhí)行單元，其角位移量與輸入脈沖呈嚴(yán)格的正比關(guān)系，具有極佳的開(kāi)環(huán)跟隨性能，在工作中不會(huì)產(chǎn)生積累誤差，定位精度高。自動(dòng)化調(diào)諧系統(tǒng)工作過(guò)程為：通過(guò)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)調(diào)諧元件（真空可變電容或電感線圈）發(fā)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而改變調(diào)諧元件的機(jī)械位置。由于調(diào)諧元件的機(jī)位置發(fā)生變化，與其機(jī)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(dāng)前位置信息的改變情況。在存儲(chǔ)器中，儲(chǔ)存有不同工作頻率下多路被調(diào)元件的最佳位置信息。當(dāng)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(guò)程結(jié)束，如果不相同，F(xiàn)PGA會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)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(dòng)化，但是其對(duì)非線性等函數(shù)處理能力有限，可視界面和人機(jī)交互功能不強(qiáng)，而且PLC的某些編程資源存在固化現(xiàn)象，無(wú)法對(duì)用戶開(kāi)放。FPGA可以克服以上缺陷，對(duì)調(diào)諧過(guò)程進(jìn)行較為精細(xì)的控制，大幅提高了短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)化水平。

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