中波調幅廣播發射機數據采集系統的設計探究

扎西平措 尼瑪潘多

（作者單位：1.西藏自治區廣播電視局034臺；2.西藏自治區廣播電視局江孜中波轉播臺）

1 中波調幅廣播發射機的工作原理

從廣播發射控制系統的技術層面來看，一套完整且成熟的控制系統（見圖1），其配置應當滿足以下7項條件：電源、冷卻系統、監測運行系統、機房監控系統、信號源系統、天饋線系統[1]。

發射機及其相關設備的運行關系如圖1所示，從圖1可以看出電源系統在保持正常外電供應的情況下，獨立承擔著電力供應效能；微機同時對機房、調度室、廣播發射機進行控制；監聽監測系統主要是對廣播發射機進行實時監測；節目傳送的主線路是由機房至調度室，再至廣播發射機，通過發射天線發送；機房與廣播發射機之間也可進行直接控制；調度室除了進行節目傳送，還要對監聽監測信息進行處理和反饋[2]。

圖1 控制系統配置圖

此外，從數字調幅中波廣播發射機的組成框架來看，主要有四大部分，分別為機體電源、機體音頻、機體射頻、機體控制。其中機體電源部分由電源、冷卻散熱系統、空氣過濾網、遠程監控所組成；機體音頻部分由調制編碼器、模數轉換板、模擬輸入板、直流穩壓板所組成；機體射頻部分由頻率合成器、緩沖放大器、驅動前級、射頻末級、推動電源調整器、射頻狀態指示、推動級功放器、射頻分配器、功率合成器、發射機內部網絡組成；機體控制部分主要由控制板、顯示面板和對外接口板等組成。

2 數據采集系統的總體設計

設計發射機數據采集系統（見圖2），就是要讓機體內部的采集板接口與電路形成有效連接，從而能夠對發射機的開啟和關閉進行自動控制，能夠對發射機的實時動態進行跟蹤檢測，且具有實時獲取發射機運行情況功能參數的功效、具有對歷史數據進行存儲和對故障進行查詢的功效、具有遠程進行監控的功效、具有手動開關和定時開關機任意切換功能。

圖2 中波廣播發射機數據采集系統組成

傳統的中波發射機控制系統主要是依靠遠程計算機進行控制，發射機控制系統主要由主控單元、電源控制單元、功效控制單元構成，電源控制單元的功能是控制系統的開關，功效控制單元的主要功能是控制音頻。

中波調幅發射機在運行時，其電磁環境是十分復雜的，因此數據的收集、存儲和識讀，很有可能受電磁干擾而造成數據丟失或數據失真，故而對中波調幅數據采集系統進行總體設計時要充分考慮抗電磁干擾[3]。可以如圖2所示，利用單雙向同步串行總線轉換口在ARM處理器與數字集成電路之間實施信號串行以解決電磁干擾問題。依據圖2所示，本文所設計的數據采集系統，其技術要求主要有以下三點：一是采用26路的模擬量進行輸入，從而對入射和反射功率、機體電源電壓、機體天線的駐波比、機體調幅度等電頻信號進行實時獲取和記憶存儲；二是通過16路的開關量進行輸入，從而對各個程度的功率進行有效指示，凡是涉及功率指示的故障功率均能被實時獲取和記憶存儲；三是通過16路的開關量進行輸出，從而有效控制發射機機體的升降功率，對機體的開啟和關閉進行控制，對超負載進行報警提示，對駐波比進行實時跟蹤檢測和提示。

另外，從圖2可以看出，ARM微處理器在整個數據系統中處于核心地位，實現數字信號的處理與發射頻率合成只是其基本頻率的一環，ARM微處理器還要參與機體硬件、機體軟件的抗干擾，因此要實現中波調幅廣播發射機數據系統，ARM微處理器的選型是十分關鍵和重要的[4]。

3 基于ARM 7的數據采集系統硬件設計

由前文可知，ARM微處理器的選型對于數據的采集和處理至關重要，基于ARM 7開展硬件系統設計，可以為中波調幅廣播發射機開展數據采集與處理提供硬件支撐。

3.1 濾波電路

由于從發射機的數據采集板獲取的參數指標，存在電阻量、電壓量、電流量等值，這些特殊的電信號值一般情況下是無法直接與模數轉換芯片連接的，因此需要先進行適當的調整轉換。比如，可以通過標準的取樣電路把電流量轉為電壓量，通過標準的恒流源電路把電阻量調整轉換為電壓量，而后再開展模數的轉換；還可以利用差分電路，調整轉換信號的極性，等有關信號被轉換后，再進行濾波，各種信號通過濾波電路之后，再進入模擬數字（Analog to Digital，A/D）轉換電路。本次設計采用低通濾波器，此種濾波器已被普遍應用于各種傳輸電路中的噪聲抑制，具有安裝方便、價格適中、體積小、抗干擾強等優點。

3.2 模數轉換器

筆者在進行系統的硬件設計時，傾向于使用AD1674模數轉換芯片作為模數轉換器的核心。將AD1674芯片與中央處理器（Central Processing Unit，CPU）總線直接連接起來，其轉換的數據輸出采取低4位和高8位兩次并行輸出的方式，再分兩次控制選通地址讀取數據[5]。

3.3 開關量的擴展

經過市場調研和綜合對比，MAX Ⅱ系列中的復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）芯片EPM240具有經濟實惠、輸入/輸出方式靈活的特點，可以作為發射機系統內開關量的擴展構成，尤其是存在于MAX Ⅱ CPLD內中的I/O單位引腳，能在短時間內與發射臺的數據采集系統進行有效連接，因而非常適合作為中波調幅廣播發射機數據采集系統的開關量擴展構成部分。

圖3中的（a）（b）分別為開關量的輸入、輸出通道示意圖。在開關量的輸入通道路徑中，可以利用當前比較成熟的光電隔離法，使用耦合元器件將電信號調整轉換成為光信號，如圖3中（a）所示，各種電信號經過發光二極管轉換、輸出成為光信號。如圖3中（b）所示，在本文所探究的發射機數據采集系統中，選擇74HC14作為最主要的開關量輸出驅動器件，直接承擔輸出驅動電路的相關功能，是將輸入信號進行修正后，轉化輸出為門電平的關鍵驅動元器件，這個元器件的結構是由6個輸入端和輸出端組成的，特別適用于中波發射機數據采集系統的數據信號轉換輸出。

圖3 開關量的輸入、輸出通道

3.4 微處理器的體系結構

筆者對ARM7微處理器的體系結構設計如圖4所示。這是一款32位的嵌入式結構的微處理器，其最主要的架構為ARM7TDMI微處理器內核，囊括包含8 KB的可供指令和數據一起共用的高速緩存，并帶有相關存儲器、控制器、寫緩沖器、總線仲裁器、時間發生器、管理電源單元、通用且具有并行口的總線擴展器、可異步通信且能實現串行口異步收發的傳輸器等各路元器件。其主要的體系結構技術組成為ARM芯片、三電路（電源、復位、振蕩）、UART接口電路（實現并行輸入和串行輸出）、JTAG接口（實現聯合測試）、隨機存儲器和閃存等。筆者利用具備圖4所示的微處理器硬件結構的中波調幅發射機開展試驗進行數據采集，先后試驗多次，獲得多組試驗結果，表1為其中的一組試驗結果。

表1 試驗結果數據

圖4 ARM7微處理器的體系結構圖

在整個試驗過程中，以100 kHz作為數據收集采樣的時間頻率開展取樣，同時各路轉換結果的分辨率也要達到12位及以上，從試驗組所取得的數據采集轉換結果，發現其誤差率在0.30‰～3.72‰，均低于1%，并且隨著輸入電壓的升高，誤差率呈現下降趨勢，由此判斷該結果是相關測試儀器的精度所致，故而本文所探究的基于ARM7微處理器體系結構硬件的中波調幅廣播發射機數據采集系統的方案是可行的。

4 結語

為了給中波調幅廣播發射機提供有效的數據采集系統硬件支撐，本文在基于發射機相關工作原理的基礎上，先提出數據采集系統的總體設計方案，并確認ARM微處理器是技術攻關的關鍵，進而探究嘗試基于ARM7微處理器體系結構的有效設計方案，并經過試驗測試和誤差分析，認為設計方案是可行的，以期為廣大從業者提供一些參考。