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        基于ARM+FPGA技術(shù)的短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)

        2015-05-30 22:04:35劉奎富
        中國新通信 2015年2期
        關(guān)鍵詞:末級預(yù)置頻道

        劉奎富

        【摘要】 本文主要介紹了以ARM11為核心的嵌入式主板6410結(jié)合FPGA技術(shù)在TBH-522型短波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)X86嵌入式自動調(diào)諧系統(tǒng),ARM+FPGA技術(shù)應(yīng)用于在短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

        【關(guān)鍵字】 TBH-522型短波發(fā)射機(jī) 調(diào)諧 FPGA ARM 嵌入式

        自動調(diào)諧系統(tǒng)控制套箱用以控制短波發(fā)射機(jī)的高頻回路L和C元件在換頻時的機(jī)械定位,在自動調(diào)諧的方式中,元件的“實(shí)際位置”具有總是跟蹤“預(yù)置位置”的特點(diǎn)。舊系統(tǒng)主要由FPGA主板、X86嵌入式計算機(jī)、PM511P數(shù)模轉(zhuǎn)換板,Windows CE系統(tǒng)軟件及THB應(yīng)用軟件組成。使用過程中,發(fā)現(xiàn)舊系統(tǒng)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)會偶發(fā)異態(tài),隨著技術(shù)發(fā)展,利用低耗固態(tài)ARM技術(shù)替代X86技術(shù),在去掉X86嵌入式計算機(jī)、PM511P數(shù)模轉(zhuǎn)換板的情況下,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu);用嵌入式Linux-2.6.28.6替代Windows CE,去除了黑箱技術(shù),系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

        一、傳統(tǒng)調(diào)諧系統(tǒng)存在的問題

        TBH-522型短波發(fā)射機(jī)采用自動調(diào)諧系統(tǒng)控制發(fā)射機(jī)調(diào)諧,隨著技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)X86嵌入式自動調(diào)諧系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中暴露出如下一些問題:

        1.1散熱不便

        X86嵌入式計算機(jī)體積大,能耗高,風(fēng)機(jī)散熱點(diǎn)需求多。

        1.2維護(hù)量大

        采用PC104總線的PM511P多功能數(shù)據(jù)采集板的插座信號,引腳多,經(jīng)常插拔PM511P板易造成器件損害;元器件較多,6U機(jī)箱分上下兩層安裝,接線復(fù)雜、維護(hù)不便;供給電源輸出功率大,電壓等級多,為防止電源損壞造成故障,需定期更換計算機(jī)電源。

        1.3異態(tài)頻發(fā)

        嵌入式計算機(jī)DDR內(nèi)存條經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良,作為主要存儲介質(zhì)的CF卡時有損害或傳輸不正常,也會導(dǎo)致故障。

        1.4運(yùn)行緩慢

        X86嵌入式計算機(jī)操作系統(tǒng)啟動時間約需2分鐘,運(yùn)行速度慢,且長時間運(yùn)行會導(dǎo)致軟件運(yùn)行速度減慢。

        新舊自動調(diào)諧系統(tǒng)框圖對比如圖1所示。

        二、新系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

        2.1硬件方面

        以ARM11為核心的嵌入式主板6410替代X86嵌入式計算機(jī)及5111P模數(shù)轉(zhuǎn)換板,ARM11嵌入式主板外擴(kuò)的40引腳系統(tǒng)總線直接與大規(guī)??删幊绦酒現(xiàn)PGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接,大大簡化了硬件電路結(jié)構(gòu),降低了耗電量,無需風(fēng)機(jī)散熱,運(yùn)行更穩(wěn)定;自動調(diào)諧小盒的內(nèi)部安裝關(guān)系更為簡明,外觀上看,就是在一塊控制板嵌入一個系統(tǒng)主板。

        2.2軟件方面

        系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件是直接寫入系統(tǒng)板的Flash中,不再寫入CF卡,避免了由于CF卡自身原因引起的故障,減少了故障點(diǎn);Flash的存儲、運(yùn)行速度更快,開機(jī)時間僅30秒左右;嵌入式Linux內(nèi)核小,免費(fèi)公開源代碼,結(jié)構(gòu)小巧,運(yùn)行穩(wěn)定,效率高。

        三、新自動調(diào)諧系統(tǒng)主板電路的特性

        3.1嵌入式主板ARM11-6410簡介

        嵌入式控制主板ARM11-S3C6410的開發(fā)板及其VGA模塊:CPU處理器Samsung S3C6410A,ARM1176JZF-S核,主頻533MHz,最高667MHz。DDR RAM內(nèi)存256M,F(xiàn)lash存儲256M/1GB NAND Flash掉電非易失閃存。

        3.2 FPGA邏輯控制電路簡介

        FPGA充當(dāng)系統(tǒng)的“下位機(jī)”作用,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和送出現(xiàn)場的一些控制信號。在FPGA內(nèi)部編制了用于自動調(diào)諧控制的邏輯控制,這些控制邏輯包括了與嵌入式系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的16位I/O并行數(shù)據(jù)總線、8路光電碼盤的輸入信號的處理電路、8路電機(jī)預(yù)置位置與8路電機(jī)實(shí)際位置的比較控制電路、8路步進(jìn)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制電路、工作頻率監(jiān)測電路、與發(fā)射機(jī)電控保護(hù)及PSM之間的信號處理電路、LED數(shù)碼顯示電路等所有與自動調(diào)諧控制有關(guān)的邏輯電路。

        3.3處理能力強(qiáng)、界面友好、硬件電路簡化

        用以AM-11為核心的嵌入式主板6410作為控制中心,處理能力強(qiáng);于此同時,結(jié)合Linix操作系統(tǒng)下的QT編程設(shè)計,界面友好。采用了嵌入式主板外擴(kuò)的40引腳系統(tǒng)總線直接與以大規(guī)??删幊绦酒現(xiàn)PGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接,使得硬件電路大大簡化。自動調(diào)諧小盒的內(nèi)部安裝關(guān)系也簡單化了許多,就是一塊大的控制板上,緊緊地嵌入一個系統(tǒng)主板。如圖2所示。

        圖2 FPGA板+ARM6410板

        3.4 模擬量輸入及4路A/D采集電路

        FPGA綜合控制板的A/D轉(zhuǎn)換電路部分,是采用美國AD公司的AD7864四個通道同步采樣高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。D/A部分是采用 MAX520/ MAX521四組/八組,二線串行8位DAC電路

        四、新調(diào)諧系統(tǒng)的工作狀態(tài)介紹

        新調(diào)諧系統(tǒng)的工作流程主要可分為初始化、預(yù)置、細(xì)調(diào)、調(diào)諧完成、播音五個工作狀態(tài),其中細(xì)調(diào)又分為1路細(xì)調(diào)、3路細(xì)調(diào)和5路細(xì)調(diào)三個狀態(tài)。新調(diào)諧系統(tǒng)界面如圖3所示。

        圖3 新調(diào)諧系統(tǒng)界面示意圖

        圖3給出了新自動調(diào)諧系統(tǒng)界面,包括工具欄、調(diào)諧進(jìn)度狀態(tài)欄、調(diào)諧操作欄、頻率顯示、電機(jī)位置顯示、模擬量顯示以及狀態(tài)欄等等,與原系統(tǒng)界面保持基本一致,照顧到了舊有用戶的使用習(xí)慣。

        4.1初始化狀態(tài)

        當(dāng)系統(tǒng)因為斷電關(guān)機(jī)重新開機(jī)時,進(jìn)入的工作狀態(tài)就是初始化狀態(tài)。該狀態(tài)主要用于恢復(fù)上一次斷電關(guān)機(jī)時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)(即上一次關(guān)機(jī)時發(fā)射機(jī)的工作頻率、8路電機(jī)的預(yù)置位置寄存器和實(shí)際位置寄存器中的數(shù)據(jù)值、天線開關(guān)等上一次關(guān)機(jī)前的所有實(shí)時數(shù)據(jù),都保留在系統(tǒng)的實(shí)時庫中)。

        在初始化狀態(tài)就是將實(shí)時庫中的8路電機(jī)的實(shí)際位置數(shù)據(jù),重新寫入邏輯電路中,恢復(fù)這些數(shù)據(jù)(因為斷電后邏輯電路中的所有數(shù)據(jù)都將丟失)。

        在初始化狀態(tài)在整個開機(jī)過程中,只在剛剛開機(jī)時出現(xiàn)一次。在邏輯設(shè)計上,后面的換頻狀態(tài)、預(yù)置狀態(tài)、細(xì)調(diào)、調(diào)諧完成以及播音狀態(tài)都會清除初始化狀態(tài),以后再也不會出現(xiàn)這個狀態(tài)了。

        4.2換頻狀態(tài)

        換頻狀態(tài)是用于開通發(fā)射機(jī)的工作頻率的狀態(tài),可以由上級通過指令控制也可以人工通過小鍵盤(或軟鍵盤)輸入頻率兩種方式換頻。

        輸入頻道號進(jìn)行換頻:按下操作鍵盤的“頻道”鍵,輸入要換頻的頻道號后,按下“確認(rèn)”鍵。系統(tǒng)將根據(jù)輸入的頻道號,在頻道庫中查詢到對應(yīng)的工作頻率。從換頻接口電路輸出,控制激勵器按照要求的頻率工作。

        輸入頻率進(jìn)行換頻:按下操作鍵盤的“頻率”鍵,輸入要換頻的工作頻率后,按下“確認(rèn)”鍵。系統(tǒng)首先查詢該工作頻率在頻道庫中是否已經(jīng)建立了頻道號,若輸入的頻率在頻道庫中查到了頻道號。系統(tǒng)將根據(jù)該頻道號在頻道庫中查詢到對應(yīng)的工作頻率,從換頻接口電路輸出,控制激勵器按照要求的頻率工作;若輸入的頻率在頻道庫中查不到了頻道號。

        系統(tǒng)首先在頻道庫建立一個新的頻道號,并根據(jù)該頻率在頻率庫中查詢到所有庫數(shù)據(jù),建立對應(yīng)的頻道庫數(shù)據(jù)(包括電機(jī)的預(yù)置位置,激勵電平,模擬量補(bǔ)償?shù)龋F浯?,將該頻率數(shù)據(jù)從換頻接口電路輸出,控制激勵器按照要求的頻率工作。

        調(diào)節(jié)激勵器電平操作:按下操作鍵盤的“電平”鍵,利用操作鍵盤上的“+”或“-”按鍵,來控制綜合控制板上的DA輸出大小,送給激勵器去控制激勵器信號的幅度大小。系統(tǒng)的DA輸出1V控制激勵器的信號幅度為0.5V,系統(tǒng)從綜合控制板讀回頻率的測量結(jié)果。當(dāng)測量的頻率等于要求的工作頻率時,即換頻成功該狀態(tài)結(jié)束。

        4.3 預(yù)置狀態(tài)

        系統(tǒng)將根據(jù)換頻狀態(tài)的頻率從頻道庫中,取出電機(jī)對應(yīng)的預(yù)置數(shù)據(jù)。分別輸出到FPGA的電機(jī)對應(yīng)的預(yù)置寄存器中,控制邏輯將自動控制電機(jī)轉(zhuǎn)動運(yùn)行直到實(shí)際位置等于要求的預(yù)置位置為止。系統(tǒng)監(jiān)測到電機(jī)的實(shí)際位置均到達(dá)所要求的預(yù)置位置時,預(yù)置狀態(tài)完成。系統(tǒng)將進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài),開始1路、3路、5路的細(xì)調(diào)。

        4.4 1、3、5路細(xì)調(diào)狀態(tài)

        系統(tǒng)從A/D電路的通道1讀入前級鑒相器的數(shù)值,根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值是正數(shù),說明前級回路是感性失諧。需要控制1路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大1路電容器數(shù)值,使回路諧振;當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值是負(fù)數(shù),說明前級回路是容性失諧。需要控制1路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小1路電容器數(shù)值,使回路諧振;當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值等于0時,說明前級回路諧振了,就不要再調(diào)了。3路細(xì)調(diào)狀態(tài):系統(tǒng)從A/D電路的通道2讀入末級鑒相器的數(shù)值,根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值是正數(shù),說明末級回路是感性失諧。需要控制3路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大3路電容器數(shù)值,使末級回路諧振;當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值是負(fù)數(shù),說明末級回路是容性失諧。需要控制3路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小3路電容器數(shù)值,使末級回路諧振;當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值等于0時,說明末級回路諧振了,就不要再調(diào)了。 5路細(xì)調(diào)狀態(tài):系統(tǒng)從A/D電路的通道3讀入末級鑒阻器的數(shù)值,根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的末級鑒阻器數(shù)值是正數(shù),說明末級輸出回路是感性失諧。需要控制5路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大5路電容器數(shù)值,使末級輸出回路諧振;當(dāng)讀入的末級鑒阻器數(shù)值是負(fù)數(shù),說明末級輸出回路是容性失諧。需要控制5路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小5路電容器數(shù)值,使末級輸出回路諧振;當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值等于0時,說明末級輸出回路諧振了,就不要再調(diào)了。

        4.5 調(diào)諧完成狀態(tài)

        細(xì)調(diào)狀態(tài)完成后,系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)諧完成狀態(tài)(實(shí)際是進(jìn)入等待播音的狀態(tài))。這時系統(tǒng)隨時響應(yīng)人工手動操作,返回到需要的細(xì)調(diào)狀態(tài)或其它狀態(tài)。

        4.6 播音狀態(tài)

        調(diào)諧完成后,F(xiàn)PGA根據(jù)嵌入式發(fā)送過來的狀態(tài)信號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),將音頻信號加到載波上發(fā)射出去。系統(tǒng)進(jìn)入播音狀態(tài),系統(tǒng)直接給邏輯送音頻命令和送出切斷電機(jī)驅(qū)動器電源的命令。半自動,手動模式下,為不切換音頻的倒頻,需要按鍵“0”命令送音頻遠(yuǎn)程的命令,分為倒頻不切音頻,倒頻切音頻,送音頻。

        4.7 新調(diào)諧系統(tǒng)的檢修狀態(tài)

        在界面上的“檢修”狀態(tài)點(diǎn)亮,即表示系統(tǒng)進(jìn)入檢修狀態(tài)。檢修時,可以使用系統(tǒng)的軟鍵盤或前面板上的小鍵盤進(jìn)行操作。當(dāng)按下“復(fù)位”功能鍵時,8路電機(jī)都將被復(fù)位到“下限位”位置。 當(dāng)按下“預(yù)置”功能鍵時,可以通過1~8數(shù)字鍵選擇要預(yù)置的路數(shù)。再輸入該路要求的預(yù)置值,按下“確認(rèn)”鍵,電機(jī)就轉(zhuǎn)到預(yù)置位置。當(dāng)按下“預(yù)置”功能鍵時,可以通過1~8數(shù)字鍵選擇要預(yù)置的路數(shù)。然后也可以按動“+”“-”鍵,進(jìn)行電機(jī)正、反轉(zhuǎn)微調(diào)位置。也可以通過小鍵盤的功能鍵,進(jìn)行系統(tǒng)對激勵器控制;在更換電容器、電感回路檢修時,重新校正下限位。

        五、總結(jié)

        新的自動調(diào)諧系統(tǒng)采用ARM11-6410嵌入式系統(tǒng)和FPGA大規(guī)模可編程門陣列電路組合使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,工作更穩(wěn)定可靠,免維護(hù),具有一定的先進(jìn)性和推廣性。

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