专利名称：多通道功率放大器的热备份方法及热备份装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道音频功率放大器的备份方法和备份设备，具体来说，涉及一种确保扩声系统能够稳定正常工作的多通道功率放大器的热备份方法及热备份装置。
背景技术：
在剧场固定安装的扩声应用以及各种流动文艺表演扩声应用中，需要使用大量的音频功率放大器，以驱动各式音箱满足演出需求。由于功率放大器经常工作在大功率状态下，功率放大器发热严重，容易出现部分功率放大器损坏，如果某一功率放大器出现故障， 则相应的音箱将停止工作，而在扩声应用中，往往一个音箱对应覆盖一个扩声区域，任何一个音箱不工作，都将导致其中一块扩声区域不能正常扩声，严重影响演出效果。为了确保扩声系统能够稳定正常工作，扩声链路中的音源、控制台及处理器等设备大部分均提供备份功能，不少设备还支持自动热备份。但是，目前在专业演出的扩声应用中，功率放大器是出现故障率较高的设备，但备份还停留在手工备份，即需要预留备份功率放大器，当某台功率放大器出现故障时，需要操作人员手动切换。采用这种方式，一来切换工作繁琐，需要连接大量线路，而且操作时间较长，对演出也会造成实质性的影响。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种具有故障自动检测和故障自动备份的多通道功率放大器的热备份方法及热备份装置，当多通道功率放大器中的任何一个功率放大器出现故障时，系统将自动把备份通道中的功率放大器替换出现故障的工作通道中的功率放大器，以确保扩声链路无故障工作。多通道功率放大器的热备份方法，它包括
1)初始化将具有η个独立功率放大器的通道的第1、个通道定义为工作通道，将其第πΓη个通道定义为备份通道，其中，η为大于1的自然数，m为小于η的自然数；
2)在每个工作通道和备份通道内的输入端分别增加一个测试信号，然后实时检测每一个工作通道上的功率放大器输出信号；
3)判断每个工作通道上的功率放大器是否正常工作，如果每一个通道的功率放大器工作正常，直接执行步骤6)，否则，执行步骤4)；
4)断开有故障的工作通道；
5)将备份通道分别对应的替换有故障的工作通道；
6)通过对应通道上的扬声器进行音频输出， 所述步骤2)包括
21)分别在每一个工作通道上的数字信号处理器内增加一个测试信号；
22)分别对每一工作通道内的经过音频信号处理器处理后的音频输入信号和测试信号进行混音处理；
23)分别对每一工作通道内混音处理后的混合信号进行功率放大；24)分别对每一工作通道内的功率放大后的混音信号进行采样处理，获取测试信号， 所述步骤3)的判断标准为对步骤24)采样获取测试信号的进行连续计数，如果能够连续获取测试信号，则判断该工作通道里的功率放大器正常工作；否则，判断该工作通道里的功率放大器没有正常工作。所述测试信号为超出正常听觉上限，不为人耳所感知的信号。每一所述工作通道内增加的测试信号可以不同，也可以相同，这里所述测试信号最佳为统一的20kHz的正弦波信号。所述步骤3)包括31)分别对每一工作通道内的混合信号进行隔离耦合处理，分离出正弦波信号；32)对分离出的正弦波信号进行缓冲放大；33)对缓冲放大的正弦波信号进行整形，形成方波信号；34)分别对每一工作通道内的方波信号进行持续计数，如果设定时间内仍然未能检测到下一个方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器没有信号输出，即不能正常工作；如果设定时间内能够持续检测到方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器有信号输出，即正常工作。所述步骤5)包括51)通过信号路由器将备份通道上的数字信号处理器替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器；52)通过备份通道上的数字信号处理器的音频信号处理器进行处理，将处理后的音频信号与该备份通道的测试信号进行混音；53)通过备份通道的功率放大器对混音信号进行功率放大处理。多通道功率放大器热备份的装置包括用于形成η个独立功率放大器通道的信号路由器、η通道的数字信号处理器、η通道的功率放大器和η个扬声器，其特征在于，其中第 Γπι个功率放大器通道为工作通道，第πΓη个功率放大器通道为备份通道，它还包括将备份通道替换出现故障的工作通道的热备份单元。所述热备份单元包括用于在数字信号处理器的第1、通道内产生测试信号的信号发生器；用于分别对数字信号处理器的第1、通道的每一通道内的音频信号和测试信号进行混音处理的混音器；用于分别持续采样功率放大器的第1、通道的输出信号中的测试信号的信号检测单元；用于将备份通道对应的替换出现故障的工作通道的开关切换单元； 用于根据信号检测单元采用的测试信号判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备份通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的信号处理与控制单元。所述测试信号为超出正常听觉上限，不为人耳所感知的信号。所述信号发生器产生的测试信号可以不同，也可以相同，这里的信号发生器最佳为20kHz的正弦波信号发生器。所述信号检测单元包括用于对混音信号进行隔离处理，以形成出正弦波信号的隔离耦合单元；用于对隔离出的正弦波信号进行信号放大的缓冲放大单元；用于对放大后的正弦波信号进行整形处理，以形成方波信号的整形单元。所述信号处理与控制单元包括分别对每一信号检测单元采样检测的采样信号进行持续统计的计数器；根据计数器统计的结果判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备份通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的微处理器单元。本发明的有益效果本发明通过将形成有多个独立通道的功率放大器分为工作通道和备份通道，在每个工作通道的输入端增加一个测试信号，然后通过信号检测单元分别对每个工作通道上的功率放大器的输出端进行实时监控采样，如果各工作通道上的信号检测单元能够持续检测到采样信号(测试信号)，则证明该工作通道上的功率放大器正常工作，如果其中一个或者几个工作通道上的信号检测单元不能持续检测到采样信号，则说明该工作通道上的功率放大器不能正常工作，则可以通过信号处理与控制单元和开关切换单元将备份通道上的功率放大器对应替换出现故障的工作通道上的功率放大器，以保证原来的每一个工作通道上的扬声器仍然能够正常工作；而本发明的测试信号采用20kHz的正弦波，不会为人耳所感知，不会影响影响整体声音的效果，也便于准确的采样和处理，准确率极高。
图1为本发明的多通道功率放大器的热备份方法的工作流程图； 图2为本发明的故障检测实施原理图3为本发明的热备份实施原理图4为本发明的多通道功率放大器的热备份装置的结构原理图； 图5为本发明的信号路由器的实现原理图； 图6为本发明的数字信号处理器的实现原理图； 图7为本发明的开关切换单元的实现原理图； 图8为本发明的信号检测单元的隔离耦合单元的电路原理图； 图9为本发明的缓冲放大单元和方波整形单元的电路原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步阐述。如图1所示，本发明的多通道功率放大器的热备份方法，它包括
1)初始化将具有η个独立功率放大器的通道的第1、个通道定义为工作通道，将其第πΓη个通道定义为备份通道，其中，η为大于1的自然数，m为小于η的自然数。2)在每个工作通道和备份通道内的输入端分别增加一个测试信号，然后实时检测每一个工作通道上的功率放大器输出信号，其具体过程为21)分别在每一个工作通道上的数字信号处理器内增加一个测试信号；22)分别对每一工作通道内的经过音频信号处理器处理后的音频输入信号和测试信号进行混音处理；23)分别对每一工作通道内混音处理后的混合信号进行功率放大；24)分别对每一工作通道内的功率放大后的混音信号进行采样处理，获取测试信号。3)判断每个工作通道上的功率放大器是否正常工作，其判断标准为对步骤采样获取测试信号的进行连续计数，如果能够连续获取测试信号，则判断该工作通道里的功率放大器正常工作；否则，判断该工作通道里的功率放大器没有正常工作。如果每一个通道的功率放大器工作正常，直接执行步骤6)，否则，执行步骤4)。其具体过程为31)分别对每一工作通道内的混合信号进行隔离耦合处理，分离出正弦波信号；32)对分离出的正弦波信号进行缓冲放大；33)对缓冲放大的正弦波信号进行整形，形成方波信号；34)分别对每一工作通道内的方波信号进行持续计数，如果设定时间内仍然未能检测到下一个方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器没有信号输出，即不能正常工作；如果设定时间内能够持续检测到方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器有信号输出，即正常工作。4)断开有故障的工作通道。5)将备份通道分别对应的替换有故障的工作通道，其具体的实施过程为51)通过信号路由器将备份通道上的数字信号处理器替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器；52)通过备份通道上的数字信号处理器的音频信号处理器进行处理，将处理后的音频信号与该备份通道的测试信号进行混音；53)通过备份通道的功率放大器对混音信号进行功率放大处理。6)通过对应通道上的扬声器进行音频输出。如图4所示，本发明的多通道功率放大器的热备份装置，它包括用于形成η个独立功率放大器通道的信号路由器、η通道的数字信号处理器、η通道的功率放大器和η个扬声器，其中第1、个功率放大器通道为工作通道，第πΓη个功率放大器通道为备份通道，它还包括将备份通道替换出现故障的工作通道的热备份单元。所述热备份单元包括用于在数字信号处理器的第1、通道内产生测试信号的信号发生器；用于分别对数字信号处理器的第1、通道的每一通道内的音频信号和测试信号进行混音处理的混音器；用于分别持续采样功率放大器的第1、通道的输出信号中的测试信号的信号检测单元；用于将备份通道对应的替换出现故障的工作通道的开关切换单元； 用于根据信号检测单元采用的测试信号判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备用通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的信号处理与控制单元。其中，上述的测试信号为超出正常听觉上限，不为人耳所感知的信号，每一所述工作通道内增加的测试信号可以不同，也可以相同，本发明的测试信号优先考虑为统一的 20kHz的正弦波信号。所述信号检测单元包括用于对混音信号进行隔离处理，以形成出正弦波信号的隔离耦合单元；用于对隔离出的正弦波信号进行信号放大的缓冲放大单元；用于对放大后的正弦波信号进行整形处理，以形成方波信号的整形单元。所述信号处理与控制单元包括分别对每一信号检测单元采样检测的采样信号进行持续统计的计数器；根据计数器统计的结果判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备用通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的微处理器单元。本发明的故障检测实施原理图2所示，每个通道上的数字信号处理器中除常规的音频信号处理器外，增加一个20kHz的正弦波信号发生器和一个2 X 1混音器，20kHz的正弦波信号作为功率放大器工作状态的测试信号，该信号超出了正常人的听觉上限，不会被人耳所感知。该信号和音频输入信号混音后共同输出给功率放大器，信号经功率放大器放大后输出，同时馈给信号检测单元，信号检测单元由隔离耦合单元、缓冲放大单元和方波整形单元组成，通过信号检测单元检测采样测试信号，并转化为20kHz的方波信号输出，方波信号输出给信号处理与控制单元的计数器，供检测功率放大器工作状态。故障检测的工作原理如下信号处理与控制单元的计数器对计数器进行连续计数，判断是否持续输入20KHz 的方波信号，如在三个周期内(每个周期0. 05毫秒)，均未能检测到方波信号，则判断该功率放大器没有信号输出，从而判断出该功率放大器出现故障，计数器采用微处理器软件计数的方式工作，对故障的判断响应时间极短，如以三个检测信号周期为判断依据，响应时间仅 0. 15毫秒，对扩声系统而言，该时间非常短，人耳难以察觉。信号检测单元中的隔离耦合单元的电路原理如图8所示，它有电阻R13、电容C43 和变压器Tl组成，该电路采用隔离变压器Tl进行隔离耦合。信号检测单元中的缓冲放大单元和方波整形单元的电路原理如图9所示，各元件的功能如下U20A及其外围元件构成10倍放大器，对检测信号(测试信号)放大，U20B及外围元件构成比较器，将正弦波的测试信号转换为方波信号，输出给微处理器进行计数。多通道功率放大器的热备份原理如图3所示，该示例有η台功率放大器，其中功率放大器1、为工作通道，功率放大器η为备份通道，当系统进入正常工作状态时，音频输入信号1经信号路由器输出给数字信号处理电路1，经处理后输出给功率放大器1，此时开关 1吸合(开关η+1打开)，放大后的信号输出给功率放大输出1端口(扬声器1)。当功率放大器1出现故障时，信号处理与控制单元将音频输入信号1经信号路由器输出给数字信号处理电路η，经处理后输出给功率放大器η，此时开关1打开，开关η+1吸合，这样，放大后的信号还是输出给功率放大输出1端口(扬声器1)，该工作原理同时适用于多个备份通道对多个工作通道进行备份。下面仅以8通道的功率放大器为例作说明，且其中第广7个通道为工作通道，第8 通道为备份通道
如图5、图6和图7所示，本发明的多通道功率放大器的热备份装置的信号路由器，本示例具有8路输入和8路输出，8路输入信号和8路输出信号可以任意路由配置，它由8通道的缓冲放大电路和8*16切换矩阵组成，8通道缓冲放大电路负责对输入信号进行缓冲放大，放大后的信号输出给切换矩阵，切换矩阵为8*16模拟开关矩阵，8路输出给多通道信号处理器，8通道输出给信号检测电路。本示例为8通道数字信号处理器，信号处理和控制单元可以根据功率放大器的工作状态实时配置各个数字信号处理器的参数，它由8通道的数字信号处理电路、8通道缓冲放大电路、正弦波信号发生器和混音器组成，8通道数字信号处理电路负责对输入的音频信号进行均衡、延时和压缩限幅等处理，正弦波信号发生器用于产生作为功率放大器工作状态的检测信号的20kHz的正弦波信号，混音器将20kHz的正弦波信号和音频信号混合输出，缓冲放大电路负责对音频信号进行缓冲放大输出。本示例为8通道功率放大器，信号处理和控制单元可以根据功率放大器的工作状态配置各个开关的开关状态。信号检测单元负责检测各输出功率放大器的工作状态。信号处理和控制单元负责整个装置的故障检测和故障功率备份等各种功能，采用32位MCU单片计算机及EEPROM 储存器组成，MCU实时监测各个功率放大器的工作状态，当发现任何一台功率放大器通道出现故障时，将即时进行备份切换，并发出故障指示。开关切换单元具有15个开关，由信号处理和控制单元根据需要实时控制每个开关的吸合状态。工作原理如下当系统上电后，信号处理和控制单元先检测开关切换单元的8个输出端是否处于正常工作状态(即无开路及无短路)，确认正常后，吸合开关1 开关8，此时，功率放大器1 7进入工作状态，功率放大器8处于备份状态，此时，8路功率放大器的输出分别连接在开关切换单元的8个输入端。在系统进入工作状态后，信号处理和控制单元实时检测输入信号状态和功放输出信号状态，如检测到第1通道的功率放大器出现故障，信号处理和控制单元将即时发送控制信号给信号路由器、数字信号处理器及开关切换电路。首先将信号路由器的输入信号1路由到信号输出8，同时将第1通道的数字信号处理器所有参数复制到第8通道的数字信号处理器，处理完后控制开关切换电路的开关1及开关8为断开状态，开关9为吸合状态，此时，第8通道的功率放大器切换为工作状态。至此，完成对故障功率放大器1的备份切换，所有的一系列动作均由系统自动快速完成，切换时间短，功放外部无需变更任何连接线路，满足各种扩声需求。 以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
权利要求
1.一种多通道功率放大器的热备份方法，它包括1)初始化将具有η个独立功率放大器的通道的第1、个通道定义为工作通道，将其第πΓη个通道定义为备份通道，其中，η为大于1的自然数，m为小于η的自然数；2)在每个工作通道和备份通道内的输入端分别增加一个测试信号，然后实时检测每一个工作通道上的功率放大器输出信号；3)判断每个工作通道上的功率放大器是否正常工作，如果每一个通道的功率放大器工作正常，直接执行步骤6)，否则，执行步骤4)；4)断开有故障的工作通道；5)将备份通道分别对应的替换有故障的工作通道；6)通过对应通道上的扬声器进行音频输出，其特征在于，所述步骤2)包括21)分别在每一个工作通道上的数字信号处理器内增加一个测试信号；22)分别对每一工作通道内的经过音频信号处理器处理后的音频输入信号和测试信号进行混音处理；23)分别对每一工作通道内混音处理后的混合信号进行功率放大；24)分别对每一工作通道内的功率放大后的混音信号进行采样处理，获取测试信号，所述步骤3)的判断标准为对步骤24)采样获取测试信号的进行连续计数，如果能够连续获取测试信号，则判断该工作通道里的功率放大器正常工作；否则，判断该工作通道里的功率放大器没有正常工作。
2.根据权利要求要求1所述的多通道功率放大器的热备份方法，其特征在于，所述测试信号为超出正常听觉上限，不为人耳所感知的信号。
3.根据权利要求要求2所述的多通道功率放大器的热备份方法，其特征在于，每一所述工作通道内增加的测试信号可以不同，也可以相同，这里所述测试信号最佳为统一的 20kHz的正弦波信号。
4.根据权利要求要求3所述的多通道功率放大器的热备份方法，其特征在于，所述步骤3)包括31)分别对每一工作通道内的混合信号进行隔离耦合处理，分离出正弦波信号；32)对分离出的正弦波信号进行缓冲放大；33)对缓冲放大的正弦波信号进行整形，形成方波信号；34)分别对每一工作通道内的方波信号进行持续计数，如果设定时间内仍然未能检测到下一个方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器没有信号输出，即不能正常工作；如果设定时间内能够持续检测到方波信号，则判断该工作通道内的功率放大器有信号输出， 即正常工作。
5.根据权利要求要求3所述的多通道功率放大器的热备份方法，其特征在于，所述步骤5)包括51)通过信号路由器将备份通道上的数字信号处理器替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器；52)通过备份通道上的数字信号处理器的音频信号处理器进行处理，将处理后的音频信号与该备份通道的测试信号进行混音；53)通过备份通道的功率放大器对混音信号进行功率放大处理。
6.一种多通道功率放大器热备份的装置，它包括用于形成η个独立功率放大器通道的信号路由器、η通道的数字信号处理器、η通道的功率放大器和η个扬声器，其特征在于，其中第1、个功率放大器通道为工作通道，第πΓη个功率放大器通道为备份通道，它还包括将备份通道替换出现故障的工作通道的热备份单元。
7.根据权利要求6所述的多通道功率放大器热备份装置，其特征在于，所述热备份单元包括用于在数字信号处理器的第1、通道内产生测试信号的信号发生器；用于分别对数字信号处理器的第1、通道的每一通道内的音频信号和测试信号进行混音处理的混音器；用于分别持续采样功率放大器的第1、通道的输出信号中的测试信号的信号检测单元；用于将备份通道对应的替换出现故障的工作通道的开关切换单元；用于根据信号检测单元采用的测试信号判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备用通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的信号处理与控制单元。
8.根据权利要求7所述的多通道功率放大器热备份装置，其特征在于，所述测试信号为超出正常听觉上限，不为人耳所感知的信号。
9.根据权利要求8所述的多通道功率放大器热备份装置，其特征在于，所述信号发生器产生的测试信号可以不同，也可以相同，这里的信号发生器最佳为20kHz的正弦波信号发生器。
10.根据权利要求9所述的多通道功率放大器热备份装置，其特征在于，所述信号检测单元包括用于对混音信号进行隔离处理，以形成出正弦波信号的隔离耦合单元；用于对隔离出的正弦波信号进行信号放大的缓冲放大单元；用于对放大后的正弦波信号进行整形处理，以形成方波信号的整形单元；所述信号处理与控制单元包括分别对每一信号检测单元采样检测的采样信号进行持续统计的计数器；根据计数器统计的结果判断出现故障的工作通道，以及控制信号路由器将备用通道上的数字信号处理器的通道之一替换为出现故障的工作通道上的数字信号处理器的通道的微处理器单元。
全文摘要
本发明公开了一种具有故障自动检测和故障自动备份的多通道功率放大器的热备份方法及热备份装置，它将形成有多个独立通道的功率放大器分为工作通道和备份通道，在每个工作通道的输入端增加一个测试信号，通过信号检测单元分别对每个工作通道上的功率放大器的输出端实时监控采样，如果各工作通道上的信号检测单元能够持续检测到测试信号，则证明该工作通道上的功率放大器正常工作，如果其中一个工作通道上的信号检测单元不能持续检测到采样信号，则说明该工作通道上的功率放大器不能正常工作，则通过信号处理与控制单元和开关切换单元将备份通道上的功率放大器对应替换出现故障的工作通道上的功率放大器，保证工作通道上的扬声器仍然能够正常工作。
文档编号H03F3/68GK102231621SQ20111013149
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者李志雄 申请人:广州励丰声光科技有限公司