控制理论与控制工程硕士论文-100KW调幅广播发射机嵌入式控制系统.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 100kw调幅广播发射机嵌入式控制系统 姓名：程雪飞 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：彭继慎 20061128 摘要 随着广播电视发射技术、数字技术、网络技术、信息技术及智能控制技术 的迅猛发展，广播的调制制式不断更新，尤其是自动化控制和智能化控制系统 的应用与推广，使自动监控系统已成为新一代广播电视发射机重要的组成部分。 “有人留守，无人值班”播出发射形式已成为现代化广播电视发射台的发展趋 势。 本文采用a r m 作为开发平台，构建了i o o k w 调幅广播发射机的嵌入式自动控制 系统。在该系统中，分别实现了如下各项功能： 实时数据采集； 控制命令下发； 智能时间管理； 自动调谐； 自动切换运行模式； 故障监测与报警。 该系统经过用户验收，能够达到各项技术指标，运行平稳，成功地优化了客 户方发射机房的控制系统。该系统具有较好的通用性，稍做扩展即可用于各种 发射机的监控。 关键词：嵌入式系统、a r m 、发射机、广播 a b s t r a c t a l o n gw i t hb r o a d c a s tt e l e v i s i o n 订a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y , d i g i t a lt e c h n o l o g y , n e t w o r k i n g ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g ys w i r la n d v i o l e n td e v e l o p m e n t 1 1 1 em e d i u mw a v eb r o a d c a s tm o d u l a t i o ns e r v i c ep a t t e r n r e n e w su n c e a s i n g l y ，i np a r t i c u l a ra u t o m a t e dc o n t r o la n di n t e l l e c t u a l i z a t i o nc o n t r o l s y s t e ma p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o n ，c a u s e st h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mt o b e c o m et h en e w g e n e r a t i o no f b r o a d c a s tt e l e v i s i o nt r a n s m i t t e ri m p o r t a n t c o n s t i t u e n t 。t h ef o r mo f n o b o d yk e e p i n gw a t c ha n ds o m e o n er e m a i n i n gh a sb e c o m e t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f m o d e r n i z e db r o a d c a s tt r a n s m i t t i n gs t a t i o n i nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sa r m ，c o n s t r u c t i o no fai o o k w a mr a d i ot r a n s m i t t e r se m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m 。i nt h i ss y s t e m ，e a c ho f t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sh a v ea c h i e v e d ： r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ； c o n t r o lo r d e r sis s u e d ： l i n t e l l i g e n c et i m em a n a g e m e n t ： a u t o m a t i ct u n i n g ： a u t o m a t i cs w i t c h i n go p e r a t i o nm o d e ： f a u l tm o n i t o r i n ga n da 1 a r m i n g t h es y s t e mi su s e ra c c e p t a n c e ，b ea b l et om e e tt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ， s m o o t h o p e r a t i o n ，s u c c e s s f u l l yo p t i m i z e t h ec o n t r o l s y s t e m o ft h ec l i e n t s l a u n c h i n gr o o m 。t h es y s t e mh a s ab e t t e ro v e r a l l ，as l i g h te x p a n s i o no ft h e m o n i t o r i n gc a nb eu s e di nv a r i o u st r a n s m i t t e r s 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m 、a r m 、t r a n s m i t t e r 、b r o a d c a s t 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i 1 概论 1 1 项目背景 随着广播影视设备的数字化进程加快以及目前电子技术和计算机技术 飞速发展，广播影视设备的自动监测控制和遥控遥测成为发展的必然趋势， 这其中蕴含着巨大的市场。方面发射机控制系统在发射机系统各组成部分 中的地位越来越重要，发射机控制系统及其遥控遥测系统已经作为独立的产 品走向市场不再仅仅是发射机的附属品，而且市场前景广阔：另方面在大 部分可采用通用模块完成的项目分散投入了入力和资金，资源的重复使用造 成了不必要的浪费。 广播、电视发射机是一套综合的电子系统。正常工作时，除了必须保证 发射机自身的若干性能指标处于正常范围，还必须保证它的工作条件如供电 电压、环境温度等也处于正常范围。早期的发射机系统由人工定时监测，手 工记录，这样做不仅工作量大，而且由于疲劳等其它各方面因素影响，有可 能造成差错甚至事故。另一方面由于我国的地理、经济因素及历史发展原因， 无线传输在我国广播电视业中仍占主导地位，并将进一步加强。由于无线发 射台往往设立在城郊或远离城市的高山上，有的达到海拔几千米，交通不便、 人烟稀少、环境恶劣、条件艰苦，迄今几乎所有的发射台、差转台都需要人 工值守，耗费大量人力物力，维护费用极高。目前国内发射机遥控遥测系统 的产品化进展缓慢。由于早期的发射机多使用电子管，设备稳定性差，故障 率高，实现无人值守或遥控遥测不大可能。而在固态化改造方面，由于发射 机厂家众多，型号不一，再加上发射机房恶劣的电磁干扰环境，对产品的研 制工作带来很多困难，以致目前还没有成熟的遥控遥测系统出现。部分进口 发射机带有遥控遥测软件，但多数功能简单，不适合中国国情；尤其都是单 机版软件，无法实现系统联网，不能实现发射台全台系统的远程遥控遥测。 固然有些大型电视台自行研制了遥控遥测系统，并已投入使用，但多是针对 自身情况“量体裁衣”，没有很好地解决通用性问题，不能形成产品，大 面积推广。这是目前市场上没有同类型产品出现的重要原因。 基于以上分析，开发一套相对通用、稳定可靠、界面友好，同时具备遥 测遥控遥信遥调功能的相对完善的发射机控制系统对于发射机的发展和使 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 用意义深远。 1 2 发射机自动控制系统概述 采用自动控制技术、检测技术和计算机网络技术，可以将广播电视发射 机以往人眼“监视”和人工“巡视”的传统工作方式，转换为计算机实时“监 控”的先进模式；系统注重遥控、遥测的实时性和监控信息的丰富性，对发 射机进行实时在线式测试，对重点参数实施动态检测，采取多种抗干扰措施， 确保稳定工作。对广播、电视发射机的本地及远程实时控制，对其运行参数 及运行状态进行实时监测，具有自动开关机、故障点定位、故障记录、故障 报警、指标检测、报表统计、数据管理、数据查询、网络数据共享、i n t e r n e t 远程访问等功能，实现广播、电视节目发射的自动化，做到“有人留守、无 人值班”，甚至“无人留守”。本系统将适用于本单位及其它厂商的各种 类型的中波、短波、调频、电视发射机，适用于电子管、全固态发射机，适 用于各种进口、国产发射机，适用于各级发射台。下面将分为下位机( 发射 机本机控制单元) 和上位机( 机房监控单元) 两部分，分别介绍它们的功能。 a 本机监控单元 本机监控单元实现包括自动开、关机，状态控制，参数调整，模拟量、 开关量的获取，风机自动切换，自动启用备机。实时监测显示发射机各单元 的运行参数，实现超限报警、故障报警、故障自动定位、故障自动记录、故 障诊断、故障查询。下面分为几个部分介绍： 发射机数据的实时采样和控制：主要包括发射机输出功率检测、发射机 驻波比检测、频率检测、水位检测、温度检测以及反射功率等，模拟输出包 括高前调谐、高末调谐等。 故障报警及故障诊断功能：主要包括对发射机过流、过载故障报警并且 实时记录；自动调谐过程中出现的故障进行诊断和报警；发射机运行过程中 出现的部分故障进行诊断和报警。报警手段主要有声音报警、操作界面报警 并实时上传。 自动控制功能：主要包括运行时间表管理、自动定时开关机功能、自动 频率输出功率调节功能。 自动校时功能：自动校时保持与机房时间同步。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 保留手动功能：通过硬件实现自动功能和手动功能的切换，手动模式时 发射机脱离自动控制系统由手动操作以备特殊情况下的需求。 b 机房监控单元及遥测遥控 发射台内部联网，各机房数据在数据库服务器集中，所有数据通过光缆 或电话线等多种传输手段传输到广电中心，并入中心网络，以便在中心值班 室进行遥测、遥控，及方便广电中心各级领导实时了解各发射台的工作情况。 技术人员还可在家通过拨号上远程遥测网，从而了解发射机的状况，还可远 程指导发射机的维护、维修工作。数据的管理包括：定时抄表；当前数据查 询；历史数据查询；故障数据查询；自动生成周、月、季、年报表；自动生 成专家库等。系统具有报报警功能，当出现设备故障或参数超限时，系统除 了声光报警外，还具有电话报警功能，系统设计多门固定和移动电话，可实 现自动拨号，语音重复报警。i n t e r n e t 浏览功能，设计专用网站，在异地 通过互联网即可查询发射机工作状态。可选配指标检测、视频监控、信号监 测功能。发射机房内配有视频监视系统，摄像机及远程遥控功能，可远程实 时监视机房状况及每台发射机的工作状态，以便实现无人值守。 c 性能要求 本系统综合考虑可靠性、通用性、先进性、兼容性、可扩展性及低成本 几方面进行设计。 可靠性： 广播电视播出系统设计要把可靠性( 安全性) 放在第一位，特别是发射 机功率强，存在较强电磁辐射，环境十分恶劣，对系统的安全性设计提出了 高要求，对于数据的采集和传输也将产生较大影响。系统设计采取了以下措 施来提高可靠性： 充分运用了本单位多年从事广播电视发射机及其控制系统研制，在发射机设 计和自动控制上获得的成熟技术和成功经验。 选用近年来国际上的新技术、新器件，采取隔离、屏蔽、高压保护、合 理接地等措施，防止高压、雷击等因素引起的系统损坏，并保证数据采集的 准确性。 多采用抗干扰能力强，可靠性高的总线形式如以太网、光纤、c a n 总线， 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 这些总线都采用差分技术具有较强的抗干扰能力。通信线采用屏蔽线提高抗 干扰能力，在干扰特别强的地方如高压电源采用光纤代替通信电缆提高可靠 性。 数据通信采用误码校正技术，实行双向通信，使用完善、严格的通信协 议和格式。 采用联锁保护技术保护关键件免受损坏。 采用硬件“看门狗”技术，避免外界环境造成的死机，确保数据的恢复。 自动控制与手动控制并存，手动优先于自动，以便紧急情况下运用人工 干预。 通用性： 开发相对通用的控制平台为广播、调频、电视发射机应用，提高生产效 率，节约成本。其通用性主要表现在以下几个方面。 通用的数据采集电路和控制电路；通用数据采集电路完成状态量控 制、状态量回读、模拟量控制、模拟量采集，模拟量中包含正负电压、正负 电流及压差信号。通用数据采集电路通过系统控制总线或电缆网络与数据处 理电路或处理器相连。通用数据采集电路与主控电路之间采用电缆网络或总 线相连，端口数量可增可减，同类端口可随意调换，硬件参数与软件配合可 任意调节，以适应不同发射机的信号特征。 通用的接口和协议：发射机本机控制单元和机房监控单元之间使用 以太网连接，接口通用；采用统一的应用层协议，发射站增加一台发射机就 像添加一台办公p c 那么简单。 模块化硬件结构：系统硬件全部采用模块化结构，各类模块的数量 可增可减，可有可无，使系统适用于不同规模的需求，也便于扩充、升级、 维护。根据不同的发射机进行不同的配置。模块化软件结构：系统软件也采 用模块化结构，透明性好，各种参数设置灵活方便，可以根据发射机进行裁 减扩充，便于功能扩充、设备更新，也便于现场调试。 其它： 先进性主要表现为使用先进的嵌入式技术、工业以太网技术、联锁保护 技术和可编程器件应用技术。模块化设计和以太网技术兼容性好，便于扩展； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一次设计长期使用大幅度的削减了开发成本。 1 3 国内研究现状 就目前现状而言，已经开发的大部分监控系统档次较低，主要表现为： a ，软硬件运行不稳定，整机和控制单元经常出现故障； b 人机界面不友好，操作使用不方便： c 反应速度慢给客户不好的印象； d 自动化程度低，功能不够完善； e 基本都没有实现遥控遥测功能，就更不用说遥调和遥信功能了： f 接口不友好与发射台其它设备互联要专门定制接口。 另一方面由于专用性和重复开发致使成本较高，对于降低发射机的制造 成本极其不利，同时由于几乎每个项目都要单独开发监控系统对于交货期较 短的项目非常不利。 综上所述，开发一套相对通用的发射机控制平台对于提高产品质量、降 低成本和缩短项目开发周期都具有至关重要的作用，己经成为本单位的迫切 需求。另一方面自动化智能化和遥控遥测已经成为发展方向，成为我们必须 迈出的一步。基于此本系统采用了先进技术，分散控制集中管理的设计方案， 利用计算机信息管理技术，对发射机的各部分进行实时监测和控制，实现对 整个发射台的综合测控和远程检测管理。 1 4 本文的研究工作 深入调研，熟悉发射台业务，了解发射台的现状以及发射台自动化建设 的需求，发展趋势；学习掌握常见发射机的工作原理、电气特性以及重要参 数；根据掌握的知识完成发射机本机控制单元( 下位机) 的设计工作。本文 采用a r m 作为开发平台，构建了i o o k w 调幅广播发射机的嵌入式自动控制系 统，替代了原有的p l c 控制系统。不仅功能可以更好的实现，而且大大降低 了成本。在该系统中，分别实现了实时数据采集、控制命令下发、智能时间 管理、自动调谐、自动切换运行模式、故障监测与报警。并且将原来的p l c 的梯形图语言用c 语言替换，完成自动调谐部分的程序编写。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 2 发射机工作原理 广播电视技术系统由节目制作、节目播出、节目传送、信号发射、信号 监测和信号接收五个环节组成。从把声音和图像转换为可传播的信息载体， 通过传播、接收，再还原成声音和图像。这个过程像一根“链条”一样，上 述五个技术环节都是组成这个完整“链条”不可分割的一部分，就是说这个 “链条”是一个系统工程，是传播声音和图像的通道。 其中信号发射是把广播电视节目信号调制在广播电视发射机的载波上， 通过馈线送往天线向空中辐射出去。 对于广播发射机来说，信号发射的任务由安装在广播发射台内的广播发 射机来完成。发射机通过通过天馈线发射无线电波，供听众收听。 2 1 发射台组成 发射台的主要设备是发射机及其天馈线系统。节目传送设备包括卫星地 面接收站、微波机房、短波收音机房和光缆、电缆信号调节机房。电源设备 包括变电站、配电间。电源设备应有主用和备用两套。冷却设备包括水冷系 统和风冷系统。此外还应有监测监听设备。技术先进的发射台还有自动化设 备，利用微机进行自动程序控制，实现有人留守、无人值班。 2 2 发射机及其相关设备构成 图2 1 为发射机及其相关设备方框图。节目传送机房可以通过卫星、微 波、短波、电缆、光缆等方式，接收广播节目信号，送往调度室。调度室的 任务是统一控制发射台节目种类，如发射机的使用频率、天线方位，并进行 监测监听。广播发射机安装在发射机房内，每个机房可能有几部发射机( 包 括备份机) 。一个发射台可能有几个发射机房。发射线将射频电流变成电磁 波，并向空间辐射。一部发射机可以切换使用多个方向的天线。电源系统包 括包括交流电源和直流电源。交流电源主要供给各整流器、动力设备、电控 系统、照明。直流电源主要供给节目传送机房、广播发射机、微机控制、调 度室。通过微机控制实现发射机及其相关设备自动开关机、工作状态参数( 电 压、电流、功率等) 自动巡检、打印、故障报警、倒备机、自动调谐。发射 机大功率电子管及其相关元器件需要进行水冷或风冷，保护它们正常运行。 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 图2 1发射机及其相关设备方框图 2 3 调幅广播 各种广播的目的都是为了把信息远距离的传送出去。传送的工具就是高 频电磁波( 载波) 。把要传送的信息称为调制信号，把信息寄载到高频电磁 波上称为调制。用调制信号去控制高频电磁波( 高频振荡) 的任一参数的变 化即可实现调制。目前声音广播类型主要有调频广播和调幅广播。 下面详细介绍本系统涉及到的调幅广播。 应用调幅技术进行广播称为调幅广播，其频段在3 0 m h z 以下( 包括中波 和短波) 。 2 3 1 调幅和调幅度 幅度调制一高频振荡的幅度随着调制信号幅度的变化而变化称为幅 度调制，简称调幅。( 见图2 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 八八八八八f vvvvvv 二 图2 2 幅度调制 用一个音频信号i n = ，nc o s q t 调制一个载频信号i r = i rc o s ( c o t + 妒) ，得 到一个调幅信号，其表达式为： i ( t ) = ( i r + i nc o s o t ) e o s ( o , t + 咖 2 硼+ 鲁c 。s n t ) c 。s + 妒) 2 ，r ( 1 + m c o s f i t ) c o s ( c o t + 咖( 2 - 1 ) 式中： i n 、q 分别为音频信号的振幅、角频率；i r 、彩、舻分别为载波 信号的振幅、角频率、初始相位：m = 每为调幅度。 调幅度又分为上调幅度m 上和下调幅度脚下，他们分别为： 搠l2 i m a * ，- - 7 1 7 业x 1 。( 2 2 ) 脚下= j ；生坚，。( z 一3 ) 所：叠坚鱼( 2 4 ) l m z m n 调幅度反映了载波振幅被调制的程序。如果坍= 0 ，标志着没有调制信号， 发射的只是载波。如果朋= 1 0 0 ( 即i 一= 0 ) ，说明载波幅度完全用于传送 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 调制信号。如果m 1 0 0 ，称为过调制，过调制将产生失真。 2 3 2 调幅波的频谱 利用三角公式将信号表达式展开： i ( f ) = i r ( 1 + 川c o s q 力c o s ( 垃“ + 劝 = i r c o s ( 一o t + 咖+ 三硝，c o s 【 + q ) f + 纠+ 三脚，c 。s 【一q ) f 一纠 ( 2 - f i ) 可见，在已调幅波振荡的频谱中有一个载频和两个边频( 上边频和下边频) ， 调制信号频谱和调幅波谱示于图2 3 ( a ) 。如果调制信号不是一个单音频， 是语言或音乐节目，则两个边频就变成了两个边带( 上边带和下边带) ，如 图2 3 ( b ) 所示。 口一。 岔 口+ o ( a ) 口一o ，口一o l 口 中+ 0 l 口+ 0 3 ( b ) 图2 3 调幅波的频谱 图2 3 中0 9 十q ，珊一q 分别为上、下边频；国+ q l 、+ q 2 分别为上边 带的低、高界频；棚一q ，、一q ，分别为下边带的高、低界频。 2 3 3 调幅广播的调制方式 目前，我国大功率调幅广播发射机制式有：板调( a m ) 、脉冲宽度调制 ( p i m ) 、脉冲阶梯调制( p s m ) 、单边带调制( s s b ) 、数字调制( d m ) 、幅相调 辽宁工程技术大学硕十学位论文 1 0 制和3 d 调制。 下面详细介绍本系统使用的脉冲阶梯调制( p s i d ) 。 脉冲阶梯调制( p s m ) 就是把音频模拟信号转换成数字信号，再应用数 字处理技术将其输出迭加成能够反映音频信号变化规律的阶梯波形，其优点 就是将高压整流器和调制级合二为一。 脉冲阶梯调制方框图如图2 4 。 静颧铸弩 图2 4 脉冲阶梯调制方框图 p s m 控制系统将输入音频信号转换成为用0 和l 表示的数字信号，并对 这些数字信号进行加工处理，产生能够控制p s m 调制级中3 2 个( 或4 8 个) 电子开关开启和关断的循环脉冲信号。 2 4 自动控制系统设计 d f i o o a 短波发射机自动控制系统设计，本着保障安全播音，提高设备可 靠性的目的，采用先进的工业控制技术、计算机技术以及信息科学处理技术， 先进的材料和元器件，做到了高质量、高可靠性设计，实现了发射机的自动 监测和控制功能，大大提高了工作效率，为无线广播事业的进一步发展注入 了新活力1 2 4 1 自动控制系统特点 该自动控制系统采用上下位机模式。上位机通过r s 一2 3 2 串行口与下位 机a r m 通讯。 上位机采用高可靠的工业控制计算机和基于组态王为开发平台所开发 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的人机对话界面。所开发的人机对话界面友好，简单直观，大方得体，色彩 丰富，给人很好的视觉效果，不易造成视觉疲劳。对发射机的控制全部封装 于程序中。 下位机采用a r m 作为微控制器。a r m 的高性能、低功耗等使控制功能很 好的实现。 该自动控制系统的兼容性强。整个系统采用模块化结构。所有的输入输 出接口都按照统一的标准制作，可扩展空间大，模块之间相互独立，互不影 响，可方便维护，还可以根据不同的用户需求进行快速升级。更换系统其中 的任何一部分，都不会影响到其他部分的正常工作。 该自动控制系统具有强大的控制功能。手动、全自动、半自动三种工作 模式可以方便、准确的控制发射机，使发射机在最佳的状态下稳定的工作。 远程操作可以方便的在控制室内实现对每部发射机的运行图修改，控制发射 机的开机、关机以及自动调谐等。 该自动控制系统具有丰富的监测功能。该系统具有全面的状态监测、丰 富的故障诊断报警、详实的数据记录、强大的数据统计查询和工作日志管理 等功能。 融合开关交换系统。发射机自动控制系统与天线交换开关控制系统相结 合，能够实时检测并显示当前发射机天线的使用状态。如果在换频的同时需 要切换天线，下位机在加高压前监测天线是否到位，只有天线切换正常到位 后才能加高压；若天线交换开关在规定时间内不能切换到位，则进行严重的 声光报警。 该自动控制系统具有先进安全的系统设计。 a 系统所有采集设备具有隔离能力； b 系统所有信号线符合屏蔽要求； c 计算机和网络具有足够的抗电磁干扰能力：整个自动控制系统具有 良好的抗干扰性，能在发射机房稳定工作。 规范的改造工艺。我们按照i s 0 9 0 0 1 质量管理体系及公司的规范生产规 程在l o o k w 短波发射机自动控制系统的生产过程中：制订了规范、严格的改 造工艺：按照发射机要求生产工艺规范，组织采样电路板、传感器的生产、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 调试、安装，机械零部件的加工、安装，a r m 控制系统的组装、连线，网络 系统的布线等。 2 4 2 自动控制系统主要功能 单机自动控制系统的主要功能如下： a 工作模式切换； b 运行时间表管理； c 自动开关机； d 自动倒频、调谐； c 实时监测； e 故障报警； f 自动校时； g 工作日志管理。 工作模式： 手动操作的优先级最高。手动自动控制方式相互独立，互不影响。 在手动控制模式工作时，自动控制系统能通过操作画面实时监测发射机 的工作状态，但不起任何控制作用。 在自动控制模式工作时，手动操作被屏蔽；但可以通过半自动方式进行 操作，包括对自动调谐状态和发射机工作状态进一步的手工调整。 运行时间表管理： 在任何工作模式下，单机控制单元都能够通过此项功能接受发射机机房 监控单元下发的运行指令，自动更新单机运行时间表；然后，自动控制系统 根据运行时间表，实现对发射机的自动开机、自动关机、自动倒频、自动播 音等控制功能。 自动开关机： 自动控制系统根据运行图，在每天第一次播音前当时间到达“提前开机 时间量”时，发射机就会自动合主控预热灯丝，并在播音前三分钟开始加高 压调谐；在每次播音结束后，也可进行下个播音时段频率的预调谐，加高压 至高功率进行测试，为下次播音做好充分准备。 当两条相邻播音间隔超过 设定的“最大间隔时间量”时，发射机将在播音结束后三分钟自动断主控。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 伺服系统； 自动调谐系统由8 路伺服组成， 一高前调谐 一高末调谐电容 一高末负载电容 一高末负载线圈前棒 一高末负载线圈顶棒 一高末负载线圈后棒 一谐波滤波器 一平衡不平衡转换器 自动调谐系统： 自动调谐系统是模拟人工调谐的思路，利用机电元件来模拟手动调谐的 过程，在一定条件下完成一定精度的调谐。这是种新的尝试，实践证明是 可行的、可靠的。 模拟人工调谐的方式彻底解决了采用鉴相器自动调谐方式存在的，由于 在整个短波频段内频率响应不一致而造成自动调谐在某些频点失败的问题。 同时系统还提高了对伺服马达控制的精度。 半自动调谐： 在自动状态下，可以由人工进行半自动细调谐，完全按照手动调谐方式， 把发射机调至所需要的最佳状态。 自动状态时，调谐的主动点的控制电压是由a r m 输出的。 半自动时，人工按住“允许调谐”按钮，通过转动发射机机器面板上的 半自动频道的高前调谐、高末调谐、高末负载、平衡不平衡转换器以及谐 波滤波器中任何一个旋钮，则a r m 就会输出相应的控制电压，使相应的马达 就在原来自动的位置上随手动旋钮的转动而转动，从而实现半自动调谐。 实时监测： 自动控制系统具有强大丰富的监测功能，它将对发射机的实时工作状态 进行全方位的监测。而且，系统还预留了丰富的监测单元，可方便的进行扩 展。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 系统实时监测部分，主要包含着模拟量数据的采样和开关量数据的采 样。其中，模拟量数据主要是发射机的表值和伺服马达位置；开关量数据主 要是发射机运行过程中的工作状态以及本身组成部件的状态。自动控制系统 共采集3 l 路模拟量： a 8 路伺服电机随动点电压的取样； b 1 6 路发射机表值的取样： c 5 路半自动调谐的取样； d 2 路调谐系统参考电压的取样。 此外，系统还具有8 路控制伺服马达的输出控制模拟量。自动控制系统 共采集3 1 路开关数字量： a 4 路门开关信号采样； b 6 路风水信号的取样： c 8 路过流信号的取样； d 1 3 路工作状态信号的取样。 故障报警： 自动控制系统所有报警都具有声音报警和计算机操作画面报警，同时将 故障信息记录于单机控制单元的工作日志中，报警信息实时上传到远程控制 单元。自动控制系统能够： a 对发射机过流过载实时监控： b 对冷却系统中的风力、水流、水位实时监控； c 调谐和播音中对激励、功率实时崎控。 上述故障任何一个出现后，状态栏中都会显示相对应的故障名称，同时 对应故障的画面自动弹出，对应故障点的图标变成红色并且闪烁。除此之外， 系统主要有下面几种类型的报警： a 过荷故障报警； b 调谐故障报警； c 运行故障报警。 自动校时： 校时：以g p s 时间为基准，对总控桌服务器的时钟进行校时；然后服务 辽宁工程技术火学硕士学位论文 器再集中对各部发射机的单机控制系统进行自动校时，保证整个自动化系统 时间的准确性。 工作日志管理： 自动化系统单机控制单元的工作日志包括：表值记录、故障及告警记录 以及数据查询等。 a 调谐完成后自动抄表一次； b 整点播音中自动抄表一次； c 发射机出现过流自动抄前一时刻记录表一次。 图2 5 所示为发射机自动控制系统框图。 2 5 方案选择 根据自控系统的的特点和其要实现的功能，本系统提出了两种方案，一 是在原有的p l c 控制系统的基础上完善发射机的控制功能。一是采取a r m 嵌 入式处理器作为控制核心。由于a r m 是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片， 随着a r m 的功能日益完善，性能更加稳定，完全可以实现发射机下位机控制 系统所要完成的任务。同时考虑到使用a r m 芯片，成本会大大降低，效率也 会提高很多，同组工作人员对p h i l i p s 系列芯片使用比较熟练，综合各项因 素，最终决定使用a r m 芯片，选用p h i l i p s 系列芯片l p c 2 2 9 4 作为本嵌入式 控制系统的主控芯片。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 6 图2 5 发射机自动控制系统框图 辽宁工程技术大学硕士学位论文j 7 3 基于l p c 2 2 9 4 的a r m 嵌入式系统设计 3 1 系统的开发平台 本系统采用嵌入式系统及a r m 为开发平台，再加上外围设备构成系 统来实现对l o o k w 调幅广播发射机的控制。 3 1 1 嵌入式系统“1 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系 统。它并不是最近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展， 微控制芯片功能越来越强大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从 而使得这种技术越来越引人注目。嵌入式系统与通用的计算机系统既有相似 之处，也有明显区别。通常，嵌入式系统中的系统程序( 包括操作系统) 和 应用程序是浑然一体的。这些程序被编译连接成一个可执行的二进制映像文 件( i m a g e ) ，这个二进制映像文件被固化在系统中，在系统复位后自动执行。 嵌入式系统的开发系统和实际运行的系统并不相同，需要交叉编译系统和适 当的调试系统。 本系统采用的是uc 0 s l i 嵌入式实时操作系统。uc o s i i 是一个完 整的，可移植、固化、裁减的占先式实时多任务内核。uc o s i i 使用a s c i 的c 语言编写的，包含一小部分汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理 器使用。至今，从8 位到6 4 位，uc 0 s i i 已在超过4 0 种不同的架构的微 处理器上运行。它具有以下特点： a 有源代码源代码清晰易读，且结构协调： b 可移植性( p o r t a b l e ) pc o s i i 源代码绝大部分是用移植性很 强的a s c ic 写的，与微处理器硬件相关的部分是用汇编写的。汇编语言写 的部分已经压到最低限度，以使uc o s i i 便于移植到其他微处理器上。如 同uc o s ，uc 0 s i i 可以移植到许许多多微处理器上，条件是：该微处理 器具有堆栈指针，具有c p u 内部寄存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编 译器必须支持内嵌汇编( i nl i n ea s s e m b l y ) ，或者该c 语言可扩展和可链 接汇编模块，使得关中断和开中断在c 语言程序中实现。uc o s i i 可以 在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以致6 4 位微处理器、微控制器及数字信号处 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 理器( d s p ) 上运行； c 可固化( r o m a b l e ) hc o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意 味着，只要具备合适的系列软件工具( c 编译、汇编、链接及下载固化) ， 实际上就可以将uc o s i i 嵌入到产品中作为产品的一部分； d 可裁减( s c a l a b l e )可以只使用pc o s i i 中应用程序需要的系 统服务。也就是说，某产品可以只使用很少几个pc 0 s i i 调用，而另一个 产品可能使用了几乎所有uc 0 s i i 的功能，这样可以减少产品中“c o s i i 所需的存储器空间( r a m 和r o m ) 。可裁减性是靠条件编译实现的，只要在 用户的应用程序中( 用# d e f i n ec o n s t a n t s 语句) 定义哪些uc o s i i 中 的功能是应用程序需要的就可以了； e 可剥夺性( p r e e m p t i v e ) uc 0 s i i 是完全可剥夺型的实时内核， 即c 0 s i i 总是运行就绪条件下优先级最高的任务。大多数商业内核也是 可剥夺型的，i ic 0 s i i 在性能上与它们类似； f 多任务“c o s i i 可以管理6 4 个任务；然而一般建议保留8 个， 留给nc o s i i 。留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。赋予每个任务 的优先级必须是不同的，这意味着uc o s i i 不支持时间片轮转调度法 ( r o u n d - r o b i ns c h e d u l i n g ) 。该调度法适用于调度优先级平等的任务； g 可确定性绝大多数儿c 0 s i i 的函数调用和服务执行时间具有可 确定性。也就是说，用户总是能知道uc o s i i 的函数调用执行了多长时间。 进而可以说，除了函数o s t i m et i c k 0 和某些事件标志服务，pc o s i i 系 统服务的执行时间不依赖于用户应用程序任务数目的多少； h 任务栈每个任务都有自己单独的栈。uc o s i i 允许每个任务有 不同的栈空间，以便压低应用程序对r a m 的需求。使用uc 0 s i i 的栈空 间校验函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空间； i 系统服务 pc 0 s i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥型信 号量、事件标志、消息邮箱、消息队列、信号量块儿大小固定的内存的申请 与释放及时间管理函数等； j 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高 的任务被该中断唤醒。则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 中断嵌套层数可达2 5 5 层； k 稳定性与可靠性 nc 0 s i i 是基于l lc o s 的，i ic o s 自1 9 9 2 年 以来已经有数百个商业应用。uc 0 s i i 与uc o s 内核是一样的，只是提 供了更多的功能。另外2 0 0 0 年7 月，l lc o s i i 在一个航空项目中得到了 美国联邦航空管理局对用于商用飞机的，符合r t c ad o - 1 7 8 b 标准的认证， 该标准对用于航空设备方面的软件提出了要求。为了符合这一标准，必须尽 可能地通过文件描述和测试。展示软件在稳定性与安全性这两方面都符合要 求。这一结论对于操作系统来说特别重要，因为这一结论表明，该操作系统 的质量得到了认证，可以在任何应用中使用，为了表明| lc 0 s 一1 i 具有足够 的安全性与稳定性，能用于与人性命攸关的、安全性极为苛刻的系统，p c o s i i 的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经过了考验与测试。” 3 1 2a r m 简介川”7 3 a r m 嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的r i s c 芯片。它由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通 用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 的相关技术。如m o t o r o l a ，i n t e l ，n s ， a t e m l ，p h i l i p s ，a 1 t e r a ，a g i l e n t ，h y n i x ，n e c ，s h a r p ，t r i s c e n d ， s a m s u n g ，和l i n k u p 等公司都有相应的产品。目前a r m 芯片广泛应用于无 线产品，p d a ，g p s ，网络，消费电子产品，s t b 及智能卡。在2 0 0 0 年，基 于a r m 内核的处理器年产量突破5 亿个，市场份额超过了7 5 ，已经成为业 界的龙头。“1 a r m 所提供的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 内核有以下几个系列：a r m 7 、a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m i o 、s e c u r c o r e 、s t r o n g a r m 、和i n t e lx s c a l e 。每个系列的产 品的设计都尽量遵循高性能、低功耗的原则以满足用户日益复杂的应用要 求。 a r m 为了增强应用功能，提供了一系列的体系结构上的扩展，具体有： a ，在大型芯片设计中，扩展使用低功耗1 6 位数据总线的t h u m b 压缩指 令集以降低系统功耗； b 增强乘法器以改进处理性能； c ，a r m 9 系列处理器的实时跟踪方案e m b e d d e d l c e r t 可以增强实时功 辽宁工程技术大学硕士学位论文 能； d 扩展d s p 功能以增强a r m 处理器在数字信号处理( d s p ) 应用方面的 性能； e 扩展j a v a 加速技术j a z e l l e ； f 单指令放大数据s i m d 可以增强多媒体应用性能。“1 3 2p h i l i p s 系列芯片l p c 2 2 9 4 本系统采用p h i l i p s 系列芯片l p c 2 2 9 4 作为控制部分的主控器件。 3 2 1l p c 2 2 9 4 芯片介绍皓1 l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s t mc p u ，并带有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下 运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降 低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 4 ( l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 4 ) 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中 断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。 l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 包含7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 ( 单片) 个g p i o 口。由 于内黄了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器 以及其它各种类型的应用。 3 2 ，2l p c 2 2 9 4 特性 a 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装： b 1 6k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽接 口加速器可实现高达6 0 m h z 的工作频率； c 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 年i 在应用编程( i a p ) 。 5 1 2 字节行编程时间为i m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ； d e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任 务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； e 2 4 ( l p c 2 2 9 2 2 2 9 4 ) 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器。多 个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 l 和2 个s p i 接口； f 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 l js ； g 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输 出) 、实时时钟和看门狗； h 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； i 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ， 数据宽度为8 1 6 3 2 位： j 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的 外部中断引脚： k 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； 1 片内晶振频率范围：l 3 0m h z ； m 2 个低功耗模式：空闲和掉电； 1 3 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 0 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗； p 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v 0 1 5v