基于ARM+FPGA技術的短波發射機調諧系統

劉奎富

【摘要】 本文主要介紹了以ARM11為核心的嵌入式主板6410結合FPGA技術在TBH-522型短波廣播發射機調諧系統中的實現與應用，相較于傳統X86嵌入式自動調諧系統，ARM+FPGA技術應用于在短波發射機調諧系統有較強的優勢。

【關鍵字】 TBH-522型短波發射機 調諧 FPGA ARM 嵌入式

自動調諧系統控制套箱用以控制短波發射機的高頻回路L和C元件在換頻時的機械定位，在自動調諧的方式中，元件的“實際位置”具有總是跟蹤“預置位置”的特點。舊系統主要由FPGA主板、X86嵌入式計算機、PM511P數模轉換板，Windows CE系統軟件及THB應用軟件組成。使用過程中，發現舊系統長時間運轉會偶發異態，隨著技術發展，利用低耗固態ARM技術替代X86技術，在去掉X86嵌入式計算機、PM511P數模轉換板的情況下，簡化了系統結構；用嵌入式Linux-2.6.28.6替代Windows CE，去除了黑箱技術，系統更加穩定。

一、傳統調諧系統存在的問題

TBH-522型短波發射機采用自動調諧系統控制發射機調諧，隨著技術的進步，傳統X86嵌入式自動調諧系統在運轉過程中暴露出如下一些問題：

1.1散熱不便

X86嵌入式計算機體積大，能耗高，風機散熱點需求多。

1.2維護量大

采用PC104總線的PM511P多功能數據采集板的插座信號，引腳多，經常插拔PM511P板易造成器件損害；元器件較多，6U機箱分上下兩層安裝，接線復雜、維護不便；供給電源輸出功率大，電壓等級多，為防止電源損壞造成故障，需定期更換計算機電源。

1.3異態頻發

嵌入式計算機DDR內存條經常出現接觸不良，作為主要存儲介質的CF卡時有損害或傳輸不正常，也會導致故障。

1.4運行緩慢

X86嵌入式計算機操作系統啟動時間約需2分鐘，運行速度慢，且長時間運行會導致軟件運行速度減慢。

新舊自動調諧系統框圖對比如圖1所示。

二、新系統的優點

2.1硬件方面

以ARM11為核心的嵌入式主板6410替代X86嵌入式計算機及5111P模數轉換板，ARM11嵌入式主板外擴的40引腳系統總線直接與大規模可編程芯片FPGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接，大大簡化了硬件電路結構，降低了耗電量，無需風機散熱，運行更穩定；自動調諧小盒的內部安裝關系更為簡明，外觀上看，就是在一塊控制板嵌入一個系統主板。

2.2軟件方面

系統軟件及應用軟件是直接寫入系統板的Flash中，不再寫入CF卡，避免了由于CF卡自身原因引起的故障，減少了故障點；Flash的存儲、運行速度更快，開機時間僅30秒左右；嵌入式Linux內核小，免費公開源代碼，結構小巧，運行穩定，效率高。

三、新自動調諧系統主板電路的特性

3.1嵌入式主板ARM11-6410簡介

嵌入式控制主板ARM11-S3C6410的開發板及其VGA模塊：CPU處理器Samsung S3C6410A，ARM1176JZF-S核，主頻533MHz，最高667MHz。DDR RAM內存256M，Flash存儲256M/1GB NAND Flash掉電非易失閃存。

3.2 FPGA邏輯控制電路簡介

FPGA充當系統的“下位機”作用，控制電機轉動和送出現場的一些控制信號。在FPGA內部編制了用于自動調諧控制的邏輯控制，這些控制邏輯包括了與嵌入式系統交換數據的16位I/O并行數據總線、8路光電碼盤的輸入信號的處理電路、8路電機預置位置與8路電機實際位置的比較控制電路、8路步進電機正/反轉控制電路、工作頻率監測電路、與發射機電控保護及PSM之間的信號處理電路、LED數碼顯示電路等所有與自動調諧控制有關的邏輯電路。

3.3處理能力強、界面友好、硬件電路簡化

用以AM-11為核心的嵌入式主板6410作為控制中心，處理能力強；于此同時，結合Linix操作系統下的QT編程設計，界面友好。采用了嵌入式主板外擴的40引腳系統總線直接與以大規模可編程芯片FPGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接，使得硬件電路大大簡化。自動調諧小盒的內部安裝關系也簡單化了許多，就是一塊大的控制板上，緊緊地嵌入一個系統主板。如圖2所示。

圖2 FPGA板+ARM6410板

3.4 模擬量輸入及4路A/D采集電路

FPGA綜合控制板的A/D轉換電路部分，是采用美國AD公司的AD7864四個通道同步采樣高速12位模數轉換器。D/A部分是采用 MAX520/ MAX521四組/八組，二線串行8位DAC電路

四、新調諧系統的工作狀態介紹

新調諧系統的工作流程主要可分為初始化、預置、細調、調諧完成、播音五個工作狀態，其中細調又分為1路細調、3路細調和5路細調三個狀態。新調諧系統界面如圖3所示。

圖3 新調諧系統界面示意圖

圖3給出了新自動調諧系統界面，包括工具欄、調諧進度狀態欄、調諧操作欄、頻率顯示、電機位置顯示、模擬量顯示以及狀態欄等等，與原系統界面保持基本一致，照顧到了舊有用戶的使用習慣。

4.1初始化狀態

當系統因為斷電關機重新開機時，進入的工作狀態就是初始化狀態。該狀態主要用于恢復上一次斷電關機時的現場數據（即上一次關機時發射機的工作頻率、8路電機的預置位置寄存器和實際位置寄存器中的數據值、天線開關等上一次關機前的所有實時數據，都保留在系統的實時庫中）。

在初始化狀態就是將實時庫中的8路電機的實際位置數據，重新寫入邏輯電路中，恢復這些數據（因為斷電后邏輯電路中的所有數據都將丟失）。

在初始化狀態在整個開機過程中，只在剛剛開機時出現一次。在邏輯設計上，后面的換頻狀態、預置狀態、細調、調諧完成以及播音狀態都會清除初始化狀態，以后再也不會出現這個狀態了。

4.2換頻狀態

換頻狀態是用于開通發射機的工作頻率的狀態，可以由上級通過指令控制也可以人工通過小鍵盤（或軟鍵盤）輸入頻率兩種方式換頻。

輸入頻道號進行換頻：按下操作鍵盤的“頻道”鍵，輸入要換頻的頻道號后，按下“確認”鍵。系統將根據輸入的頻道號，在頻道庫中查詢到對應的工作頻率。從換頻接口電路輸出，控制激勵器按照要求的頻率工作。

輸入頻率進行換頻：按下操作鍵盤的“頻率”鍵，輸入要換頻的工作頻率后，按下“確認”鍵。系統首先查詢該工作頻率在頻道庫中是否已經建立了頻道號，若輸入的頻率在頻道庫中查到了頻道號。系統將根據該頻道號在頻道庫中查詢到對應的工作頻率，從換頻接口電路輸出，控制激勵器按照要求的頻率工作；若輸入的頻率在頻道庫中查不到了頻道號。

系統首先在頻道庫建立一個新的頻道號，并根據該頻率在頻率庫中查詢到所有庫數據，建立對應的頻道庫數據（包括電機的預置位置，激勵電平，模擬量補償等）。其次，將該頻率數據從換頻接口電路輸出，控制激勵器按照要求的頻率工作。

調節激勵器電平操作：按下操作鍵盤的“電平”鍵，利用操作鍵盤上的“+”或“-”按鍵，來控制綜合控制板上的DA輸出大小，送給激勵器去控制激勵器信號的幅度大小。系統的DA輸出1V控制激勵器的信號幅度為0.5V，系統從綜合控制板讀回頻率的測量結果。當測量的頻率等于要求的工作頻率時，即換頻成功該狀態結束。

4.3 預置狀態

系統將根據換頻狀態的頻率從頻道庫中，取出電機對應的預置數據。分別輸出到FPGA的電機對應的預置寄存器中，控制邏輯將自動控制電機轉動運行直到實際位置等于要求的預置位置為止。系統監測到電機的實際位置均到達所要求的預置位置時，預置狀態完成。系統將進入細調狀態，開始1路、3路、5路的細調。

4.4 1、3、5路細調狀態

系統從A/D電路的通道1讀入前級鑒相器的數值，根據采集到的具體數值輸出細調控制命令。當讀入的前級鑒相器數值是正數，說明前級回路是感性失諧。需要控制1路電機正轉以增大1路電容器數值，使回路諧振；當讀入的前級鑒相器數值是負數，說明前級回路是容性失諧。需要控制1路電機反轉以減小1路電容器數值，使回路諧振；當讀入的前級鑒相器數值等于0時，說明前級回路諧振了，就不要再調了。3路細調狀態：系統從A/D電路的通道2讀入末級鑒相器的數值，根據采集到的具體數值輸出細調控制命令。當讀入的末級鑒相器數值是正數，說明末級回路是感性失諧。需要控制3路電機正轉以增大3路電容器數值，使末級回路諧振；當讀入的末級鑒相器數值是負數，說明末級回路是容性失諧。需要控制3路電機反轉以減小3路電容器數值，使末級回路諧振；當讀入的末級鑒相器數值等于0時，說明末級回路諧振了，就不要再調了。 5路細調狀態：系統從A/D電路的通道3讀入末級鑒阻器的數值，根據采集到的具體數值輸出細調控制命令。當讀入的末級鑒阻器數值是正數，說明末級輸出回路是感性失諧。需要控制5路電機正轉以增大5路電容器數值，使末級輸出回路諧振；當讀入的末級鑒阻器數值是負數，說明末級輸出回路是容性失諧。需要控制5路電機反轉以減小5路電容器數值，使末級輸出回路諧振；當讀入的前級鑒相器數值等于0時，說明末級輸出回路諧振了，就不要再調了。

4.5 調諧完成狀態

細調狀態完成后，系統進入調諧完成狀態（實際是進入等待播音的狀態）。這時系統隨時響應人工手動操作，返回到需要的細調狀態或其它狀態。

4.6 播音狀態

調諧完成后，FPGA根據嵌入式發送過來的狀態信號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，將音頻信號加到載波上發射出去。系統進入播音狀態，系統直接給邏輯送音頻命令和送出切斷電機驅動器電源的命令。半自動，手動模式下，為不切換音頻的倒頻，需要按鍵“0”命令送音頻遠程的命令，分為倒頻不切音頻，倒頻切音頻，送音頻。

4.7 新調諧系統的檢修狀態

在界面上的“檢修”狀態點亮，即表示系統進入檢修狀態。檢修時，可以使用系統的軟鍵盤或前面板上的小鍵盤進行操作。當按下“復位”功能鍵時，8路電機都將被復位到“下限位”位置。 當按下“預置”功能鍵時，可以通過1～8數字鍵選擇要預置的路數。再輸入該路要求的預置值，按下“確認”鍵，電機就轉到預置位置。當按下“預置”功能鍵時，可以通過1～8數字鍵選擇要預置的路數。然后也可以按動“+”“-”鍵，進行電機正、反轉微調位置。也可以通過小鍵盤的功能鍵，進行系統對激勵器控制；在更換電容器、電感回路檢修時，重新校正下限位。

五、總結

新的自動調諧系統采用ARM11-6410嵌入式系統和FPGA大規?？删幊涕T陣列電路組合使系統結構簡化，工作更穩定可靠，免維護，具有一定的先進性和推廣性。