便攜式調頻廣播值機監聽報警器設計與實現

文/林演員

隨著自動化技術的發展應用和人力成本的增加，傳統廣播值機模式已經不能適應現代社會的發展步伐。本項目主要針對我臺調頻廣播值機值班工作提出來的，機房很小且在一個小山上，值機員無法在機房24小時值班。為提高安全播出水平，我們進行了電源、發射機、節目信號等設備的主備自動切換改造，實現了“有人留守、無人值機”模式，節省了人力成本。為保證留守人員在從事其他工作的同時能夠及時監測廣播播出情況，我們研發出了便攜式調頻廣播值機監聽報警器。此報警器體積小，如同攜帶一部手機一樣，非常輕便，實現開關機、停播、無音頻等各種故障狀態下發出警報聲和指示燈，留守人員可以隨時隨地監測播出情況，且不用一直監聽節目，只有出現問題才會發生警報，徹底解決了值機員長期聽節目容易產生疲憊厭煩的狀況，大大縮短了發現處理故障問題的時間，提高了留守值機的效率和安全播出水平。

1.報警器的功能設計

根據工作實際，我們對報警器的功能進行設計，主要實現6大功能：報警功能，對發射機運行狀態檢測，實現故障報警，這是核心功能；設置功能，對監聽頻率、時間、報警閾值等進行設置，實現通用性；監聽功能，對節目狀態進行監聽；故障指示，采用不同顏色對不同類型故障進行顯示；顯示功能，采用液晶屏對報警器各種狀態進行顯示；充電功能，采用鋰電池供電。

1.1 發射機運行狀態檢測

我臺正式播音時間為6:30-24:00，發射機經自動化改造后實現早上6:20自動開機，凌晨0:10自動關機。根據節目播出時間，我們把一天24小時發射機的運行狀態分為關機、開機未播音、開機播音三個狀態，如圖1所示四個階段。

圖1 發射機運行狀態圖

一是開關機的檢測。實現對發射機開、關機狀態的檢測報警，包括早上是否提前自動開機、節目開播后有無非正常關機、晚上播音結束后是否正常關機。以我臺播出時間為例：6:20—0:10，發射機處于開機狀態，如果6:20以后發射機未開機或者中間出現停電、機器故障等導致關機，報警器應該發出未開機報警。0:10-6:20發射機處于關機狀態，如果此時間段發射機自動開機，報警器應當發出報警。

二是節目播出狀態檢測。在平時播出過程中，發射機正常開機，節目播出常出現的故障現象主要包括節目中斷、無音頻輸出或聲音過小等。因此，報警器要實現對這些故障的檢測報警。例如：6:30-24:00節目應該正常播出，在這段時間里，如果出現靜音狀態，報警器應該發出警報，提醒無音頻播出。

1.2 報警類型指示

為了使值機員便于觀察故障類型，對不同的報警類型采用指示燈分類，當報警聲音出現后，相應故障的指示燈也會閃爍，當留守人員發現報警后可以關掉聲音，指示燈保持閃爍，可以通過指示燈知道故障類型。

1.3 節目監聽功能

為進一步確定節目播出質量，報警器具備收聽電臺節目的功能，能調節音量大小。

1.4 顯示功能

采用液晶顯示器對信號大小、電池電量、時鐘、頻率、報警器開關等狀態進行顯示。

1.5 設置功能

為實現通用性，應具備廣播頻率設置、播出時間設置、信號閥值設置、聲音閥值設置、開關報警聲音設置等功能。

1.6 充電功能

為便于攜帶，報警器的體積要小巧，而且電源供應要方便，續航時間要長，且具備充電功能，隨時隨地可以進行充電。

2.報警器關鍵技術原理

在報警器需要實現的功能當中，發射機運行狀態檢測是關鍵技術，在一些現代化程度比較高的機房采用PLC對發射機的參數進行采樣，通過電腦實時檢測報警，但這只是固定在機房，人無法離開。比較先進的是依靠網絡將采樣后的參數傳輸到PDA設備中，也可實現相應功能，但設備較昂貴，傳輸受網速和設備影響，實用性不高。為實現我們需要的功能，我們根據多年的故障處理經驗對相關技術進行研究，提出一種新的解決辦法，從接收端實時監控節目播出情況。首先獲取不同播出狀態下的音頻波型圖，然后提取相應的特征，根據特征進行檢測，實現報警功能。

2.1 特征量分析提取

為實現報警器檢測功能，我們使用收音機接收同一個調頻頻率后通過示波器獲取在關機狀態、開機未播音狀態和開機播音狀態下產生的聲音波型圖，研究其波型特點，找出每一種狀態下的波型規律，提取獨有的特征量。

圖2-圖4是10ms期間的三種狀態下的波型圖，從圖中我們可以很清晰地判斷發射機在各種狀態下波型規律有明顯的差別，可以提取出相應特征量。通過收音機接收模塊，將調頻廣播信號進行解調后得到語音信號，作合適的濾波后送至Microchip高性能單片機PIC16F917進行處理，經過AD采樣之后提取出離散數值，通過計算各個離散值的公差判斷當前的工作狀態。

圖2 關機狀態下波型圖

圖3 開機未播音狀態下波型圖

圖4 開機播音狀態下波型圖

2.2 信號檢測原理

收音機模塊輸出的信號經過PIC16F917單片機的模數轉換后，每1ms獲取256個離散值，對這些數值進行求公差計算。當發射機開機時，信號強，獲取的公差計算值大，當發射機關機時，信號很弱，獲取的公差計算值比較小，且這個數值比較固定。我們把這個數值作為參考，根據實際情況設定合適的信號閥值，然后對求取公差與信號閥值進行比較，當公差值小于信號閥值時，說明信號很弱，將啟動報警，為了防止誤報警，我們設定一個緩沖時間，提高了報警精確度。

圖5 信號檢測流程圖

2.3 聲音檢測原理

在信噪比不是很低的情況下，根據語音信號能量大于噪聲信號能量的情況，通過比較輸入信號能量與語音能量閥值的大小，可以對語音段和非語音段加以區分。具體實現：將收音機模塊輸出的模擬信號輸入到芯片，芯片內部對信號作合適的濾波處理后，取得比較平穩的線性度，在程序上每1ms掃描一次輸入信號，當輸入值大于設置聲音閥值時，則計數器清0；反之，計數器加1，當計數器達到了設置時間閥值時，則將啟動報警。

圖6 無音頻報警檢測流程圖

3.報警器設計實現

為實現報警器通用性，需要考慮以下幾點：一是檢測原理與機器設備無關，只要根據發射臺播出的頻率設置報警器的接收頻率，就可以檢測節目播出情況；二是可根據每個發射信號強度和節目音頻特點進行設定報警值，達到精確報警；三是外觀設計要小巧，人機交互要友好。

3.1 硬件組成

監聽報警器由PIC16F917單片機、調頻收音機模塊、音頻功放模塊、PCF8563時鐘芯片、按鍵、LCD顯示模塊等構成。由于我們掃描音頻的間隔很短，運算量比較大，采用PIC16F917高性能單片機提高報警電路穩定性，它具有高性能、高精度、低功耗等特點。PIC16F917單片機作為整個報警器主要部件，所有部件與單片機PIC16F917相連接，并通過各自的通信方式與單片機進行數據交換。調頻收音機模塊是主要將接收的信號輸出給單片機用于檢測。聲音的輸出通過一個單8通道數字控制模擬電子開關CD4051，單片機通過控制CD4051的二進制輸入端B、C來選擇信號輸入，并通過OUT 腳輸出到功放模塊放大后通過揚聲器輸出。使用PCF8563時鐘芯片對時間進行管理，讓報警器能夠實現多時間段報警，以及控制報警延遲，完成各種復雜的定時服務。監聽報警器采用單節4.2V大容量充電電池代替多節干電池供電，設計電路充電電路。監聽節目與報警喇叭共用一個揚聲器，大大縮小報警器的體積，便于攜帶。

圖7 便攜式調頻廣播監聽報警器設計圖

3.2 實現技術

收音機模塊輸出的信號經過電阻R9，將電流信號轉化為電壓信號，隨后輸入到PIC16F917單片機的25腳。單片機的25腳是模數轉換（ADC）端口，該端口由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數單元構成，芯片內部采用雙積分法對信號進行模數轉換，通過兩次積分輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。對轉換后的信號進行估算，獲取256次10位的數字信號值，然后求平均值，求得256次信號與平均值的公差。當信號比較強時，獲取的公差計算值比較大；反之，當信號比較弱時，獲取的公差計算值比較小。所有公差值相加，除以檢測次數，得到信噪比。將信噪比與信號閥值進行比較，當信噪比小于信號閥值5時（＜2S），則將啟動報警。程序采用C語言編寫，獲得信噪比方法如下：

unsigned int Data[255]；//獲取255個數據

unsigned long SUM_DATA；//得到255數據總和值

unsigned int AVG_DATA；//得到255數據的平均值

bit S_IF；//255數據獲取完畢

AVG_DATA=SUM_DATA>>8；//得到平均值

SUM_DATA=0；

unsigned long GC_DATA；//得到255數據公差的總和值

GC_DATA=0；

unsigned char ik；

if（ik=0；ik++；ik＜255）

{

if（Data[ik]>AVG_DATA）

{

GC_DATA=GC_DATA+Data[ik]-AVG_DATA；

}

else

{

GC_DATA=GC_DATA+AVG_DATA-Data[ik]；

}

}

SNR=GC_DATA>>8；//得到信噪比

3.3 主要技術參數

監聽報警器提供多種參數設置，實現通用性，可設置接收頻率、開機時間、關機時間、開始播音時間、結束播音時間，任何一個調頻廣播電臺都可通過這些設置實現對本單位發射臺播出情況的監聽報警。另一方面報警器也提供了信號閥值、聲音閥值和靜音間隔等檢測值的設置，可根據實際情況提高報警準確性。主要技術指標與參數：規格大小：10CM*6CM*2cm；頻率范圍：87MHz—107MKHz；時間設置：0:00-23:59；信號閥值設置：5-45；聲音閥值設置：5-99；靜音緩沖時間設置：5-99；電壓： 3.7-4.2V；續航能力：未開監聽節目狀態下48小時，監聽節目狀態根據音量大小變化。

圖8 便攜式調頻廣播監聽報警器

結語

便攜式廣播值機監聽報警器投入使用后，值機員隨身攜帶方便，在平時可以開啟喇叭監聽節目播出情況，在工作、開會、學習等時間只要關閉喇叭，出現播出異常情況，報警器就會響起，并且通過兩個指示燈可以直接判斷出是音頻節目故障還是發射機故障，顯示直觀，報警準確，運行穩定，各項功能達到設計要求。在有人留守、無人值機的情況下，加快發現故障的速度，縮短恢復播出時間，減輕了留守人員的工作壓力，提高了安全播出水平。此報警器具有技術成熟、性能穩定、檢測靈敏、便攜性強、通用性高等特點，用戶只要進行一些參數設置就可用于任何地方的調頻廣播電臺，可批量生產并在全國廣播電臺系統推廣。