国家新闻出版广电总局871台 洪 清

如何提高短波发射机的自动化水平

国家新闻出版广电总局871台 洪 清

短波发射机是广播发射领域用于发射短波波段无线电信号的设备，提高其自动化水平具有十分现实的意义。本文就如何提高短波发射机的自动化水平做出了详细的说明，分析了PLC和FPGA的工作原理及特点，列举了两者在提高短波发射机自动化水平方面的一些具体应用。

自动化水平；PLC；FPGA；短波发射机；调谐

前言

短波发射机是指发射短波波段无线电信号的设备，通常用于广播发射领域。科学技术的进步促使短波发射机由过去的人工操作向自动化控制转变，利用PLC或FPGA技术提高短波发射机的自动化水平，对提高设备的可靠性、稳定性，最大程度减小人为事故的发生具有十分现实的意义。

1 短波发射机提升自动化水平的必要性

DF100A型短波发射机是我国应用范围较广的机型。它主要由射频放大系统、音频系统、电源系统、冷却系统、控制系统（包括调谐系统）、天线馈线系统组成。其中。控制系统作为发射机的“中枢神经”，其自动化水平直接决定了整台设备的运行情况。

控制系统的功能主要由继电器和接触器完成。一台DF100A型短波发射机中，总共使用了5个定时继电器、12个控制继电器、27个中间继电器、35个调谐继电器、10个频道锁存与切换继电器、16个交流接触器。如此众多的继电器和接触器，易造成发射机倒换波段、调谐不精确，同时发射机内部连线复杂，易发生故障的隐患点较多，排除故障不易。因此，非常有必要采用全新的技术手段来提升发射机的自动化水平。

2 利用PLC提高短波发射机整体自动化水平

2.1 PLC工作原理

PLC，中文名称为可编程控制器，可以执行逻辑运算、顺序控制、定时计数与算术操作等面向用户的指令，它以微处理器CPU为核心，采用存储器进行内部编程，并通过数字或模拟式输入、输出控制各种机械设备或生产过程。PLC是将计算机技术和传统的继电控制技术相结合的高科技电子化产物，可以有效提升继电控制自动化水平，尤其考虑到操作人员的专业水平不一，PLC程序采用以梯形图为主的简单指令，编程并不需要专业性很强的计算机编程语言。

PLC的工作过程分为三个阶段，分别是输入采样、程序执行、输出刷新，三个阶段为一个扫描周期。PLC在工作时，其CPU以一定的扫描速度循环重复执行上述三个阶段。

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入数据或状态，将它们存储到相应的单元内。在程序执行阶段，PLC以自上而下的顺序依次地扫描所有的用户程序(梯形图)，在扫描每一条程序时，按照先左后右，先上后下的顺序扫描控制线路并进行逻辑运算，然后根据运算结果，对相应存储单元的数据状态进行修改。程序扫描运算结束后，便进入了输出刷新阶段。这时，CPU依据工作程序刷新所有的输出锁存电路，同时启动输出电路，驱动外部设备，实现对短波发射机的控制。

2.2 PLC的工作特点

2.2.1 使用简单，编程方便

PLC改变了短波发射机传统的继电控制模式，以特定的程序来实现控制功能，大幅提升自动化水平。当改变控制程序时可以在线进行修改，无需短波发射机停运或拆动设备硬件。PLC采用简明的梯形图、语句表等编程语言，简单易学，可以缩短系统的开发周期。

2.2.2 功能丰富

PLC内部有着丰富的处理指令系统和存储空间，仅一台小型PLC内部便集成有成百上千个可供用户使用的编程元件和存储区域，能够在同一时间对上千条指令进行运算存储，然后根据不同的程序要求和运算结果完成相应的工作。PLC非常适用于短波发射机，能够很好地满足其多样化的控制要求。另外，PLC还有通讯接口，能够与互联网连接现实对短波发电机的多地控制，集中管理。

2.2.3 运行可靠

在硬件封面，PLC控制省去了大量中间继电器、时间继电器环节，仅剩下与输入输出功能相关的少量硬件设备，接线规模可减少到继电控制的1/10-1/100，降低了因机械触点接触不良或线路问题而造成故障的概率。PLC依靠光耦器和微电子电磁元件进行信号的传递，抗干扰能力强，释放的电磁场强度小，不会对短波发射机的正常工作造成影响。在软件方面，PLC安装有一整套监控程序，面向用户提供一些自动化操作、监控指令，能够实时反映程序执行状态和发射机设备运行状态，减少误操作风险。

2.2.4 经济适用

PLC产品已经标准化、模块化、系列化，配备有品种齐全的各种硬件设备可供用户选择，用PLC的统一单位可以随时在市场上购买相关硬件，拿回来就可以使用，方便了日常维护和系统配置。虽然PLC前期投入大，但是在实际使用中大大降低了短波发射机的控制成本，PLC体积小辅助设备少，耗电量低，维护简单且次数少，具有较高的性价比，还可以带来一些附加价值。

2.3 如何利用PLC实现短波发射机自动化水平的提高

2.3.1 分析短波发射机的发射和控制任务

DF100A型短波发射机常用于广播发射领域，不同的发射任务对发射机运行程序、硬件设备的要求是不同的，因此必须首先明确发射机的发射任务是什么。

其次，需要分析发射机的控制任务。一般来说，发射机控制系统所涉及的任务有发射机电源的开关操作、频率取样操作、功率升降操作、调谐操作等，不同的操作会产生诸如电流、电压、频率等参数的变化，需要对这些参数进行采样统计工作。在数据采样时，需要考虑发射机规模的大小以及操作的复杂程度来选择采样数量，并对取样进行科学统计，将各参数的性质、变化情况、输入地址分析清楚，分析结果汇总在一起，为选择PLC容量和品牌、型号提供参考。

2.3.2 分配输入输出地址

发射机自动化水平表现在工作过程的自动化监控，自动化监控的实现离不开PLC对运行数据的存储、分析、运算。各种类型的数据需要通过输入地址进入到存储单元中，在经过运算处理后，作为执行结果通过输出地址作用于发射机。

从理论上讲，PLC编程只有在输入输出地址分配结束后才能进行，对于PLC与发射机的接线图和装配图而言，也需要以输入输出地址分配为基础。在分配过程中为了保证合理性，一般把类似数据的信号点分配在连续的输入输出地址上，同时注意记录所有输入输出点的地址、代码、名称并存档，方便以后维护升级。

2.3.3 倒换波段和谐波滤波器

当进行倒换波段工作时，PLC会根据当前频率所处的波段确定出频率位置，同时，将计算出的位置转换成与之相对应的电压数值并输送到马达驱动板上，实现对短路棒位置的调整，保证换波工作的顺利完成。

在进行谐波滤波器的倒换时，需要人工输入谐波滤波器的最高限压数值和最低限压数值。PLC会根据当前的工作状态准确计算出所需的频率值，一方面计算值会形成刻度显示，供操作人员查看，另一方面计算值会转换成电压数值并输送至马达驱动板，对谐波滤波器的位置进行精确控制，从而保证滤波器发挥过滤杂波的作用。

2.3.4 发射机调谐与频率切换

短波发射机的工作频率需要随电波传播情况反复更换，利用PLC进行精细化自动调谐简单方便，迅速准确。

自动调谐是指根据发射机当前的工作频率，将各调谐元件调至对应位置的过程。当DF100A型短波发射机进行调谐时，PLC首先需要判断当前频率是否为以前保存过的频率。如果当前的频率以前保存过，就将以前位置的伺服电压的数值进行保存；如果当前的频率以前没有保存过，就需要对这一新频率的伺服电压数值和参数情况进行保存。PLC会启动相应程序，开辟一个新存储单元用于伺服电压数值的存储，同时PLC会自动计算该频率上各频段的参数（例如调谐、电容）情况，计算结果被一同存储起来。PLC通过自动分析计算，可以对DF100A型短波发射机所有工作频率和相关参数进行控制，减轻人为控制的压力。

此外，PLC控制系统可以从上位机处获得发射的载波频率数据信息，经过PLC的分析运算处理，可以将不同频率合成为合成器所需要的载波频率，实现不同频率的快速切换。基于PLC技术的频率切换最突出的特点就是速度快，准确性高，特别适用于电视、广播领域。如果出现了临时代播的情况，可以迅速完成频率切换，将载波频率输出至下位机，保证电视、广播信号不间断传输。

3 利用FPGA实现短波发射机调谐自动化

FPGA对发射机自动化的贡献，主要在于提升了调谐系统的自动化能力。

3.1 FPGA工作原理

FPGA，即现场可编程门阵列，作为专业集成电路领域中的一种半定制电路而出现，在性能上既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。与PLC常用的图像化编程所不同的是，FPGA采用VHDL语言进行编程。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一种概念，包括内部接线、输入输出模块IOB、可配置逻辑模块LCB三部分。FPGA利用小型查找表（RAM）来实现逻辑的组合，每个小型查找表都连接着一个D触发器输入端口，D触发器输出端与其他逻辑电路相连。小型查找表加D触发器组成基本逻辑单元模块，这些模块之间由金属线互连，既可以实现组合逻辑功能又可以实现时序逻辑功能。FPGA工作时，编程数据载入内部静态存储单元，数据的数值决定了逻辑基本单元的功能以及各模块之间的连接方式，最终确定FPGA的逻辑功能。

FPGA其具有集成程度高、稳定性好、运算速度块（可达ns级）、触发器数量丰富等特点，应用广泛。

3.2 基于FPGA的发射机自动化调谐系统

DF100A型短波发射机的调谐方式主要有三种：手动、半自动、自动。

手动调谐方式曾经是DF100A型短波发射机较为常用的方式，但是这种方式具有一定的缺陷性。第一，手动调谐操作相当繁琐，在操作设备的同时需要读取仪表数值并判断发射机的工作状态，容易出错，调谐状态的好坏与人工判断水平和业务素质有着很大的关系。第二，由于发射机自身设计原因，DF100A型短波发射机仅有十个信道，最多只能存储十个频率。如果需要存储新的频率，需要人工进行开频处理，开频处理包括改变载波频率、波段设置、谐波设置等环节，操作复杂，需要多人配合进行。第三，手动调谐高度依赖人力，无法做到“有人留守，无人值班”，与信息化的发展要求不相适应。

半自动调谐是介于手动调谐和自动调谐之间，是一种前者向后者过渡式的调谐方式。

自动调谐是目前短波发射机调谐最为常用同时也是最为方便的调谐方式，相关研究和使用实践已经证明，基于FPGA的自动化调谐具有较高的实用价值。自动调谐的主体由单片机、FPGA、步进电机构成。单片机和FPGA属于运算单元，前者完成上位机通信、元件位置信息采集处理存储功能，后者完成测定发射机工作频率、元件位置逻辑设计以及人机交互功能。步进电机属于执行单元，其角位移量与输入脉冲呈严格的正比关系，具有极佳的开环跟随性能，在工作中不会产生积累误差，定位精度高。自动化调谐系统工作过程为：通过驱动马达带动调谐元件（真空可变电容或电感线圈）发生机械转动，继而改变调谐元件的机械位置。由于调谐元件的机位置发生变化，与其机械相连的追踪电位器中心抽头电压值发生变化，反映元件当前位置信息的改变情况。在存储器中，储存有不同工作频率下多路被调元件的最佳位置信息。当前位置信息与最佳位置信息相互比较，如果差值和极性相同则调谐过程结束，如果不相同，FPGA会控制步进电机的转速和方向，直至两者极性相同，差值为零。

虽然PLC也可以用于调谐系统的自动化，但是其对非线性等函数处理能力有限，可视界面和人机交互功能不强，而且PLC的某些编程资源存在固化现象，无法对用户开放。FPGA可以克服以上缺陷，对调谐过程进行较为精细的控制，大幅提高了短波发射机的自动化水平。

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洪清（1980—），男，海南三亚人，大学本科，工程师，研究方向：电子信息工程。