嵌入式系統在廣播發射機調諧自動化改造中的應用

孫英男 程備戰

摘 要：介紹了以嵌入式主板PCM-9575為核心的廣播發射機自動調諧系統，采用步進電機取代原有的伺服電機，控制部分由FPGA實現，采用PM511P多功能數據采集卡進行模擬量的采集和激勵器的遙控，詳細介紹了系統軟件部分的設計以及實現的功能。

關鍵詞：廣播發機射自動調諧系統 嵌入式 FPGA PM511P

中圖分類號：TM24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0049-02

嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。由于嵌入式系統具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業應用的突出特征，目前已經廣泛的應用于軍事國防、消費電子、網絡通信等行業。

1 廣播發射機自動調諧系統簡介

廣播發射機系統本質上講是一部大功率的射頻信號功率放大器，其自動調諧系統的功能就是控制射頻電路中多路可調元器件如電容、電感等，精準、快速到達預置的位置，從而實現整個射頻功率放大器穩定正常工作。在實際廣播發射機系統中，由于需要控制可調元器件路數多。調諧的頻率高、同步性、精準度以及調整的時間性都要求很高，所以一套性能好、精度高、可靠性、穩定性突出的自動調諧系統對一部廣播發射機的穩定工作尤為重要。而以計算機技術為基礎的嵌入式系統以其可靠性高、性能強、功耗低、成本小很好的應用在廣播發射機的自動調諧系統中。

2 嵌入式主板PCM-9575特性簡介

PCM-9575是臺灣公司生產的一款專用于工業控制的嵌入式主主板，為簡化敘述，以下簡稱嵌入式。

集成嵌入式低功耗微VIA Eden/Ezra處理器支持667/800 MHz主頻；

支持PC/104，PC/104+總線插槽；

支持36位1024x768分辨率TFT LCD，支持VGA、音頻接口；

支持100/10Base_T以太網接口、兼容802.3U；

4串口、USB1.10接口、硬盤、光驅、軟驅、CF卡接口。

3 廣播發射機自動調諧系統改造

廣播發射機自動調諧系統改造的目的就是盡可能提高被調元件到位的精確度，盡可能減小系統的機械回差和電氣回差。為此對舊設備的機械傳動裝置進行以下四點改造。

采用以嵌入式主板PCM-9575為核心硬件，PM511P多功能數據采集卡進行模擬量的采集和激勵器的遙控，由FPGA實現控制。

將原有的支流伺服電機改用步進電機，提高調諧的穩定性與精度。

將原有的渦輪渦桿減速器改為無回差的諧波減速器，以減小機械誤差。

將原有的位置檢測的跟蹤電位器改為光電碼盤，以便于軟件校準。

4 自動調諧系統控制部分的設計

系統控制的執行機構采用FPGA來實現，FPGA是基于SRAM的可編程器件，它以功能很強的CLB為基本邏輯單元，可以實現各種復雜的邏輯功能；在此，我們選用Xilinx公司的較新的一款FPGA芯片，Spartan II家族中的XC2S200PQ208，系統門數為20萬門，208個管腳，PQFP封裝，滿足對本系統的要求。程序的編寫基于VHDL語言和原理圖結合的方法，軟件平臺采用Foundation3.1，通過對FPGA靈活的編程，完成了電機的轉動控制和控制信號的輸出。

FPGA的設計主要包括與嵌入式通信的模塊，實際位置計數模塊，電機控制模塊三個部分的設計。

4.1 通信模塊

通信模塊負責接收嵌入式發送過來的命令，包括電機的實際位置、預置位置和現場所需要的一些控制信號，以及向嵌入發送電機的實際位置，現場的一些狀態等。采用UART通信方式、RS-232通信標準，具有很好的抗干擾能力。

由于傳送的數據內容較為復雜，定義了FPGA與嵌入式的通信協議，在此選用了國際標準的HDLC（高級數據鏈路控制）協議，數據格式如表1。

表1 通信格式

同步字均為7E，控制字定義了八路電機的地址以及電機正反轉、頻率地址等，數據位定義了相應電機的實際位置、預置位置，頻率數據等。除數據位為2個字節以外，其他數據段均定義為1個字節，每一幀數據共6個字節，在FPGA里面用VHDL語言實現此部分的編程。

4.2 實際位置計數模塊（見圖1）

步進電機的位置采用旋轉碼盤進行定位，通常，旋轉碼盤有A、B、Z三相輸出，旋轉波形如圖2所示，A相和B相輸出占空比為50%的方波。碼盤每旋轉一周，A相和B相輸出固定數目的脈沖。當碼盤正向旋轉時，A相比B相超前四分之一個周期；當碼盤反向旋轉時，B相比A相超前四分之一個周期。通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數脈沖，送入實際位置計數器，利用方向信號控制計數器的加減，利用脈沖控制計數，由于FPGA不具備存儲功能，掉電之后實際位置會丟失，需要在下一次上電時將實際位置重新寫入實際位置計數器，所以此計數器也有置數功能。

4.3 步進電機控制模塊

步進電機控制模塊主要包括步進電機升降速曲線控制邏輯、實際位置和預置位置比較邏輯。升降速曲線控制邏輯送出控制電機的脈沖信號，并且控制脈沖的頻率，使電機能夠平穩的升降速；實際位置和預置位置比較邏輯是將嵌入式發送過來的電機預置位置和實際位置進行比較，若預置位置大于實際位置，則送出正轉信號，反之送出反轉信號，并且使步進電機曲線控制邏輯送出控制電機的旋轉脈沖。

對于其他控制信號，如粗/細調信號，調諧完成、降功率等信號，是通過嵌入式發送過來的數據進行譯碼得出；此外，FPGA中也提供了電機限位保護功能。

FPGA輸入輸出的電壓不滿足現場要求，采用光藕電路對輸入輸出進行電壓轉換。

5 模擬量的采集和激勵器的控制

此部分的設計采用PM511P多功能數據采集板進行編程配置。PM511P是一塊PC104總線的多功能數據采集板，適用于工業現場、實驗室、嵌入式設備等多種場合，具有16路A/D轉換通道、4路D/A通道、24路可編程開關量輸入輸出、3路計數通道，也可以根據用戶需要改變條線來選配不同的工作方式。

通過改變PM511P的跳線設置將A/D配置成16路單端輸入，輸入信號范圍配置成-5～+5 V，進行前級鑒相器、末級鑒相器、末級鑒阻器和末級簾柵流的采集。通過對24路可編程開關量輸入輸出的編程控制激勵器輸出的頻率。通過D/A轉換輸出對激勵器的輸出信號的電平進行控制。

6 系統軟件設計

完成了上述硬件平臺的改造和設計，開始系統軟件的編程。

本系統采用嵌入式操作系統Windows XP Embed，其特點是具有良好的Windows界面，運行穩定、體積小，整個系統用一塊CF卡就可以容下，軟件編程平臺采用Visual studio C++.NET編程，實現了圖形界面、工作狀態的控制，數據庫的管理等多種復雜的算法和功能。完成后的系統界面（如圖2）。

6.1 功能實現

系統調諧過程分為粗調、細調、調諧完成、音頻切換四個部分，其中細調分為前級細調和末級細調。

粗調：粗調是將高頻信號封鎖，系統從頻率庫中調出8路電機的預置位置，將8路步進電機轉動到位。

細調：細調是將高頻信號封鎖解除，根據采集到的模擬量對1、3、5路進行細調。

調諧完成：調諧完成是完成了細調之后，向電控發送調諧完成信號，同時將功率切換到半功率狀態，此時無音頻信號送出，在此工作階段，系統通過檢測采集到的末級簾柵流的大小來控制激勵器電平的輸出。

音頻切換：調諧完成后，將音頻允許信號送入保護裝置，此時發射機調整到最佳調諧狀態，將音頻信號加入載波發射出去。

利用軟件上靈活編程的特點，該系統實現了自動調諧、半自動調諧及手動調諧，半功率調諧等多種控制方式。

6.2 數據庫的管理

系統共有3個數據庫，即當前狀態數據庫，頻率庫和頻道庫。

當前狀態數據庫用于記錄當前的電機實際位置，用以下次啟動系統時將電機實際位置發送到FPGA。

頻率庫指的是以5 kHz為一個頻點，根據現場中每個可調元件的參數值對應的電機的位置值建立的數據庫，以文本文件的方式存儲到系統中，其格式如下：

***********************************************************************

*本頻率庫文件創建于11-05-24 19：01：15*

*本文件記錄發射機的頻道參數 *

*每條記錄有12個字段 *

*頻率，1路，2路，3路，4路，5路，6路，7路，8路，前級鑒相器補償， *

*末級鑒相器補償，末級鑒阻器補償 *

***********************************************************************

9395，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9400，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9405，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9410，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9415，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9420，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9425，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9430，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9435，850，1880，630，527，900，1400，0，1585，0，0，0.3

9440，850，1880，630，527，900，1400，0，1565，0，0，0.3

9445，850，1880，630，527，900，1400，0，1565，0，0，0.3

9450，850，1880，630，527，900，1400，0，1565，0，0，0.3

……………………………………………………

……………………………………………………

由于采用碼盤進行電機位置的計錄，可以對全頻段電機位置進行預置，采用嵌入式，系統的存儲量又大大增加，頻率庫的頻點間隔可以做得更細致，此外，在軟件上實現了對數據庫的查詢、更改、刪除等多項管理功能，使得系統具有較強的實用性。

7 結論

此系統以性能好、可靠性、穩定性突出的嵌入式系統PCM9575為廣播發射機自動調諧系統核心，建立界面友好、功能強大、操作便捷的人機交互系統，由FPGA實現控制，通過使用步進電機、諧波減速器、跟蹤定位光電碼盤等底層機械傳動裝置，很好的滿足了廣播發射機調諧的頻率高、同步性、精準度以及調整的時間性都要求很高的技術要求。從而為廣播發射機的穩定工作奠定了堅實基礎。同時PCM9575還提供了方便的外部接口，如網絡接口、外部串口、USB接口等，這些接口使得系統具有很好的擴展性，更好的為發射臺站適應安全播出自動、信息化奠定基礎。

參考文獻

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[4]PCM-9575嵌入式主板用戶使用手冊[Z].

[3]PM511P多功能數據采集板用戶使用手冊[Z].