扎西平措 尼瑪潘多

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

1 中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)的工作原理

從廣播發(fā)射控制系統(tǒng)的技術(shù)層面來看，一套完整且成熟的控制系統(tǒng)（見圖1），其配置應(yīng)當(dāng)滿足以下7項(xiàng)條件：電源、冷卻系統(tǒng)、監(jiān)測運(yùn)行系統(tǒng)、機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)、信號源系統(tǒng)、天饋線系統(tǒng)[1]。

發(fā)射機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行關(guān)系如圖1所示，從圖1可以看出電源系統(tǒng)在保持正常外電供應(yīng)的情況下，獨(dú)立承擔(dān)著電力供應(yīng)效能；微機(jī)同時(shí)對機(jī)房、調(diào)度室、廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行控制；監(jiān)聽監(jiān)測系統(tǒng)主要是對廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；節(jié)目傳送的主線路是由機(jī)房至調(diào)度室，再至廣播發(fā)射機(jī)，通過發(fā)射天線發(fā)送；機(jī)房與廣播發(fā)射機(jī)之間也可進(jìn)行直接控制；調(diào)度室除了進(jìn)行節(jié)目傳送，還要對監(jiān)聽監(jiān)測信息進(jìn)行處理和反饋[2]。

圖1 控制系統(tǒng)配置圖

此外，從數(shù)字調(diào)幅中波廣播發(fā)射機(jī)的組成框架來看，主要有四大部分，分別為機(jī)體電源、機(jī)體音頻、機(jī)體射頻、機(jī)體控制。其中機(jī)體電源部分由電源、冷卻散熱系統(tǒng)、空氣過濾網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控所組成；機(jī)體音頻部分由調(diào)制編碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換板、模擬輸入板、直流穩(wěn)壓板所組成；機(jī)體射頻部分由頻率合成器、緩沖放大器、驅(qū)動(dòng)前級、射頻末級、推動(dòng)電源調(diào)整器、射頻狀態(tài)指示、推動(dòng)級功放器、射頻分配器、功率合成器、發(fā)射機(jī)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組成；機(jī)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖2），就是要讓機(jī)體內(nèi)部的采集板接口與電路形成有效連接，從而能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)的開啟和關(guān)閉進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行跟蹤檢測，且具有實(shí)時(shí)獲取發(fā)射機(jī)運(yùn)行情況功能參數(shù)的功效、具有對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和對故障進(jìn)行查詢的功效、具有遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控的功效、具有手動(dòng)開關(guān)和定時(shí)開關(guān)機(jī)任意切換功能。

圖2 中波廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的中波發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)主要是依靠遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)主要由主控單元、電源控制單元、功效控制單元構(gòu)成，電源控制單元的功能是控制系統(tǒng)的開關(guān)，功效控制單元的主要功能是控制音頻。

中波調(diào)幅發(fā)射機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其電磁環(huán)境是十分復(fù)雜的，因此數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和識讀，很有可能受電磁干擾而造成數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)失真，故而對中波調(diào)幅數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)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(zhuǎn)換口在ARM處理器與數(shù)字集成電路之間實(shí)施信號串行以解決電磁干擾問題。依據(jù)圖2所示，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其技術(shù)要求主要有以下三點(diǎn)：一是采用26路的模擬量進(jìn)行輸入，從而對入射和反射功率、機(jī)體電源電壓、機(jī)體天線的駐波比、機(jī)體調(diào)幅度等電頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取和記憶存儲(chǔ)；二是通過16路的開關(guān)量進(jìn)行輸入，從而對各個(gè)程度的功率進(jìn)行有效指示，凡是涉及功率指示的故障功率均能被實(shí)時(shí)獲取和記憶存儲(chǔ)；三是通過16路的開關(guān)量進(jìn)行輸出，從而有效控制發(fā)射機(jī)機(jī)體的升降功率，對機(jī)體的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制，對超負(fù)載進(jìn)行報(bào)警提示，對駐波比進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤檢測和提示。

另外，從圖2可以看出，ARM微處理器在整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中處于核心地位，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的處理與發(fā)射頻率合成只是其基本頻率的一環(huán)，ARM微處理器還要參與機(jī)體硬件、機(jī)體軟件的抗干擾，因此要實(shí)現(xiàn)中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，ARM微處理器的選型是十分關(guān)鍵和重要的[4]。

3 基于ARM 7的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由前文可知，ARM微處理器的選型對于數(shù)據(jù)的采集和處理至關(guān)重要，基于ARM 7開展硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以為中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)開展數(shù)據(jù)采集與處理提供硬件支撐。

3.1 濾波電路

由于從發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)采集板獲取的參數(shù)指標(biāo)，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(shù)轉(zhuǎn)換芯片連接的，因此需要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整轉(zhuǎn)換。比如，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的取樣電路把電流量轉(zhuǎn)為電壓量，通過標(biāo)準(zhǔn)的恒流源電路把電阻量調(diào)整轉(zhuǎn)換為電壓量，而后再開展模數(shù)的轉(zhuǎn)換；還可以利用差分電路，調(diào)整轉(zhuǎn)換信號的極性，等有關(guān)信號被轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行濾波，各種信號通過濾波電路之后，再進(jìn)入模擬數(shù)字（Analog to Digital，A/D）轉(zhuǎn)換電路。本次設(shè)計(jì)采用低通濾波器，此種濾波器已被普遍應(yīng)用于各種傳輸電路中的噪聲抑制，具有安裝方便、價(jià)格適中、體積小、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

筆者在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，傾向于使用AD1674模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)[5]。

3.3 開關(guān)量的擴(kuò)展

經(jīng)過市場調(diào)研和綜合對比，MAX Ⅱ系列中的復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）芯片EPM240具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、輸入/輸出方式靈活的特點(diǎn)，可以作為發(fā)射機(jī)系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)量的擴(kuò)展構(gòu)成，尤其是存在于MAX Ⅱ CPLD內(nèi)中的I/O單位引腳，能在短時(shí)間內(nèi)與發(fā)射臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行有效連接，因而非常適合作為中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開關(guān)量擴(kuò)展構(gòu)成部分。

圖3中的（a）（b）分別為開關(guān)量的輸入、輸出通道示意圖。在開關(guān)量的輸入通道路徑中，可以利用當(dāng)前比較成熟的光電隔離法，使用耦合元器件將電信號調(diào)整轉(zhuǎn)換成為光信號，如圖3中（a）所示，各種電信號經(jīng)過發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換、輸出成為光信號。如圖3中（b）所示，在本文所探究的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，選擇74HC14作為最主要的開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)器件，直接承擔(dān)輸出驅(qū)動(dòng)電路的相關(guān)功能，是將輸入信號進(jìn)行修正后，轉(zhuǎn)化輸出為門電平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)元器件，這個(gè)元器件的結(jié)構(gòu)是由6個(gè)輸入端和輸出端組成的，特別適用于中波發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換輸出。

圖3 開關(guān)量的輸入、輸出通道

3.4 微處理器的體系結(jié)構(gòu)

筆者對ARM7微處理器的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。這是一款32位的嵌入式結(jié)構(gòu)的微處理器，其最主要的架構(gòu)為ARM7TDMI微處理器內(nèi)核，囊括包含8 KB的可供指令和數(shù)據(jù)一起共用的高速緩存，并帶有相關(guān)存儲(chǔ)器、控制器、寫緩沖器、總線仲裁器、時(shí)間發(fā)生器、管理電源單元、通用且具有并行口的總線擴(kuò)展器、可異步通信且能實(shí)現(xiàn)串行口異步收發(fā)的傳輸器等各路元器件。其主要的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)組成為ARM芯片、三電路（電源、復(fù)位、振蕩）、UART接口電路（實(shí)現(xiàn)并行輸入和串行輸出）、JTAG接口（實(shí)現(xiàn)聯(lián)合測試）、隨機(jī)存儲(chǔ)器和閃存等。筆者利用具備圖4所示的微處理器硬件結(jié)構(gòu)的中波調(diào)幅發(fā)射機(jī)開展試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，先后試驗(yàn)多次，獲得多組試驗(yàn)結(jié)果，表1為其中的一組試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 ARM7微處理器的體系結(jié)構(gòu)圖

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，以100 kHz作為數(shù)據(jù)收集采樣的時(shí)間頻率開展取樣，同時(shí)各路轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率也要達(dá)到12位及以上，從試驗(yàn)組所取得的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)下降趨勢，由此判斷該結(jié)果是相關(guān)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(jié)構(gòu)硬件的中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案是可行的。

4 結(jié)語

為了給中波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)提供有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件支撐，本文在基于發(fā)射機(jī)相關(guān)工作原理的基礎(chǔ)上，先提出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并確認(rèn)ARM微處理器是技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵，進(jìn)而探究嘗試基于ARM7微處理器體系結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過試驗(yàn)測試和誤差分析，認(rèn)為設(shè)計(jì)方案是可行的，以期為廣大從業(yè)者提供一些參考。