中波调幅广播发射机数据采集系统的设计探究

扎西平措 尼玛潘多

（作者单位：1.西藏自治区广播电视局034台；2.西藏自治区广播电视局江孜中波转播台）

1 中波调幅广播发射机的工作原理

从广播发射控制系统的技术层面来看，一套完整且成熟的控制系统（见图1），其配置应当满足以下7项条件：电源、冷却系统、监测运行系统、机房监控系统、信号源系统、天馈线系统[1]。

发射机及其相关设备的运行关系如图1所示，从图1可以看出电源系统在保持正常外电供应的情况下，独立承担着电力供应效能；微机同时对机房、调度室、广播发射机进行控制；监听监测系统主要是对广播发射机进行实时监测；节目传送的主线路是由机房至调度室，再至广播发射机，通过发射天线发送；机房与广播发射机之间也可进行直接控制；调度室除了进行节目传送，还要对监听监测信息进行处理和反馈[2]。

图1 控制系统配置图

此外，从数字调幅中波广播发射机的组成框架来看，主要有四大部分，分别为机体电源、机体音频、机体射频、机体控制。其中机体电源部分由电源、冷却散热系统、空气过滤网、远程监控所组成；机体音频部分由调制编码器、模数转换板、模拟输入板、直流稳压板所组成；机体射频部分由频率合成器、缓冲放大器、驱动前级、射频末级、推动电源调整器、射频状态指示、推动级功放器、射频分配器、功率合成器、发射机内部网络组成；机体控制部分主要由控制板、显示面板和对外接口板等组成。

2 数据采集系统的总体设计

设计发射机数据采集系统（见图2），就是要让机体内部的采集板接口与电路形成有效连接，从而能够对发射机的开启和关闭进行自动控制，能够对发射机的实时动态进行跟踪检测，且具有实时获取发射机运行情况功能参数的功效、具有对历史数据进行存储和对故障进行查询的功效、具有远程进行监控的功效、具有手动开关和定时开关机任意切换功能。

图2 中波广播发射机数据采集系统组成

传统的中波发射机控制系统主要是依靠远程计算机进行控制，发射机控制系统主要由主控单元、电源控制单元、功效控制单元构成，电源控制单元的功能是控制系统的开关，功效控制单元的主要功能是控制音频。

中波调幅发射机在运行时，其电磁环境是十分复杂的，因此数据的收集、存储和识读，很有可能受电磁干扰而造成数据丢失或数据失真，故而对中波调幅数据采集系统进行总体设计时要充分考虑抗电磁干扰[3]。可以如图2所示，利用单双向同步串行总线转换口在ARM处理器与数字集成电路之间实施信号串行以解决电磁干扰问题。依据图2所示，本文所设计的数据采集系统，其技术要求主要有以下三点：一是采用26路的模拟量进行输入，从而对入射和反射功率、机体电源电压、机体天线的驻波比、机体调幅度等电频信号进行实时获取和记忆存储；二是通过16路的开关量进行输入，从而对各个程度的功率进行有效指示，凡是涉及功率指示的故障功率均能被实时获取和记忆存储；三是通过16路的开关量进行输出，从而有效控制发射机机体的升降功率，对机体的开启和关闭进行控制，对超负载进行报警提示，对驻波比进行实时跟踪检测和提示。

另外，从图2可以看出，ARM微处理器在整个数据系统中处于核心地位，实现数字信号的处理与发射频率合成只是其基本频率的一环，ARM微处理器还要参与机体硬件、机体软件的抗干扰，因此要实现中波调幅广播发射机数据系统，ARM微处理器的选型是十分关键和重要的[4]。

3 基于ARM 7的数据采集系统硬件设计

由前文可知，ARM微处理器的选型对于数据的采集和处理至关重要，基于ARM 7开展硬件系统设计，可以为中波调幅广播发射机开展数据采集与处理提供硬件支撑。

3.1 滤波电路

由于从发射机的数据采集板获取的参数指标，存在电阻量、电压量、电流量等值，这些特殊的电信号值一般情况下是无法直接与模数转换芯片连接的，因此需要先进行适当的调整转换。比如，可以通过标准的取样电路把电流量转为电压量，通过标准的恒流源电路把电阻量调整转换为电压量，而后再开展模数的转换；还可以利用差分电路，调整转换信号的极性，等有关信号被转换后，再进行滤波，各种信号通过滤波电路之后，再进入模拟数字（Analog to Digital，A/D）转换电路。本次设计采用低通滤波器，此种滤波器已被普遍应用于各种传输电路中的噪声抑制，具有安装方便、价格适中、体积小、抗干扰强等优点。

3.2 模数转换器

笔者在进行系统的硬件设计时，倾向于使用AD1674模数转换芯片作为模数转换器的核心。将AD1674芯片与中央处理器（Central Processing Unit，CPU）总线直接连接起来，其转换的数据输出采取低4位和高8位两次并行输出的方式，再分两次控制选通地址读取数据[5]。

3.3 开关量的扩展

经过市场调研和综合对比，MAX Ⅱ系列中的复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）芯片EPM240具有经济实惠、输入/输出方式灵活的特点，可以作为发射机系统内开关量的扩展构成，尤其是存在于MAX Ⅱ CPLD内中的I/O单位引脚，能在短时间内与发射台的数据采集系统进行有效连接，因而非常适合作为中波调幅广播发射机数据采集系统的开关量扩展构成部分。

图3中的（a）（b）分别为开关量的输入、输出通道示意图。在开关量的输入通道路径中，可以利用当前比较成熟的光电隔离法，使用耦合元器件将电信号调整转换成为光信号，如图3中（a）所示，各种电信号经过发光二极管转换、输出成为光信号。如图3中（b）所示，在本文所探究的发射机数据采集系统中，选择74HC14作为最主要的开关量输出驱动器件，直接承担输出驱动电路的相关功能，是将输入信号进行修正后，转化输出为门电平的关键驱动元器件，这个元器件的结构是由6个输入端和输出端组成的，特别适用于中波发射机数据采集系统的数据信号转换输出。

图3 开关量的输入、输出通道

3.4 微处理器的体系结构

笔者对ARM7微处理器的体系结构设计如图4所示。这是一款32位的嵌入式结构的微处理器，其最主要的架构为ARM7TDMI微处理器内核，囊括包含8 KB的可供指令和数据一起共用的高速缓存，并带有相关存储器、控制器、写缓冲器、总线仲裁器、时间发生器、管理电源单元、通用且具有并行口的总线扩展器、可异步通信且能实现串行口异步收发的传输器等各路元器件。其主要的体系结构技术组成为ARM芯片、三电路（电源、复位、振荡）、UART接口电路（实现并行输入和串行输出）、JTAG接口（实现联合测试）、随机存储器和闪存等。笔者利用具备图4所示的微处理器硬件结构的中波调幅发射机开展试验进行数据采集，先后试验多次，获得多组试验结果，表1为其中的一组试验结果。

表1 试验结果数据

图4 ARM7微处理器的体系结构图

在整个试验过程中，以100 kHz作为数据收集采样的时间频率开展取样，同时各路转换结果的分辨率也要达到12位及以上，从试验组所取得的数据采集转换结果，发现其误差率在0.30‰～3.72‰，均低于1%，并且随着输入电压的升高，误差率呈现下降趋势，由此判断该结果是相关测试仪器的精度所致，故而本文所探究的基于ARM7微处理器体系结构硬件的中波调幅广播发射机数据采集系统的方案是可行的。

4 结语

为了给中波调幅广播发射机提供有效的数据采集系统硬件支撑，本文在基于发射机相关工作原理的基础上，先提出数据采集系统的总体设计方案，并确认ARM微处理器是技术攻关的关键，进而探究尝试基于ARM7微处理器体系结构的有效设计方案，并经过试验测试和误差分析，认为设计方案是可行的，以期为广大从业者提供一些参考。