（电工理论与新技术专业论文）广播电视发射机远程实时监控系统.pdf

东北丸学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e m o t ea n dr e a l t i m emo n i t o rs y s t e m o fb r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o nt r a n s m i t t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e n a p p l i e di na l lw a l k so fl i f e ，a n dt h eb r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ee c o n o m y ，p o l i t i c s ，s o c i a l l i v e so fo u rc o u n t r y a sac o r ee q u i p m e n to ft h eb r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o ns y s t e m ，t h e t r a n s m i t t e ra l w a y sw o r k so nt h es t a t eo fh i g hf r e q u e n c y ，b i gp o w e r ，s ot h em a l f u n c t i o n r a t i oi sh i g h ，a n dn o te a s yt om a i n t e n a n c ee t c f o rr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，m a n yn e w t e c h n i q u e sh a v eb e e no nt h ew a yo fr e s e a r c h b r o a d c a s t i n ga n dt vt r a n s m i t t e rr e m o t e a n dr e a lt i m em o n i t o rs y s t e mi so n eo ft h e m t h ep a p e ri sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ha n di n v e n tt h eb r o a d c a s t i n ga n d t e l e v i s i o nt r a n s m i t t e r sr e m o t ea n dr e a lt i m em o n i t o rs y s t e mf o ra n s h a nh a r r i s b r o a d c a s te q u i p m e n tc o 1 t d ，i ti n c l u d e st h ep r i n c i p l eo ft r a n s m i t t e ra n dt h ew h o l ei d e a so f t h es y s t e m sd e s i g n ：i ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h em a i n c h i p s ，a n dr e l e v a n tt e c h n o l o g yt h a ta r eu s e d ；i te n h a n c e st h er e a l t i m ec h a r a c t e rt h r o u g h t r a n s p l a n t i n gt h eg c o s - i it om a n a g em a n yt a s k so f t h ew h o l es y s t e m ；d a t ac o u l db es e n t t ot h eu p p e rc o m p u t e rb yt h el a no rt h ei n t e m e t ，w o r k e r su s et h eu p p e rc o m p u t e rt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h et r a n s m i t t e ri nd i s t a n c e t h es y s t e ma d o p t scl a n g u a g et o d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o no f r e a l t i m em o n i t o ru n d e rt h ei c c a v r k e yw o r dt r a n s m i t t e rr e m o t em o n i t o r a t m e g a l 2 8 i t c o s - 1 1 w e b s e r v e r 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示感谢。 本人签名：温讧 日期：j 彬2 2 矿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北太学硕士学位论丈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的意义及目的 随着国民经济的迅猛发展，人民生活水平的不断提高，我国各省市电视台播 出节目的套数和时间都比以往有大幅度的增加。一些电视台推出了2 4 小时不问断 播出节目的频道。节目的增加丰富了人民的业余文化生活，但同时也对广播电视 系统的可靠运行提出了更高的要求。就广播电视系统而言，由于电视发射机长期 处于高频、大功率发送工作状态，其故障率是发射系统诸设备中最高的，因而降 低发射机的故障率是提高整个广播电视系统可靠性的关键所在。而工作在大功率 广援电视发射机房的值班人员常年在高频、高温和高噪声环境下高度紧张地昼夜 轮班工作，生活不规律，容易疲劳；周而复始的频繁操作、巡机、抄表等不仅劳 动强度大，易产生操作差错，而且常常不能实时反映并记录机器设备的运行状态； 值班人员技术水平参差不齐，往往不能准确判断、及时处理设备故障而延长停播 时间。为了增强广播电视系统的可靠性，为了确保政令畅通、确保广播电视节目 传输的安全，保证发射机等相关设备的正常运转，采用高技术的手段是必然的选 择。保证其高质量、高稳定的工作，把设备故障造成的停播时间降到最低，是当 前急须解决的问题。 随着电子技术的高速发展，微处理器和微型电子计算机的应用迅速深入到各 个领域。微型电子计算机具有体积小、重量轻、价格低、功耗少、速度快、功能 强、可靠性高以及扩展性好等特点，在工业检测控制方面，它己经取代了传统的 测试仪器以及传统的控制方法，使得整个系统具有智能化的实对处理和分析能力， 从而提高了系统质量。广播电视发射机在工作时，人们需要随时知道它的工作状 况，传统的方法是在发射机上安装各种仪表以指示其状态，同时安装各种操作开 关，进行手动控制。利用微机代替上述监视仪表和控制器件，不但能快速实现上 述目的，而且由于微机具有智能，还可以自动开关机、实时记录实测内容以及帮 助分析故障原因等，从而减轻了值班人员的劳动强度和紧张心理，提高了播出质 量。 为广播电视发射机配备一套实时监控系统，可以有效地对发射机各关键参数 进行监测，帮助技术人员准确、及时排除发射机故障，减少平均修复时间。这对 于加强发射机运行的稳定性，保障电视节目的正常播出具有重要的意义。配罱有 实时监控系统已逐渐成为新一代广播电视发射机的发展趋势。 东北托擎硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外广播电视发射机监控系统的发展状况 在国外，首先是意大利人将单片机引入广播发射设备，实现对其工作状态的 监控，时隔不久，美国人用多个单片机实现了对广播发射状态的实时监控，后来， 随着半导体生产工艺的飞速提高，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体 管，工作速度可达到儿g h z ，这为制造各种功能的集成电路提供了条件，这也促 进了单片机的制造技术的提高，世= 界上各半导体公司竞和推出各种高性能，低功 耗，低成本的单片机。从而使得自动化技术成为当代发展最快、应用最j 。泛、最 引人瞩目的高技术之一，是推动新技术革命的核心技术。在某种意义上，可以说 自动化是现代化的同义词。目前同本在广播电视发射机监控系统的应用上走的比 较领先，其中东芝公司广播电视发射机监控系统尤为突出。 在我国，从8 0 年代起，浙江省广播科学研究所和和浙江大学电子计算机系便 共同研制丌发z g y - f m i k w 调频广播发射机的微机实时监控系统，并获得了成 功。进入9 0 年代以来，飞速发展的计算机技术在广播电视发射领域得到了更为广 泛的应用。从调频到中波、短波再到电视，从小功率到中功率再到人功率，从单 一的发射机控制系统，到整个发射台设备的运行管理，微机实时监控系统发挥了 极大的作用，为广播电视发射台“无人值班，有人留守“以及高山台站平地管理化” 奠定了基础。但是，目前我们国内的一些广播电视发射机监控系统生产j 家的产 品监控范围不够全面，键盘输入和l e d 显示也使操作变得比较复杂。 鞍山哈里斯广播电视设备有限公司是家生产调幅、调频电视发射机的专业 企业。在激烈的市场竞争中该企业认识到随着社会的发展，科技的进步，要取 得市场，就必须保证设备的技术先进性。基于此，该企业与我校合作，兆同开发 一系列产品。广播电视发射机远程实时监控系统，就是合作开发中的一个关键项 口。 1 3 系统的主要功能 本文的研究目的是在鞍山哈里斯广播电视设备有限公司制造的发射机的基础 上，增加监控系统，使其具有更强的稳定性，更加简便的可操作性，更岛的可靠 性，并为系统的后继丌发设立接口环境。新的监控系统具有如下功能： ( 1 ) 本地、远程遥控发射机自动开关机。 ( 2 ) 利用采集的模拟量，实时记录工作状态。 ( 3 ) 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， 故障自动记录，故障查询。 ( 4 ) 系统具有报警功能，当山现设备故障或参数超限时，系统用蜂鸣器报警。 ( 5 1 所有的数据可通过局域网传输到监控中心，实现系统的远程监控。 ( 5 1 所有的数据可通过局域网传输到监控中心，实现系统的远程监控。 彖北太章硕士幸位论文 第二章象宝屯方囊设计 第二章系统方案设计 2 1 电视发射机原理 发送电视图象信号和伴音信号的设备叫电视发射机。目前，电视发射机类型 主要有电子管、1 0 t ( 调速警) 、因极管( 含双囱四极管) 和全固态发射视。本文以蹬 极管图声合放模式、单通道型发射机为例对发射机工作原理加以简要说明6 j 【7 j 。 例2i 彩色的电视发射d l 原理框图 f i g 2 it h ep r i n c i p l ef r a m eo f c o l o rt vt r a n s m i t t e r 如图2 ，l 所示，从电视中心来的视频全电视信号和音频信号送入中频调频器， 分别进行振幅调制( a m ) 和频率调制( f m ) ，经校正后，已调中频信号与u h f 本振 高频信号混顿，经变频器变为发射频道的射频信号。由u h f ( 超高频) 功率放大器 放大，最后经带通滤波器，用发射天线将已调制的高频电视信号发射出去。图像 信号的调制与伴音信号的调制过程有所不同。下面将具体介绍其各自的调制特点。 图象信号采用残留边带调幅方式，对中频( 3 7 m h z ) 进行调幅，通常是先进行 双边带调幅，再经残留边带滤波器限制高频电视信号的频率范围。再经群延时校 正、微分增益校正后，送到图象混频器与高频振荡混频，形成高频图象信号。最 后，经高频功率放大馈送到天线，以高频电磁波形式辐射出去。 在伴音发射中，伴音信号经放大后进入伴音调频级，通过对中频振荡调频形 成中频伴音信号。再经伴音混频而变为高频伴音信号( 按我国电视标准最大频偏规 定为5 0 k l d z ) 。最后，经功率放大后馈送到天线，与图象高频信号起以高频电磁 波的形式辐射出去。为了保证图象发射机与伴音发射机有同样的覆盖面积，一般 使图蒙峰值发射功率与伴音有效发射功率之比为l o ：l 。此外，发射机还包括一 些必要的附属设备，如电源、节目输入设备和天线等。发射机监控系统可以随时 监视与检测整个设备系统的工作状态。 2 2 监控系统基本原理 广播电视发射机倚控系统是针对各发射台、站的发射机进行全程监视、自动 东北托学硕士学位论疋第二章系统方案设计 控制的单片机系统。它的应用能大大提高发射机系统的可靠性和可用性。目前常 见的调幅、调频发射机都有各自的控制和保护系统。对原有的发射设备实现单片 机自动监控，应不影响原有设备的正常工作，也即发射机监控系统与发射机原有 的设备系统是两套并行的工作系统。只需为每台发射机加配一个监控系统模块。 将最能反映发射机工作状态的运行参数( 模拟量) 、状态和报警指示( 丌关量) 接到监 控系统。 图2 2 监控系统原理图 f i g 。2 ，2t h ep r i n c i p l eo fm o n i t o rs y s t e m 监控系统本身可以完成模拟量和数字量处理、触摸屏操作、大容量数据存储、 实时液晶显示等功能，并且还可把数据通过r s 2 3 2 或r s 一4 8 5 接口传送到计算机 以进行打印、网络远程监控等【8 1 f 9 】【1 0 1 。 发射机需监控的信号可分为3 类：运行参数( 模拟量) 、状态和报警指示( 开关 量) 以及控制输出( 开关量) 。 ( 1 ) 运行参数的获取 发射机的工作和保护都是围绕电子管和调速管等器件进行的。需要监控的参数 主要有输出功率、反射功率、帘栅电压、帘栅电流、栅偏压、栅极电流、灯丝电 压、高压、阴极电流等，可以根据具体情况，从取样电阻上获取信号，经放大或 分压，使信号限制在0 5 v 范围内，通过监控模块的标准接口获取。 ( 2 ) 状态和报警指示的获取 电视发射机的面板上有一定数量的指示灯( 发光二极管) ，发射机的工作状态 以及报警保护都通过这些指示灯来指示，如阴极电流过高、驻波比过高、风机过 热、风接点指示等。可以将光隔离器与指示灯并联来获取这些信号。如果指示灯 亮，则光隔离器导通，输出为低电平；如果指示灯灭，则光隔离器截止，输出高 电平，由此可以获取指示信号。 ( 3 ) 控制输出 发射机需要控制其开机、关机、开高压和断高压，可以将监控模块的4 个继 电器输出接口触点与这4 个开关并联，由监控系统根据需要控制发射机丌机或关 机，实现发射机的定时开、关机。 东北大学硕士学位论文第二章系统方案设计 2 3 系统硬件组成 为实现对广播电视发射系统工作的各项参数进行采集、存储、显示、控制、 报警和传输，监控系统由a v r 单片机( a t m e g a l 2 8 ) 、三星$ 3 c 4 5 1 0 b 及相关接口 电路构成，配置有：y m 3 2 0 * 2 4 0 a 液晶显示器、触摸屏、c p l d 、a t 2 4 c 2 5 6 、 d s l 2 8 8 7 、r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口和报警用蜂鸣器等。可实现触摸屏操作、数据处理、 异常报警、发射机控制以及和计算机之间的数据传送。监控系统内部硬件结构框 图如下所示。 图2 3 硬件框图 f i g 23t h e 仔a m eo f h a r d w a m 对应系统硬件体系结构，从上方起，按顺时针方向概述各芯片名称及其在系 统中所起的作用如下： ( 1 ) c p u 采用a t m e l 的8 位高档单片机a t m e g a l 2 8 ；7 4 l s 3 7 3 作为地址锁器。 ( 2 1 通月阵列逻辑g a l l 6 v 8 对高位地址译码，实现对l c d 、时钟芯片 d s l 2 8 8 7 、数模转换芯片a d 7 3 0 5 及开关量输出7 4 l s 2 7 3 的片选功能； ( 3 ) 对8 路开关量( l ：o v ，h ：1 5 v ) 的输出采用7 4 l s 2 7 3 ，对2 路模拟量( o 2 4 v 输出范围1 的输出使用了a d 7 3 0 5 数模转换芯片，并使用三极管功放推挽输出； ( 4 1 本设计采用y m 3 2 0 * 2 4 0 a 液晶显示器，该显示器内部主芯片为e p s o n 东北大学硕士学柱论五第7 - 章系统方案设计 公司的s e d l 3 3 5 ，可以方便地用于图形和文字的动态显示； ( 5 ) 为实现定时开关机功能，采用外扩芯片d s l 2 8 8 7 ，该芯片可准确的进行 年月日时分秒的计时； ( 6 ) 触摸屏芯片a d s 7 8 4 6 与c p u 通过s p i 总线进行数据传输，二者通过 t s b u s y 和p e n r q 联系传输； ( 7 ) 对丌关量( l ：0 v ，h ：1 s v ) 的采集应用了e p m 7 1 9 2 ，通过v h d l 语占可 使9 6 路开关量得以采集；e p m 7 1 9 2 是m a x 7 0 0 0 系列产品，具有高阻抗，电可 檫等特点，可用门单元为3 7 5 0 个，1 2 4 个i o 口； ( 8 ) 对大容量的数据存储使用外扩的a t m e le 2 p r o m 芯片a t 2 4 c 2 5 6 ，它与 c p u 通过1 2 c 总线进行数据传输； ( 9 ) 需要与p c 机进行通信采用u a r t ，9 针串行接口与c p u 进行数据和命令 传输。在本方案中串行接口既可选择2 3 2 接口，也可选择4 8 5 接口； ( 1 0 ) 对3 2 路模拟量( 单端，0 3 v 或o - 1 v 输入范围) 的采集使用m e g a l 2 8 本身 的a d c 转换功能。被监测的模拟信号通过分压电路把电压线性降至o 2 5 v 之 间。模拟数据选择芯片m c 7 4 h c 4 0 5 1 在m e g a l 2 8 的控制下，通过分时复用将8 路采集量集成为一路引入c p u 的a d c 引脚，以完成对所需模拟量的处理； ( 1 1 ) 用来做w e b s e v e r 的$ 3 c 4 5 1 0 b ，这样数据就可以通过以太网传输出去， 使远程监控得以实现。( 见第六章) 2 4 系统软件功能 通过分析需求，本项目的软件设计具有图2 4 所示的各模块的功能。 大容量数据 存储功能 触摸屏 输入功能 鎏曼妾苎、卜_ 一广播电视设备实时监控系统 显示功能 。+ 。 常报警功 控制信号 输出功能 定时开关机 功能 模数信号 采集功能 图2 , 4 监控系统功能框图 f i g 2 4t h ef u n c t i o nf l a m eo fm o n i t o rs y s t e m 网络远程监 控及打印 东北托学硕士学位论丈第二章系统方案设计 研究与开发广播电视设备实时监控系统，是在单片机及其扩展设备硬件电路 基础上，通过专用的软件和工具，编辑集控制、采集、显示等多功能于一体的具 有发射机监控作用的程序代码，并下载入相应芯片中，完成系统设计既定的各项 逻辑功能，各功能相互协调，最终与硬件相配合，完成达到系统目标要求标准的 广播电视发射机监控系统。 东北大学硕士学位论文第三章硬件设计 第三章硬件设计 3 1a t m e g a l 2 8 单片机简介 a t m e g a l 2 8 是a t m e l 公司一款采用低功耗c m o s 工艺生产的基于a v r r i s c 结构的8 位单片机。芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接 口电路，具有运算速度快、功耗低、功能强、性价比较高等优点j 【1 2 j 。 圈31m e g a l 2 8 结构框图 f i g 3 1t h eb l o c kd i a g r a mo f m e g a l 2 8 图3 1 是a t m e g a l 2 8 单片机的结构框图，属于哈佛结构，核心是将3 2 个工 作寄存器和丰富的指令集连结在一起，所有的工作寄存器都与a l u ( 算术逻辑单 元) 直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令可以同时访问两个独立的 寄存器，这种结构提高了代码效率，使a v r 的运行速度比普通c i s c 单片机高出 】0 倍，具有1 m i p s m h z 的处理能力。 单片机采用低功率、非挥发性c m o s 工艺制造，内部分别集成f l a s h 、e 2 p r o m 查些垄兰堡主兰堡堡墨 苎三! 矍竺堡茎 和s r a m 三种不同性能和用途的存储器。除了可以通过s p i1 2 1 和一般的编程器对 单片机的f l a s h 程序存储器和e 2 p r o m 数据存储器进行编程外，还具有在线编程 ( i s p ) 的特点。 在程序设计上，a t m e g a l 2 8 的结构适宜采用高级语言( 这是a v r 单片机设计 的主要目标) 来编写嵌入式系统的系统程序，a t m e g a l 2 8 支持c 语言的开发。丌 发者无须昂贵的丌发工具( 开发板或评估板) 只要在1 c c 编译环境下把应用程序编 译好，再结合它本身的在线可编程特性，就可以把程序下载到单片机的存储器里。 这种方式对我们在经费不足的情况下作研究确实是一种很方便的解决方案。 a t m e g a l 2 8 是a v r 高档单片机中内部接口最丰富，功能最齐全的单片机， 它的主要性能如下【2 1 ： ( 1 ) 采用先进的r i s c 精简指令集结构 a t m e g a l 2 8 具有1 3 3 条功能强大的指令，大多数为单周期指令，3 2 个8 位通用 工作寄存器，工作在1 6 m h z 时具有1 6 m i p s 的性能，片内集成硬件乘法器f 执行速度 为2 个时钟周期) 。 ( 2 ) 片内集成了大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作寄存器 a t m e g a l 2 8 具有1 2 8 k 字节在线可重复编程f l a s h 程序存储器，擦写次数 1 0 0 0 0 次，支持在线编程和在应用编程，带有独立加密位的可选b o o t 区，可通过 b o o t 区内的引导程序区( 用户自己写入) 来实现在应用编程。 4 k 字节e 2 p r o m ，擦写次数 1 0 0 0 0 0 次；4 k 字节的内部s r a m ：可编程的程序 加密位。 ( 3 ) 具有j t a g 接口 通过j t a g 接口可对f l a s h 、e 2 p r o m 熔丝位和加密位进行编程。 ( 4 ) 增强的硬件功能 a t m e g a l 2 8 内含两个带预分频器和一种比较模式的8 位定时计数器、两个扩充 的带预分频器比较和模式捕获模式的1 6 位定时计数器、独立振荡器的实时计数器、 二通道8 位p w m 、6 通道2 1 6 位精度p w m 、8 通道1 0 位a d 转换器、输出比较调节 器、8 个单通道、7 个微分通道、2 个增益为1x 、1 0 x 或2 0 0x 的微分通道、两线( 1 2 c ) 串行接口、二路可编程串行u a r t 接口、主从s p i 串行接口以及带内部振荡器的可 编程看门狗定时器等。 ( 5 ) 独有特点 a t m e g a l 2 8 的独有特点包括上电复位和可编程的低电压检测、内部可校准的 r c 振荡器、五种睡眠模式( 空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 待命和扩展待命模式) 、可用软件选择时钟频率、可通过个熔丝选定a t m e g a l 0 3 的兼容模式以及全局上拉禁止等。 东北大学硕士学位论文第三章硬件设计 ( 6 ) i 0 口和封装 5 3 个可编程的i 0 口，可任意定义i o 的输入输出方向：输出时为推挽输出，驱 动能力强，可直接驱动l e d 等大电流负载；输入口可定义为三态输入，可以设定 带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻。 6 4 脚t q f p 封装。 ( 7 ) 工作电压，运行速度，功耗 2 7 5 5 v ( a t m e g a l 2 8 l ) k 电压类型，4 5 55 v ( a t m e g a l 2 8 ) 高电压类型； 0 , 一8 m h z ( a t m e g a l 2 8 l ) ，0 - 1 6 m h z ( a t m e g a l 2 8 ) ； 正常模式( a c l i v e ) ：5 m a ，空闲模式( i d l em o d e ) ：2 m a 掉电模式( p o w e r - d o w nm o d e ) ：0 5 9 a 。 综上所述，a t m e g a l 2 8 是一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提 供了灵活而低成本的方案。与此同时，a t m e g a l 2 8 具有一整套的编程和系统丌发 工具，它包括宏汇编编译器、c 语言编译器、在线调试仿真器和评估板等。在我 国国内，也有广州双龙电子有限公司等一些企业，对其开发提供技术支持。讵是 因为其强大的性能和完善的支持系统，所以本次设计选用a t m e g a l 2 8 作为系统的 c p u 芯片。 3 i 1l o 端口 对i o 端口的操作是单片机最基本的操作，也是软件编辑的基础。 ( 1 ) a t m e g a l 2 8 i o 端口特点 所有的a v r 的i o 端口都具有真f 的读一修改写功能。每个i o 管脚都采用推挽 式驱动，有提供和吸收较大的电流的能力。 a v r 采用3 个8 位寄存器来控制i o 端口，它们分别是方向寄存器d d r x ，数据寄 存器p o r t x 干i 输入引脚寄存器p i n x ，其中d d r x 和p o r t x 是可读写寄存器，而p i n x 是只读寄存器。每个i ，o 引脚内部都有独立的上拉电阻电路，可通过程序设置内部 上拉电阻的有效与否。此外，如置“l ”，s f i o r 寄存器的上拉屏蔽位p u d 为“i ”， 则会屏蔽掉所有端口引脚中的内部上拉电阻。 a t m e g a l 2 8 多数的i 0 f a 为复用口，除作通用数字i 0 使用外，其第二功能则作 为芯片内部其他外围电路的接口。a t m e g a l 2 8 有5 3 个i o 引脚，分成6 个8 位的端口 a 、b 、c 、d 、e 年口f ，步 个4 位的g 口。 ( 2 ) 相关寄存器 对a 口到f 口有： x 口数据寄存器p o r t x ：8 位，用于存放数据。 x 口方向寄存器d d r x ：8 位，决定端口输入或是输出。 查三兰苎兰堡主兰堡丝墨苎兰兰竺堡堡塑 xv 1 输入引脚寄存器p i n x ：8 位，反应引脚上实际电平。 ( 3 ) 工作模式 通用l o 引脚中的d d r x n 选择引脚的方向，如果d d r x n 为“1 ”则该引脚为输 出脚，如果d d r x n 为0 则该引脚为输入脚。在复位期间i o 口为三态口。 特殊功能寄存器s f i o r 的第二位p u d 为上拉禁止位。只要p u d = “l ”，则内部 上拉电阻无效。 不管方向寄存器d d r x n 为“0 ”或“l ”，总是可以通过读p i n x n 来获得外 部引脚当前的实际电平。 3 1 2 通用同异步串行接口 在本次设计中u s a r t 串行接口与p c 机的9 针串口相连接，主要用于实现单 片机与计算机的数据通信，通过计算机辅助该监控系统完成打印发射机运行状态 记录及实现网络远程监视的功能。 ( 1 1a t m e g a l 2 8 具有两个全双工通用异步收发器。 f 2 ) u s a r t 的内部寄存器 数据寄存器u d r ：u d r 实际上是两个物理上分离的寄存器。一个用于发送 一个用于接收。读取u d r 时访问的是接收u d r ，而在写u d r 时访问的是发送 u d r 。 状态寄存器u s r ：8 位，用于指示串口的工作状态，单片机可以直接对状 态寄存器进行读操作。 控制寄存器u c r ：8 位，控制接收发送使能及发送完中断等功能。 波特率产生器u b r r ；波特率 删。面丽f o s 泛c 莉 ( 3 1 ) 1 6 ( 晒r r + l 、 其中f o s c 是晶振时钟频率。 ( 3 ) 与计算机串行通信协议 通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。通 信双方必须遵从统一的通信协议，串行通信协议包括同步协议和异步协议两种， 本小节只讨论异步串行通信协议。 要想保证通信成功，通信双方必须对按照约定的协议运行。作为发送方，必 须知道什么时候发送信息，发什么，对方是否收到，收到的内容有没有错，要不 要重发，怎样通知对方结束等；作为接收方，必须知道对方是否发送下信息，发 的是什么，收到的信息是否有错，如果有错怎样通知对方重发，怎样判断结束等。 在异步通信中，数据是一帧帧传送的，每一串行帧的数据格式由四个部份组成： 查! ! 垄兰堡主兰堡笙圭苎三兰竺竺堡竺 起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。其中起始位1 位，数据位可以是5 、6 、 7 、8 位，停止位可以是1 或2 位。 本设计协议格式采用l 位起始位，8 位数据位，无奇偶校验位，1 位停止位， 波特率为4 8 0 0 的数据帧格式。也即串口常用的4 8 0 0 ，n ，8 ，1 数据格式。根据系 统的时钟频率和查表设置的u b r r 可得： 删 ，d ：8 0 0 0 0 0 0 0 1 6 1 0 4 = 4 8 0 7 6 9 4 8 0 7 6 9 4 8 0 0 3 i 4 8 0 0 = 0 1 6 v l ，说明数字过大了，则将这个“1 ” 清除；如果v o v i ，说明数字好不够大，将这个“l ”保留。然后，再按同样的方 法将次高位置“1 ”，并比较v 。与v l 的大小以确定这一位的“1 ”是否应当保留。 这样逐位比较下去，直到最低位为止。比较完毕后，寄存器里的数码就是所求出 的输出数字量。 ( 3 1 项目应用 本项目中使用a d c 单次转换模式，程序必须启动每一次转换a d c ，由a d c s r 的a d e n 位控制使能，使能a d c 后的第一次转换将引发一次哑转换过程，以初始化 东北太学硕士学位论文第三章硬件设计 a d c 。然后才真正进行a d 转换，对用户而占此次转换过程比其他转换过程要多1 3 个a d c 时钟周期。a d s c 置位将启动a d 转换在转换过程当中a d s c 一直保持为高， 转换结束后a d s c 硬件清零。如果在转换过程当中通道改变了，a d c 首先要完成当 前的转换然后通道才会改变。 a d c 产生1 0 位的结果a d c h 和a d c l 。为了保证正确读取数据系统采用了如 下保护逻辑：读数据时首先要读a d c l 一旦丌始读a d c l ，a d c 对数据寄存器的访 问就被禁止了。也就是说如果读取t a d c l ，那么即使在读a d c h 之前另次a d c 结束了，两个寄存器的值也不会被新的a d c 结果更新。此次转换的数据将丢失。 当读完a d c h 之后a d c 才能继续对a d c h 和a d c l 进行访问。a d c 结束后会置位 a d i f ，即使发生如上所说的由于a d c h 未被读取而丢失转换数据的情况，a d c 结 束中断仍将触发。 3 1 5 看门狗定时器 程序运行时的操作时序完全出程序计数器p c 控制，因此，旦p c 因干扰而 出现错误，程序便脱离币常运行轨道，出现跑飞，导致操作数数值改变以及将操 作数当作操作码的错误。为了使这种“跑飞”或“死锁”的程序自动恢复，重新 正常工作，一种常用的方法是采用“看门狗”技术。 a t m e g a l 2 8 的看门狗定时器由片内独立的振荡器驱动。在v c c = 5 v 的条件下， 典型振荡频率为i m h z 。通过调整定时器的预分频因数，可以改变看门狗复位时间 侧隔。看门狗复位指令是w d r ，如果定时时间已经到，而且没有执j t w d r 指令， 则看门狗将复位a t m e g a l 2 8 ，并从复位地址重新开始执行。 看门狗定时器控制寄存器w d t c r w d c e 看门狗定时器改变允许标志位 w d e 看门狗允许标志位 w d e 为“l ”时，看门狗使能。只有在w d c e 为“1 ”时，w d e 才能清零。 w d p 2 、w d p i 、w d p o 看门狗定时器预分频设置位，本次设计设置此三位为 “1 0 l ”，其溢出时间为0 5 2 s 。 本次设计采用a t m e g a l 2 8 内部的软件看门狗，在单片机程序中适当地插入 “喂狗”指令，当程序运行出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器p c 赋予仞始值，强制性地使程序重新丌始运行。发射机系统属于高频、大功率的强 干扰系统，使用看门狗技术对于防止监控系统异常死机有重要的意义。 3 2 存储芯片a t 2 4 c 2 5 6 a t 2 4 c 2 5 6 是删e l 公司2 5 6 k b 串行电可擦的可编程存储器，8 引脚双列直插 查! ! 苎兰翌主兰些丝查苎三兰矍堡堡兰 式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点。本次设计中在2 线总线上并接4 片该 芯片，以适应于具有高容量数据存储要求的单片机系统的需要。 图3 4 a t 2 4 c 2 5 6 引脚幽 f i g 3 4a t 2 4 c 2 5 6p i n s 1 具体的引脚功能如下： a 0 、a 1 片选地址输入 s d a 数据输入输出 s c l时钟输入 w p 数据写保护 该脚可接v s s 、v c c 或悬空，悬空时内部下拉该脚，使处在数据未保护状态。 接v s s 或悬空，都可完成正常的读写操作。 2 芯片的基本操作 芯片操作完全符合1 2 c 总线标准。在本次设计中c p u 的1 2 c 总线与存储芯片 a t 2 4 c 2 5 6 相联系，完成大容量数据的存储功能。 ( 1 ) 1 2 c 总线概述f 1 4 1 1 1 5 】 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司开发的串行通信接口，主要应用于单片机外围芯片的 扩展。它只需两根线串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c l ) ，即可实现单片机 与总线上具有1 2 c 总线接口的外围芯片进行数据交换。 本项目中1 2 c 总线系统结构如图3 5 所示。 查苎苎兰堡主兰堡垒墨苎三兰竺竺堡兰 t w c r ：1 2 c 控制寄存器 t w s r ：1 2 c 状态寄存器 t w d r ：i z c 数据寄存器 t w a r ：被控器地址寄存器 ( 3 1i z c 总线的协议，四种总线状态，状态图如图3 6 所示 总线空闲：s c l 和s d a 都保持高电平。 开始信号：s c l 保持高电平的状态下，s d a 出现下降沿。出现开始信号以 后，总线被认为“忙”。 停止信号：s c l 保持高电平的状态下，s d a 出现上升沿。停止信号过后， 总线被认为“空闲”。 总线忙：在数据传送开始以后，s c l 为高电平的时候，s d a 的数据必须保 持稳定，只有当s c l 为低电平的时候才允许s d a 上的数据改变。 起始 条 叶 图3 61 2 c 总线状态示意图 f i g 3 6t h es t a t eb u so f l 2 c ( 4 ) 总线工作方式 1 2 c 总线的传送格式为主从式，对系统中的某一器件来说有四种可能的工作 方式：主发送方式，从发送方式，主接收方式，从接收方式。根据本次设计的具 体晴况，下面仅对主发从收和从发主收加以介绍。 主发送从接收 主器件产生开始信号以后，发送的第一个字节为控制字节。前七位为从器件 的地址片选信号。最低位为数据传送方向位( 高电平表示读从器件，低电平代表 写从器件) ，然后发送一个选择从器件片内地址的字节，来决定开始读写数据的起 始地址。接着再发送数据字节，可以是单字节数据，也可以是一组数据，由主器 件来决定。从器件每接收到一个字节以后，都要返回一个应答信号( a c k = 0 ) 。主 器件在应答时钟周期高电平期间释放s d a 线，转由从器件控制，从器件在这个时 钟周期的高电平期间必须拉低s d a 线，并使之为稳定的低电平，作为有效的应答 信号。 查苎查兰! 主兰竺堡墨苎三主堡竺堡兰 从发送主接收 在开始信号以后，主器件向从器件发送控制字节。如果从器件接收到主器件 发送来的控制字节中的从地址片选信号与该器件相对应，并且方向位为高电平 ( r w = 1 ) ，就表示从器件将要发送数据。从器件先发送一个应答信号( a c k = 0 ) 回应 主器件，接着由从器件发送数据到主器件。如果在这个过程之前，主器件发给从 器件一个片内地址选择信号，那么从器件发送的数据就从该地址开始发送；如果 在从器件接收到请求发送的控制信号以前，没有收到这个地址选择信号，从器件 就从最后一次发送数据的地址开始发送数据。发送数据过程中，主器件每接收到 一个字节都要返回一个应答信号a c k 。若a c k = 0 ( 有效应答信号) ，那么从器件继 续发送；若a c k = l ( 停止应答信号) ，停止发送。主器件可以控制从器件从什么地 址开始发送，发送多少字节。 读写操作：在每个脉冲的上升沿将s d a 数据写入e 2 p r o m ，在每个脉冲的下 升沿将数据从e 2 p r o m 通过s d a 中读出。只有在s c l 为低电平时，s d a 上的数 据改变才是有效的。 启动信号：当s c l 为高电平时，s d a 上数据由高电平变为低电平，即为启 动信号。对a t 2 4 c 2 5 6 的任何操作命令，都必须从启动信号开始。 结束信号：当s c l 为高电平时，s d a 上数据由低电平变为高电平，即为结 束信号。对a t 2 4 c 2 5 6 的任何操作命令，都必须以结束信号来结尾。 应答信号：a t 2 4 c 2 5 6 每收到一个字节的数据就要给出一个低电平信号应答， 以表示数据已接受。 3 芯片的读写逻辑 在一条总线上最多可以挂4 个a 1 1 ：z 4 c 2 5 6 ，因此在每条读写指令中都要写上 芯片的地址，从而对其中一块a t 2 4 c 2 5 6 进行操作。这个地址信息与芯片的a 1 、 a 0 接法相关。芯片的寻址方式如图3 7 所示。 钳s bl ，i i 图3 7a t 2 4 c 2 5 6 寻址方式 f i g37a t 2 4 c 2 5 6a d d r e s s i n gm o d e r w 为“0 ”时，表示为读操作；剐w 为“1 ”时，表示为写操作。写操作包 括写字节和写页面。 a t 2 4 c 2 5 6 的每个页面的容量是6 4 字节。写页面的命令和写字节十分相似， 都由启动信号、芯片寻址字节、两字节的内部地址寻址字节、数据字节、a t 2 4 c 2 5 6 的应答信号和结束信号组成。所不同的是写页面的两字节的内部地址寻址字节是 起始地址。 东北走擘硕士学位论文第三覃硬件设计 读操作分为读当前地址内的数据、顺序地址读和随机地址读三种。 读当前地址内的数据时，a t 2 4 c 2 5 6 内部的地址指针会指向最后一次读写操 作的地址。命令就从此地址内读出数据，并将内部的地址指针累加一。向 a t 2 4 c 2 5 6 写入启动命令和芯片寻址字节后，将收到a t 2 4 c 2 5 6 给出的数据，并 向a t 2 4 c 2 5 6 写入结束信号。 顺序读与读当前地址内的数据方式基本一样，区别在于前者在收到一节数据 后，地址指针累加“1 ”，并继续进行读操作。 随机读指令可以对a t 2 4 c 2 5 6 内的任何地址进行有选择地读。先向 a t 2 4 c 2 5 6 写入想要读的单元地址，再通过读当前地址内的数据方式从中读出数 据。 3 3 时钟芯片d s l2 8 8 7 在广播电视发射机监控工作中，需要一个较高精度的实时时钟系统，准确记 录和控制发射机的工作。为实现这一功能需求，本项设计采用美国达拉斯半导体 公司( d a l l a s ) 最新推出的串行接口实时时钟芯片d s l 2 8 8 7 i l “。 该芯片采用c m o s 技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池， 采用 d s l 2 8 8 7 芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并且它具有微功耗，外 围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点。 ( 1 1 时钟芯片d s l 2 8 8 7 的主要特点： d s1 2 8 8 7 是微机中常用的时钟芯片，它是2 4 脚双列直插封装的一个集成组件 ( 其引脚排列见图3 8 ) ，组件中包含有石英晶体、锂电池、实时时钟、日历时钟、 报警时钟