概述
隨著廣播電視技術日新月異的發(fā)展，計算機技術、信息技術及由這些技術衍生的相關技術已經逐漸成為廣播電視不可分割的部分。工業(yè)控制計算機、服務器、工作站等以電腦技術為核心的設備成為廣播電視系統(tǒng)的重要組成部分。本文是以播出工業(yè)控制計算機為例，簡析該類設備在廣電領域的應用與維護的經驗。
一. 設備的應用環(huán)境
目前，各電視臺的播出系統(tǒng)大都采用硬盤服務器播出方式，視頻文件存儲在視頻服務器中，周邊的協(xié)調設備采用快速計算的服務器，核心控制設備采用工業(yè)控制計算機（簡稱“工控機”，下同）。在現(xiàn)有的硬盤播出系統(tǒng)中，節(jié)目的安全播出是靠工控機向各個相關設備發(fā)出命令，使整個系統(tǒng)協(xié)調運作的。工控機接收由節(jié)目單編輯機編輯好的節(jié)目單，并按照節(jié)目單控制相關設備的播出、切換來保證節(jié)目準確的播出。
工控機所控制的主要設備有：
1.視頻服務器：工控機向視頻服務器發(fā)出播出（PLAY）、準備（CUE）、釋放（RELEASE）以及查詢素材等命令，控制視頻服務器的按時、正確播出；
2.視音頻矩陣：由工控機控制視、音頻矩陣對演播室信號、錄像機信號以及視頻服務器等信號源進行切換；
3.視頻處理器：由工控機控制處理器進行臺標的疊加，同時控制節(jié)目源的聲道選擇；
4.播出錄像機：由工控機向錄像機發(fā)出預卷帶、播放、停止、倒帶等等命令，使錄像機按時播出。
工控機還負責對節(jié)目素材是否備妥進行檢測，對硬盤服務器、矩陣、切換臺、錄像機等設備的鏈接及工作狀態(tài)進行檢測并收集信息，并將工控機自身的工作情況一并發(fā)送到數據采集服務器，便于綜合報警系統(tǒng)對系統(tǒng)的監(jiān)測。
綜合來看，所有這些設備均是以計算機技術為基礎的設備，且設備的數量相當龐大。僅以工控機為例，中央電視臺播出系統(tǒng)作為核心的播出工業(yè)控制計算機（工控機）數量就在127臺。因此，維護好服務器、工控機等計算機設備是保證安全播出的重要部分。
二. 設備故障分析
中央電視臺在用播出系統(tǒng)播出工控機類設備2006年至2008年的故障統(tǒng)計數據如下表：
2008年我部門的工控機硬件故障共20臺次。綜合分析這些故障，2次因為硬盤損壞造成故障，1次因為電源損壞造成設備故障，2次因為風扇損壞造成設備故障，其余15次均為因CPU散熱器脫落而引發(fā)的設備故障。究其原因，支架采用的工程塑料材質強度不高，長期使用后支架卡口材料疲勞，無法承受CPU散熱器固定卡對其產生的應力，使CPU散熱器支架結構性損壞造成散熱器脫落。
分析以上數據，2006年因風扇損壞引發(fā)的故障為零，散熱器脫落引發(fā)的故障為5次，相對于2007及2008年比較少。這是因為硬盤播出系統(tǒng)剛剛建成，工控機還很新，支架的材料疲勞還未達臨界點，但散熱系統(tǒng)的隱患已經初露端倪。2007年風扇故障已達4次，而散熱器脫落成為頻繁出現(xiàn)的故障，達18次之多。散熱器故障造成的故障率達到69.2%，這一年散熱系統(tǒng)故障突出顯現(xiàn)出來。2008年總結了前一年的設備故障，將散熱系統(tǒng)的維護更換安排到日常設備維護中，逐步替換有隱患的散熱設備，使工控機中散熱系統(tǒng)故障呈下降趨勢。
就上面所述的故障情況來看，風扇故障會造成無法為散熱器提供足夠的風量帶走散熱器上的熱量，使設備無法正常運行；散熱器脫落則直接造成CPU過熱，無法運行。現(xiàn)代計算機技術中最重要的CPU所產生的熱量不可小覷。為CPU提供良好、穩(wěn)定的散熱條件是保證設備正常運行的前提條件。下面，我們來詳細分析一下維護CPU的散熱系統(tǒng)有哪些需要注意的地方。
三. 為芯片散熱
CPU(Central Process Unit，中央處理器)作為計算機中的核心芯片，其穩(wěn)定的運行直接關系著節(jié)目的播出安全。計算機運行中，CPU消耗的電能一部分被運算電路消耗，還有很大一部分變成了熱能。熱如果不傳導到空氣當中，將在CPU中累積起來，當達到一定界限—最高溫度容限(根據芯片型號不同，溫度容限也不同，具體參數請參照芯片生產商的白皮書)時，系統(tǒng)運行將進入不穩(wěn)定狀態(tài)，其結果輕則運行緩慢影響程序執(zhí)行，重則使整個系統(tǒng)崩潰。
運行中的CPU熱分布圖
圖1為紅外熱成像攝影機所拍攝的CPU運行中的熱分布圖。如圖中所示，亮色區(qū)域為CPU中溫度較高的區(qū)域，暗色區(qū)域為溫度較低的區(qū)域。圖右側為溫度圖譜標尺。對照標尺中的圖譜我們可以基本了解，CPU運行時溫度最高可能達到80攝氏度左右（圖中高亮度區(qū)域），而溫度在CPU上斑駁的暗色區(qū)域為硅脂涂抹不均勻所致（將在后文詳述）。因此良好的散熱系統(tǒng)成為系統(tǒng)運行穩(wěn)定與否的關鍵因素。
1.了解CPU構造
圖2所示，為我們肉眼所見CPU的全貌，由金屬封蓋，PCB基板，接針（接點）構成。其中金屬封蓋上標明產品的型號、序列號以及產地等信息，制造商封裝時由激光標注。CPU的內核（DIE）通常不到2平方厘米，但功耗卻達到幾十瓦，如果不能及時將熱量傳導出去，熱量一旦在DIE中積聚，將會導致嚴重的后果。金屬封蓋最大的作用就是將我們肉眼無法看到的封蓋內部的DIE產生的溫度傳導到外界，擴大散熱面積，使CPU不致因積熱而高溫燒毀。
圖2 典型CPU的外觀
圖3 CPU的截面構造
如圖3所示，我們可以清楚看到內核與金屬頂蓋緊密接觸。一般金屬頂蓋選用銅作為原料，可以使熱量均勻散布到整個頂蓋。因此只要將頂蓋的熱傳導至空氣中即可為CPU的穩(wěn)定運行提供良好的熱環(huán)境。
2.安裝散熱器及風扇
當工控機出廠時，CPU散熱器已經安裝就位，而本部分介紹的是維護工控機時更換散熱器或者更換CPU時的散熱器安裝。
在安裝散熱器之前在CPU上抹上適量的散熱硅脂。如圖4
安裝散熱器時首先要將散熱器垂直于CPU上方慢慢放下，切忌不要用力。當散熱器底部的金屬與CPU頂蓋接觸完全后，用力將散熱器卡扣與CPU插槽連接在一起。(如圖5)
之后是最關鍵的一步，在確定散熱器扣具另一端的卡扣已經與CPU插槽扣在一起之后，在保持散熱器底部水平與CPU接觸之后，雙手用力慢慢將金屬扣具一端的卡扣按在CPU插槽上。如圖6。至此散熱器安裝成功。之后，將散熱器風扇的接口連接至主板相應的位置上。
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圖4 涂抹適量的散熱硅膠 |
圖5 安裝一側扣具 |
圖6 安裝另一端扣具 |
四. 影響散熱的因素及分析
并不是我們安裝好散熱器后就能完全滿足CPU的散熱要求。影響散熱的幾個比較大的因素有散熱器的用料及制作工藝，散熱風扇的設計以及散熱硅脂的選擇及涂抹方法。下面將逐一介紹。
1.熱傳遞原理
要解決CPU散熱問題，首先讓我們了解一下熱傳遞的基本原理。從微觀來看，區(qū)域內分子受到外界能量沖擊后，由能量高的區(qū)域分子傳遞至能量低的區(qū)域分子。熱傳遞主要有三種方式：
·傳導：物質本身或當物質與物質接觸時，能量從溫度較高的物體傳到溫度較低的物體，這種能量的傳遞就被稱為熱傳導，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量。相對而言，熱傳導方式局限于固體和液體，因為氣體的分子構成并不是很緊密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴散。
[Page]熱傳導的基本公式為：Q=K×A×ΔT/ΔL。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導所產生或傳導的熱量；K為材料的熱傳導系數，熱傳導系數類似比熱，但是又與比熱有一些差別，熱傳導系數與比熱成反比，熱傳導系數越高，其比熱的數值也就越低。公式中A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)、ΔT代表兩端的溫度差；ΔL則是兩端的距離。因此，從公式我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導系數、傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數越高、熱傳遞面積越大，傳輸的距離越短，那么熱傳導的能量就越高，也就越容易帶走熱量。
·對流：對流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。
具體應用到實際來看，熱對流又有兩種不同的情況，即：自然對流和強制對流。自然對流指的是流體運動，成因是溫度差，溫度高的流體密度較低，因此質量輕，相對就會向上運動。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運動，這種熱傳遞是因為流體受熱之后，或者說存在溫度差之后，產生了熱傳遞的動力；強制對流則是流體受外在的強制驅動（如風扇帶動的空氣流動）,驅動力向什么地方，流體就向什么地方運動，因此這種熱對流更有效率和可指向性。
熱對流的公式為：Q=H×A×ΔT。公式中Q依舊代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；H為熱對流系數值，A則代表熱對流的有效接觸面積；ΔT代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。因此熱對流傳遞中，熱量傳遞的數量同熱對流系數、有效接觸面積和溫度差成正比關系；熱對流系數越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，所能帶走的熱量也就越多。
· 輻射：熱輻射是一種可以在沒有任何介質的情況下，不需要接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，也就是說，熱輻射其實就是以波的形式達到熱交換的目的。
既然熱輻射是通過波來進行傳遞的，那么勢必就會有波長、有頻率。不通過介質傳遞就需要物體的熱吸收率來決定傳遞的效率了，這里就存在一個熱輻射系數，其值介于0～1之間，是屬于物體的表面特性，而剛體的熱傳導系數則是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導公式為：Q=E×S×F×Δ(Ta－Tb)。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數。在實際中，當物質為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數比較小，而把金屬表面進行處理后（比如著色）其表面熱輻射系數值就會提升。塑料或非金屬類的熱輻射系數值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數關系。Δ(Ta－Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射系數、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關系。
任何散熱器也都會同時使用以上三種熱傳遞方式，只是側重有所不同。以CPU散熱為例，熱由CPU工作不斷地散發(fā)出來，通過與其核心緊密接觸的散熱片底座以傳導的方式傳遞到散熱片，然后，到達散熱片的熱量，再通過其他方式如風扇吹動將熱量送走。整個散熱過程包括4個環(huán)節(jié)：第一是CPU，是熱源產生者；第二是散熱片，是熱的傳導體；第三是風扇，是增加熱傳導和指向熱傳導的媒介；第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。
一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如CPU產生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱。主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設備體積小。
(未完待續(xù))