孫英男 程備戰(zhàn)

摘 要：介紹了以嵌入式主板PCM-9575為核心的廣播發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)取代原有的伺服電機(jī)，控制部分由FPGA實現(xiàn)，采用PM511P多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬量的采集和激勵器的遙控，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計以及實現(xiàn)的功能。

關(guān)鍵詞：廣播發(fā)機(jī)射自動調(diào)諧系統(tǒng) 嵌入式 FPGA PM511P

中圖分類號：TM24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0049-02

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事國防、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信等行業(yè)。

1 廣播發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)簡介

廣播發(fā)射機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上講是一部大功率的射頻信號功率放大器，其自動調(diào)諧系統(tǒng)的功能就是控制射頻電路中多路可調(diào)元器件如電容、電感等，精準(zhǔn)、快速到達(dá)預(yù)置的位置，從而實現(xiàn)整個射頻功率放大器穩(wěn)定正常工作。在實際廣播發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，由于需要控制可調(diào)元器件路數(shù)多。調(diào)諧的頻率高、同步性、精準(zhǔn)度以及調(diào)整的時間性都要求很高，所以一套性能好、精度高、可靠性、穩(wěn)定性突出的自動調(diào)諧系統(tǒng)對一部廣播發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定工作尤為重要。而以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)以其可靠性高、性能強、功耗低、成本小很好的應(yīng)用在廣播發(fā)射機(jī)的自動調(diào)諧系統(tǒng)中。

2 嵌入式主板PCM-9575特性簡介

PCM-9575是臺灣公司生產(chǎn)的一款專用于工業(yè)控制的嵌入式主主板，為簡化敘述，以下簡稱嵌入式。

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

支持PC/104，PC/104+總線插槽；

支持36位1024x768分辨率TFT LCD，支持VGA、音頻接口；

支持100/10Base_T以太網(wǎng)接口、兼容802.3U；

4串口、USB1.10接口、硬盤、光驅(qū)、軟驅(qū)、CF卡接口。

3 廣播發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)改造

廣播發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)改造的目的就是盡可能提高被調(diào)元件到位的精確度，盡可能減小系統(tǒng)的機(jī)械回差和電氣回差。為此對舊設(shè)備的機(jī)械傳動裝置進(jìn)行以下四點改造。

采用以嵌入式主板PCM-9575為核心硬件，PM511P多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模擬量的采集和激勵器的遙控，由FPGA實現(xiàn)控制。

將原有的支流伺服電機(jī)改用步進(jìn)電機(jī)，提高調(diào)諧的穩(wěn)定性與精度。

將原有的渦輪渦桿減速器改為無回差的諧波減速器，以減小機(jī)械誤差。

將原有的位置檢測的跟蹤電位器改為光電碼盤，以便于軟件校準(zhǔn)。

4 自動調(diào)諧系統(tǒng)控制部分的設(shè)計

系統(tǒng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用FPGA來實現(xiàn)，F(xiàn)PGA是基于SRAM的可編程器件，它以功能很強的CLB為基本邏輯單元，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能；在此，我們選用Xilinx公司的較新的一款FPGA芯片，Spartan II家族中的XC2S200PQ208，系統(tǒng)門數(shù)為20萬門，208個管腳，PQFP封裝，滿足對本系統(tǒng)的要求。程序的編寫基于VHDL語言和原理圖結(jié)合的方法，軟件平臺采用Foundation3.1，通過對FPGA靈活的編程，完成了電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制和控制信號的輸出。

FPGA的設(shè)計主要包括與嵌入式通信的模塊，實際位置計數(shù)模塊，電機(jī)控制模塊三個部分的設(shè)計。

4.1 通信模塊

通信模塊負(fù)責(zé)接收嵌入式發(fā)送過來的命令，包括電機(jī)的實際位置、預(yù)置位置和現(xiàn)場所需要的一些控制信號，以及向嵌入發(fā)送電機(jī)的實際位置，現(xiàn)場的一些狀態(tài)等。采用UART通信方式、RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的抗干擾能力。

由于傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容較為復(fù)雜，定義了FPGA與嵌入式的通信協(xié)議，在此選用了國際標(biāo)準(zhǔn)的HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）協(xié)議，數(shù)據(jù)格式如表1。

表1 通信格式

同步字均為7E，控制字定義了八路電機(jī)的地址以及電機(jī)正反轉(zhuǎn)、頻率地址等，數(shù)據(jù)位定義了相應(yīng)電機(jī)的實際位置、預(yù)置位置，頻率數(shù)據(jù)等。除數(shù)據(jù)位為2個字節(jié)以外，其他數(shù)據(jù)段均定義為1個字節(jié)，每一幀數(shù)據(jù)共6個字節(jié)，在FPGA里面用VHDL語言實現(xiàn)此部分的編程。

4.2 實際位置計數(shù)模塊（見圖1）

步進(jìn)電機(jī)的位置采用旋轉(zhuǎn)碼盤進(jìn)行定位，通常，旋轉(zhuǎn)碼盤有A、B、Z三相輸出，旋轉(zhuǎn)波形如圖2所示，A相和B相輸出占空比為50%的方波。碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，A相和B相輸出固定數(shù)目的脈沖。當(dāng)碼盤正向旋轉(zhuǎn)時，A相比B相超前四分之一個周期；當(dāng)碼盤反向旋轉(zhuǎn)時，B相比A相超前四分之一個周期。通過對該波形的處理得到碼盤的方向信號和計數(shù)脈沖，送入實際位置計數(shù)器，利用方向信號控制計數(shù)器的加減，利用脈沖控制計數(shù)，由于FPGA不具備存儲功能，掉電之后實際位置會丟失，需要在下一次上電時將實際位置重新寫入實際位置計數(shù)器，所以此計數(shù)器也有置數(shù)功能。

4.3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

步進(jìn)電機(jī)控制模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)升降速曲線控制邏輯、實際位置和預(yù)置位置比較邏輯。升降速曲線控制邏輯送出控制電機(jī)的脈沖信號，并且控制脈沖的頻率，使電機(jī)能夠平穩(wěn)的升降速；實際位置和預(yù)置位置比較邏輯是將嵌入式發(fā)送過來的電機(jī)預(yù)置位置和實際位置進(jìn)行比較，若預(yù)置位置大于實際位置，則送出正轉(zhuǎn)信號，反之送出反轉(zhuǎn)信號，并且使步進(jìn)電機(jī)曲線控制邏輯送出控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)脈沖。

對于其他控制信號，如粗/細(xì)調(diào)信號，調(diào)諧完成、降功率等信號，是通過嵌入式發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼得出；此外，F(xiàn)PGA中也提供了電機(jī)限位保護(hù)功能。

FPGA輸入輸出的電壓不滿足現(xiàn)場要求，采用光藕電路對輸入輸出進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

5 模擬量的采集和激勵器的控制

此部分的設(shè)計采用PM511P多功能數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行編程配置。PM511P是一塊PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集板，適用于工業(yè)現(xiàn)場、實驗室、嵌入式設(shè)備等多種場合，具有16路A/D轉(zhuǎn)換通道、4路D/A通道、24路可編程開關(guān)量輸入輸出、3路計數(shù)通道，也可以根據(jù)用戶需要改變條線來選配不同的工作方式。

通過改變PM511P的跳線設(shè)置將A/D配置成16路單端輸入，輸入信號范圍配置成-5～+5 V，進(jìn)行前級鑒相器、末級鑒相器、末級鑒阻器和末級簾柵流的采集。通過對24路可編程開關(guān)量輸入輸出的編程控制激勵器輸出的頻率。通過D/A轉(zhuǎn)換輸出對激勵器的輸出信號的電平進(jìn)行控制。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

完成了上述硬件平臺的改造和設(shè)計，開始系統(tǒng)軟件的編程。

本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)Windows XP Embed，其特點是具有良好的Windows界面，運行穩(wěn)定、體積小，整個系統(tǒng)用一塊CF卡就可以容下，軟件編程平臺采用Visual studio C++.NET編程，實現(xiàn)了圖形界面、工作狀態(tài)的控制，數(shù)據(jù)庫的管理等多種復(fù)雜的算法和功能。完成后的系統(tǒng)界面（如圖2）。

6.1 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)調(diào)諧過程分為粗調(diào)、細(xì)調(diào)、調(diào)諧完成、音頻切換四個部分，其中細(xì)調(diào)分為前級細(xì)調(diào)和末級細(xì)調(diào)。

粗調(diào)：粗調(diào)是將高頻信號封鎖，系統(tǒng)從頻率庫中調(diào)出8路電機(jī)的預(yù)置位置，將8路步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動到位。

細(xì)調(diào)：細(xì)調(diào)是將高頻信號封鎖解除，根據(jù)采集到的模擬量對1、3、5路進(jìn)行細(xì)調(diào)。

調(diào)諧完成：調(diào)諧完成是完成了細(xì)調(diào)之后，向電控發(fā)送調(diào)諧完成信號，同時將功率切換到半功率狀態(tài)，此時無音頻信號送出，在此工作階段，系統(tǒng)通過檢測采集到的末級簾柵流的大小來控制激勵器電平的輸出。

音頻切換：調(diào)諧完成后，將音頻允許信號送入保護(hù)裝置，此時發(fā)射機(jī)調(diào)整到最佳調(diào)諧狀態(tài)，將音頻信號加入載波發(fā)射出去。

利用軟件上靈活編程的特點，該系統(tǒng)實現(xiàn)了自動調(diào)諧、半自動調(diào)諧及手動調(diào)諧，半功率調(diào)諧等多種控制方式。

6.2 數(shù)據(jù)庫的管理

系統(tǒng)共有3個數(shù)據(jù)庫，即當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，頻率庫和頻道庫。

當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)庫用于記錄當(dāng)前的電機(jī)實際位置，用以下次啟動系統(tǒng)時將電機(jī)實際位置發(fā)送到FPGA。

頻率庫指的是以5 kHz為一個頻點，根據(jù)現(xiàn)場中每個可調(diào)元件的參數(shù)值對應(yīng)的電機(jī)的位置值建立的數(shù)據(jù)庫，以文本文件的方式存儲到系統(tǒng)中，其格式如下：

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

*本頻率庫文件創(chuàng)建于11-05-24 19：01：15*

*本文件記錄發(fā)射機(jī)的頻道參數(shù) *

*每條記錄有12個字段 *

*頻率，1路，2路，3路，4路，5路，6路，7路，8路，前級鑒相器補償， *

*末級鑒相器補償，末級鑒阻器補償 *

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

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

……………………………………………………

……………………………………………………

由于采用碼盤進(jìn)行電機(jī)位置的計錄，可以對全頻段電機(jī)位置進(jìn)行預(yù)置，采用嵌入式，系統(tǒng)的存儲量又大大增加，頻率庫的頻點間隔可以做得更細(xì)致，此外，在軟件上實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的查詢、更改、刪除等多項管理功能，使得系統(tǒng)具有較強的實用性。

7 結(jié)論

此系統(tǒng)以性能好、可靠性、穩(wěn)定性突出的嵌入式系統(tǒng)PCM9575為廣播發(fā)射機(jī)自動調(diào)諧系統(tǒng)核心，建立界面友好、功能強大、操作便捷的人機(jī)交互系統(tǒng)，由FPGA實現(xiàn)控制，通過使用步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、跟蹤定位光電碼盤等底層機(jī)械傳動裝置，很好的滿足了廣播發(fā)射機(jī)調(diào)諧的頻率高、同步性、精準(zhǔn)度以及調(diào)整的時間性都要求很高的技術(shù)要求。從而為廣播發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定工作奠定了堅實基礎(chǔ)。同時PCM9575還提供了方便的外部接口，如網(wǎng)絡(luò)接口、外部串口、USB接口等，這些接口使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，更好的為發(fā)射臺站適應(yīng)安全播出自動、信息化奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]徐志軍.CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002，1.

[2]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002，9.

[4]PCM-9575嵌入式主板用戶使用手冊[Z].

[3]PM511P多功能數(shù)據(jù)采集板用戶使用手冊[Z].