基于LabVIEW 的功率检测单元监控系统设计

潘恭培

（广西广播电视技术中心梧州分中心 广西 梧州 543001）

0 引言

目前，广播电视的天馈线系统是整个安全播出的重要环节。 在本单位机房中，调频发射天馈链路的末端都安装有开关板和功率检测单元。 功率检测单元主要用于检测当前双馈天线的运行参数，特别是入反射功率和驻波比。然而，目前尚未对该功率检测单元进行实时监控。 当需要查看天馈线的运行状态等相关参数时，需要值班人员从一楼值班室走到三楼的发射机房进行查看。 这会耗费大量时间，同时也不利于机房的整体监控，可能影响安全播出［1］。 为了实现更高的智能化水平，设计出上位机软件对功率检测单元进行实时监控。 当监测到的数据超过限定值时，该软件能够及时发出报警。 这样，值班人员可以实时掌握当前天馈线系统的运行状态，减轻工作压力，确保机房的安全播出。

1 系统的整体链路设计方案

研究人员在开关板的功率检测单元中，通过协议转换器将RS232 协议转换成TCP／IP 协议。 然后，经过光电转换器A 端和B 端，将电信号转换为光信号。 在一楼值班室，再将光信号转换回电信号，并与监控电脑的上位机软件进行相关数据的通信。 由于需要对数据进行长距离的传输，为了保证数据的稳定性，要使用光电转换器对信号进行转换。 整体链路设计框图如图1 所示。

图1 整体链路设计框图

2 上位机软件的界面设计

本软件的主要功能界面有监控数据界面和参数的配置界面，可以实时显示当前的相关参数以及对功率检测单元进行参数配置。 上位机软件界面如图2 所示。

图2 上位机软件界面

2.1 监控数据界面

该界面主要是显示当前的双馈天线的通道1 和2 的频率范围、入反射的功率值、入反射的耦合度、驻波比的告警门限值和驻波比告警开关以及反射功率的报警门限值设定。

通过以上的数据监测，可以掌握天馈系统的运行状况。 一旦反射功率超过设定的门限值，系统将自动发出报警声，以提醒值班人员。 同时，对应的反射功率背景变成红色，这样显得更加醒目和直观。

2.2 参数的配置界面

该界面主要是针对当前通道1 和2 测量的频率范围、入反射的耦合度和驻波比告警门限的设定。 通过远程参数设置，可以方便灵活地对天馈系统进行操作。

3 各部分功能的实现

3.1 协议转换器的相关配置

功率检测单元提供RS232 的通信接口，速率为19.2 kbps（8 bit，无校验位，1 bit 停止位）。 在主控机未发送信号时，功率检测单元不主动发送数据。 将协议转换器设定相应的IP 地址。 在TCP 模式下，需要设置远程主机的IP和端口号。 在RS232 模式下，需要配置与功率检测单元一致的串口通信参数。 将监控电脑的IP 设置为与远程主机相同的IP，子网掩码为255.255.255.0，网关可不设，这样监控电脑的上位机软件就可以与功率检测单元进行正常的通信。

3.2 光电转换器的功能介绍

光电转换器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。 在远距离传输信号时，通常采用光纤作为传输介质。 光纤具有较大的传输带宽和良好的稳定性，使其成为长距离信息传输的理想选择。 然而，电脑、电话或传真等设备产生的是电信号，无法直接在光纤中传播。 因此，需要使用光电转换器将这些电信号转换成可以在光纤里传播的光信号。 同样地，接收端也需要一个光电转换器将接收到的光信号再转换回电信号。 一般光电转换器是成对进行使用的［2］。

由于本监控系统的实现需要进行远距离数据的传输，因此运用了一对光电转换器。 将串口协议转换器输出的IP 信号接入到光电转换器的A 端网口上，并将光纤的一端连接到光电转换器的TX（发送）口。 在光电转换器的B端上，将光纤的另一端连接到RX（接收）口。 接下来，将网络一端连接到光电转换器的B 端网口，另一端连接监控电脑的网口，才能进行数据的传输［3］。

3.3 功率检测单元参数的显示

3.3.1 数据的查询命令帧

由于对功率检测单元读取参数时，要发送相应的命令帧。 根据其提供的数据读取命令帧格式，具体格式如下：

帧头：1 个字节，0xFA， 表示命令帧。

地址：1 个字节，功率检测单元的编号0～255。

控制字：1 个字节，数据位索引。

校验码：2 个字节，CRC16 校验，g（x）＝x16＋x12＋x5＋1，校验的字节包括帧头。

在程序中，读取的命令帧为：FA 01 FF 09 52。 帧命令是以十六进制显示的，在发送命令时，也要以十六进制进行发送。 功率检测单元在接收到命令帧后，将所检测的参数以相应的格式进行回复。

3.3.2 功率检测单元的回复

在接收到十六进制的查询命令帧后，功率检测单元也将以十六进制的数据进行答复，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。 这条数据中共有66 个字节，第1 个字节是帧头；第2 个字节是被设置功率检测单元的编号；第3 个字节是控制字；第4 个字节是数据的长度；第5 个字节是设置功率检测单元编号；第6 个字节是远程设置开关；第7～10 个字节是通道1 的工作频率范围；11 ～12 字节是通道1 的驻波比告警门限；13～14 字节是通道1 的入射耦合度；15～16 字节是通道1 的反射耦合度；17 ～20 字节是通道1 的入射功率；21～22 字节是通道1 的反射功率；23 字节bit ＝0 通道1 无驻波报警；通道2 的相应参数是从第26个字节到44 个字节，顺序和通道1 相同。 后面的FF 是保留字节，最后两个字节是前面的所有字节进行CRC16 校验后所得的校验码。

3.4 功率检测单元的远程设置

3.4.1 数据的配置命令帧

设置功率检测单元的参数时，要发送相应的数据帧。根据其提供的主控机发送数据帧格式，具体格式如下：

帧头：1 个字节，0x7D， 表示的是数据帧。

地址：1 个字节，功率检测单元的编号0～255。

控制字：1 个字节，数据位索引。

数据长度：1 个字节，表示后面数据的长度。

数据：N 个字节，根据控制字的不同而不同。

校验码：2 个字节，CRC16 校验，g（x）＝x16＋x12＋x5＋1，校验的字节包括帧头。

3.4.2 配置命令帧解析

在程序中，如配置数据的帧为：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，数据帧同样也是以十六进制进行发送的。 在配置的数据帧中也同样有66 个字节，第1 个字节是帧头；第2 个字节是被设置功率检测单元的编号；第3 个字节是控制字；第4 个字节是数据的长度；第5 个字节是设置功率检测单元编号；第6 个字节是远程设置开关；第7 ～10 个字节是通道1 的工作频率范围；第11 和12 个字节是通道1 的驻波比门限；第13 和14 个字节是通道1 的入射耦合度设置；第15 和16 个字节是通道1 的反射耦合度设置；第17～20 个字节是通道2 的工作频率范围；第21 和22 个字节是通道2 的驻波比门限；第23 和24 个字节是通道2的入射耦合度设置；第25 和26 个字节是通道2 的反射耦合度设置；后面的FF 是保留字节，最后两个字节是前面的所有字节进行CRC16 校验后所得的校验码。

功率检测单元在接收到配置的数据帧后，按节点的功能对其进行配置。 在配置成功后，将返回FA 01 7F 98 DA的十六进制应答帧。 主控机可通过返回来的数据判断配置是否成功。

4 上位机软件程序设计

4.1 TCP 协议的配置

TCP 是互联网的一个重要的传输层协议。 TCP 提供面向连接的可靠、有序的字节流传输服务。 应用程序在使用TCP 之前，必须先建立TCP 连接；TCP 通过校验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制实现可靠性传输［4］。 在实验虚拟仪器工程平台（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）软件中，使用TCP 协议控件搭建与设备的连接，进行数据的访问等操作。 TCP 控件的配置程序框图如图3 所示。

图3 TCP 控件的配置程序框图

在程序中放置打开TCP 连接控件后，配置其目标的IP 和端口号。 此IP 和端口号是协议转换器的IP 地址和端口号，再经过适当的延时时间，才能够稳定地与设备进行连接。

4.2 数据读取程序

在功率检测单元－监控界面下，利用TCP 控件的读取功能，对设备进行数据的读取。 在设备与上位机通信正常后，在循环的程序中，配置好数据读取的命令帧和要读取的字节数。 再通过截取相应的字节数进行数值转换，可以将十六进制字符串转换成十进制数。 经过计算或组合等操作，可以将所需的工作频率、入射和反射功率、入射和反射耦合值、驻波报警开关以及驻波报警门限显示在数据显示控件中［5］。 通道1 数据的读取程序框图如图4 所示。

图4 通道1 数据的读取程序框图

得到通道1 的数据后，对于通道2 也进行同样的程序框图操作，但需要改变对字节截取地址的位数，以便得到通道2 所需要的数据。

4.3 数据配置程序

在机房的天馈线系统的实际应用当中，只对功率检测单元的通道1 和2 的工作频率范围、驻波比告警门限和入反射的耦合度进行设置即可。 要发送一条完整的配置数据帧，需要按格式的要求进行操作。 配置数据的程序框图如图5 所示。

在配置数据时，首先要读取相应的参数数值并显示出来。 然后，对这些参数进行更改，并在确定后向功率检测单元发送数据帧命令。 主要的操作包括将数据从十进制转换成十六进制，字符串的组合以及CRC 校验等。 得到的配置命令数据帧可以通过通道TCP 控件写入的功能进行数据配置。

4.4 报警功能程序

在功率检测单元中，天馈线系统中出现故障时，主要是体现在驻波比和反射功率数值过大。 本设计针对反射功率超过设定数值的情况，会触发报警声音并使反射功率值背景颜色由灰色变成红色，以起到提醒的作用。 程序框图如图5 所示。

5 结语

本软件系统具有良好的稳定性，图形界面形象直观。在机房的应用上，能很好地对调频的天馈线系统进行实时的监控，让值班人员在值班室就可以实时掌握当前调频天馈线的运行情况，大大地减轻了值班人员的压力。 通过对反射功率的设定，在检测到天馈线反射功率异常时，发出报警声音，可以起到预告警的作用，以提醒值班人员做好相应的应急预案。 解决了当前广播电视无线发射对天馈线系统的监测存在的薄弱问题，为机房的安全播出工作提供了可靠的保障。