嵌入式系统在广播发射机调谐自动化改造中的应用

孙英男 程备战

摘 要：介绍了以嵌入式主板PCM-9575为核心的广播发射机自动调谐系统，采用步进电机取代原有的伺服电机，控制部分由FPGA实现，采用PM511P多功能数据采集卡进行模拟量的采集和激励器的遥控，详细介绍了系统软件部分的设计以及实现的功能。

关键词：广播发机射自动调谐系统 嵌入式 FPGA PM511P

中图分类号：TM24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0049-02

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广泛的应用于军事国防、消费电子、网络通信等行业。

1 广播发射机自动调谐系统简介

广播发射机系统本质上讲是一部大功率的射频信号功率放大器，其自动调谐系统的功能就是控制射频电路中多路可调元器件如电容、电感等，精准、快速到达预置的位置，从而实现整个射频功率放大器稳定正常工作。在实际广播发射机系统中，由于需要控制可调元器件路数多。调谐的频率高、同步性、精准度以及调整的时间性都要求很高，所以一套性能好、精度高、可靠性、稳定性突出的自动调谐系统对一部广播发射机的稳定工作尤为重要。而以计算机技术为基础的嵌入式系统以其可靠性高、性能强、功耗低、成本小很好的应用在广播发射机的自动调谐系统中。

2 嵌入式主板PCM-9575特性简介

PCM-9575是台湾公司生产的一款专用于工业控制的嵌入式主主板，为简化叙述，以下简称嵌入式。

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

支持PC/104，PC/104+总线插槽；

支持36位1024x768分辨率TFT LCD，支持VGA、音频接口；

支持100/10Base_T以太网接口、兼容802.3U；

4串口、USB1.10接口、硬盘、光驱、软驱、CF卡接口。

3 广播发射机自动调谐系统改造

广播发射机自动调谐系统改造的目的就是尽可能提高被调元件到位的精确度，尽可能减小系统的机械回差和电气回差。为此对旧设备的机械传动装置进行以下四点改造。

采用以嵌入式主板PCM-9575为核心硬件，PM511P多功能数据采集卡进行模拟量的采集和激励器的遥控，由FPGA实现控制。

将原有的支流伺服电机改用步进电机，提高调谐的稳定性与精度。

将原有的涡轮涡杆减速器改为无回差的谐波减速器，以减小机械误差。

将原有的位置检测的跟踪电位器改为光电码盘，以便于软件校准。

4 自动调谐系统控制部分的设计

系统控制的执行机构采用FPGA来实现，FPGA是基于SRAM的可编程器件，它以功能很强的CLB为基本逻辑单元，可以实现各种复杂的逻辑功能；在此，我们选用Xilinx公司的较新的一款FPGA芯片，Spartan II家族中的XC2S200PQ208，系统门数为20万门，208个管脚，PQFP封装，满足对本系统的要求。程序的编写基于VHDL语言和原理图结合的方法，软件平台采用Foundation3.1，通过对FPGA灵活的编程，完成了电机的转动控制和控制信号的输出。

FPGA的设计主要包括与嵌入式通信的模块，实际位置计数模块，电机控制模块三个部分的设计。

4.1 通信模块

通信模块负责接收嵌入式发送过来的命令，包括电机的实际位置、预置位置和现场所需要的一些控制信號，以及向嵌入发送电机的实际位置，现场的一些状态等。采用UART通信方式、RS-232通信标准，具有很好的抗干扰能力。

由于传送的数据内容较为复杂，定义了FPGA与嵌入式的通信协议，在此选用了国际标准的HDLC（高级数据链路控制）协议，数据格式如表1。

表1 通信格式

同步字均为7E，控制字定义了八路电机的地址以及电机正反转、频率地址等，数据位定义了相应电机的实际位置、预置位置，频率数据等。除数据位为2个字节以外，其他数据段均定义为1个字节，每一帧数据共6个字节，在FPGA里面用VHDL语言实现此部分的编程。

4.2 实际位置计数模块（见图1）

步进电机的位置采用旋转码盘进行定位，通常，旋转码盘有A、B、Z三相输出，旋转波形如图2所示，A相和B相输出占空比为50%的方波。码盘每旋转一周，A相和B相输出固定数目的脉冲。当码盘正向旋转时，A相比B相超前四分之一个周期；当码盘反向旋转时，B相比A相超前四分之一个周期。通过对该波形的处理得到码盘的方向信号和计数脉冲，送入实际位置计数器，利用方向信号控制计数器的加减，利用脉冲控制计数，由于FPGA不具备存储功能，掉电之后实际位置会丢失，需要在下一次上电时将实际位置重新写入实际位置计数器，所以此计数器也有置数功能。

4.3 步进电机控制模块

步进电机控制模块主要包括步进电机升降速曲线控制逻辑、实际位置和预置位置比较逻辑。升降速曲线控制逻辑送出控制电机的脉冲信号，并且控制脉冲的频率，使电机能够平稳的升降速；实际位置和预置位置比较逻辑是将嵌入式发送过来的电机预置位置和实际位置进行比较，若预置位置大于实际位置，则送出正转信号，反之送出反转信号，并且使步进电机曲线控制逻辑送出控制电机的旋转脉冲。

对于其他控制信号，如粗/细调信号，调谐完成、降功率等信号，是通过嵌入式发送过来的数据进行译码得出；此外，FPGA中也提供了电机限位保护功能。

FPGA输入输出的电压不满足现场要求，采用光藕电路对输入输出进行电压转换。

5 模拟量的采集和激励器的控制

此部分的设计采用PM511P多功能数据采集板进行编程配置。PM511P是一块PC104总线的多功能数据采集板，适用于工业现场、实验室、嵌入式设备等多种场合，具有16路A/D转换通道、4路D/A通道、24路可编程开关量输入输出、3路计数通道，也可以根据用户需要改变条线来选配不同的工作方式。

通过改变PM511P的跳线设置将A/D配置成16路单端输入，输入信号范围配置成-5～+5 V，进行前级鉴相器、末级鉴相器、末级鉴阻器和末级帘栅流的采集。通过对24路可编程开关量输入输出的编程控制激励器输出的频率。通过D/A转换输出对激励器的输出信号的电平进行控制。

6 系统软件设计

完成了上述硬件平台的改造和设计，开始系统软件的编程。

本系统采用嵌入式操作系统Windows XP Embed，其特点是具有良好的Windows界面，运行稳定、体积小，整个系统用一块CF卡就可以容下，软件编程平台采用Visual studio C++.NET编程，实现了图形界面、工作状态的控制，数据库的管理等多种复杂的算法和功能。完成后的系统界面（如图2）。

6.1 功能实现

系统调谐过程分为粗调、细调、调谐完成、音频切换四个部分，其中细调分为前级细调和末级细调。

粗调：粗调是将高频信号封锁，系统从频率库中调出8路电机的预置位置，将8路步进电机转动到位。

细调：细调是将高频信号封锁解除，根据采集到的模拟量对1、3、5路进行细调。

调谐完成：调谐完成是完成了细调之后，向电控发送调谐完成信号，同时将功率切换到半功率状态，此时无音频信号送出，在此工作階段，系统通过检测采集到的末级帘栅流的大小来控制激励器电平的输出。

音频切换：调谐完成后，将音频允许信号送入保护装置，此时发射机调整到最佳调谐状态，将音频信号加入载波发射出去。

利用软件上灵活编程的特点，该系统实现了自动调谐、半自动调谐及手动调谐，半功率调谐等多种控制方式。

6.2 数据库的管理

系统共有3个数据库，即当前状态数据库，频率库和频道库。

当前状态数据库用于记录当前的电机实际位置，用以下次启动系统时将电机实际位置发送到FPGA。

频率库指的是以5 kHz为一个频点，根据现场中每个可调元件的参数值对应的电机的位置值建立的数据库，以文本文件的方式存储到系统中，其格式如下：

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

*本频率库文件创建于11-05-24 19：01：15*

*本文件记录发射机的频道参数 *

*每条记录有12个字段 *

*频率，1路，2路，3路，4路，5路，6路，7路，8路，前级鉴相器补偿， *

*末级鉴相器补偿，末级鉴阻器补偿 *

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

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

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由于采用码盘进行电机位置的计录，可以对全频段电机位置进行预置，采用嵌入式，系统的存储量又大大增加，频率库的频点间隔可以做得更细致，此外，在软件上实现了对数据库的查询、更改、删除等多项管理功能，使得系统具有较强的实用性。

7 结论

此系统以性能好、可靠性、稳定性突出的嵌入式系统PCM9575为广播发射机自动调谐系统核心，建立界面友好、功能强大、操作便捷的人机交互系统，由FPGA实现控制，通过使用步进电机、谐波减速器、跟踪定位光电码盘等底层机械传动装置，很好的满足了广播发射机调谐的频率高、同步性、精准度以及调整的时间性都要求很高的技术要求。从而为广播发射机的稳定工作奠定了坚实基础。同时PCM9575还提供了方便的外部接口，如网络接口、外部串口、USB接口等，这些接口使得系统具有很好的扩展性，更好的为发射台站适应安全播出自动、信息化奠定基础。

参考文献

[1]徐志军.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京：电子工业出版社，2002，1.

[2]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社，2002，9.

[4]PCM-9575嵌入式主板用户使用手册[Z].

[3]PM511P多功能数据采集板用户使用手册[Z].