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四川大学本科毕业设计 调频广播发射机控制器硬件系统设计调频广播发射机控制器硬件系统设计专业：机械设计制造及其自动化学生： 指导教师：韩 震 宇摘要 广播发射机微机控制器是广播发射机的自动化监管设备。它负责定时开关发射机；系统运行时采集数据；判断故障并在故障 时给出报警。嵌入式微控制器在广播发射机领域的应用已从基本的监控功能向更丰富的管理功能发展。应用的复杂性决定了设计的复杂性，如何管理设计的复杂性并体现设计的规范性对设计人员提出了挑战。 系统设计中以用例为驱动进行需求分析，设计了体现需求的用例视图。硬件设计中采用基于AVR单片机的多微控制器系统体系结构。并在硬件电路设计部分设计了满足系统功能的接口电路。根据以上的功能要求，将微机控制器划分为主控模块、数据采集模块、人机接口模块和输出动作模块四部分。人机接口模块采用了当前比较流行的大屏幕液晶显示技术，和键盘结合后，具有极佳的可操作性，效果接近于通用计算机。最后，为了提高微机控制器的抗干扰性能，结合当前单片机抗干扰设计的研究成果，对系统的电路进行了专门的抗干扰设计。如在模拟量输入通道加入滤波电路，在开关量输入通道加入光电隔离电路，以及特殊的电路板设计等。关键词：广播发射机，单片机, 微机控制器，AVR THE DESIGN OF THE FM RADIO TRANSMITTER CONTROLLER HANDWARE SYSTEMMajor: Mechanic design manufacture and automationAuthor: Wang Chuansong Tutor: Han ZhenyuABSTRACTBroadcast transmitter controller is a set of automatic monitor and control equipment for broadcast transmitter.It can switch the transmitter on time,sample the data while it is running,judge fault and trigger the alarm.The application of embedded micro-controller in the field of broadcast transmitter is prone to focus on plenty of management function other than the basic monitor and control mission as before.The complexity of application decides the complexity of design.It is a challenge that how to manage the complexity of design and make it obey to unified criterion.In the stage of system design,I apply use case-driven for require analysis and design.In the stage of hardware design,I design the AVR-based multi-controller architecture and complete the interface circuit design to meet the requirement. According to the former function demand, the micro-controller is formed by main control module, power sample module, operator and machine interface module and output action module. The operator and machine interface module has taken the popular large-screen LCD skill, which is combined with the keyboard. After that, the micro-controllers operation performance is very remarkable and its effect was close to the PC. At last, for improving the anti-interfering ability of the Micro-controller, it has taken the present research production of the micro-chip computer anti-interfering technology, and applied the special anti-interfering design to the system circuit. For example, it has added the filter circuit into the analog input channel, the light-electric isolation circuit into the digital input channel, and designed the special electrical board.KEY WORDS: Radio Transmitter micro-chip computer micro-controller AVR1 引言11.1 选题的目的和意义11.2 调频广播发射机简介11.3 微机控制器在广播发射机中的应用状况22 系统分析与设计32.1 系统功能与性能概述32.2 输入输出数据统计42.3 系统状态、控制状态和故障源定义42.4 开关控制52.5 数据采集52.6 人机接口62.7 具体要求如下：62.8 系统设计中抗高频干扰的考虑62.8.1 干扰的来源与途径及对微机控制器的影响62.8.2 抗干扰的措施72.9 系统体系结构设计72.10 发射机的用例模型83 硬件设计153.1 嵌入式系统与微机控制器的选择153.2 AVR单片机介绍163.3 多微控制器体系结构173.4 元器件选型183.5 接口电路183.5.1串行数据存储器接口183.5.2 实时时钟接口193.5.3 LCD接口203.5.4 键盘的设计213.5.5 异步串行通信IIC接口233.6 模拟量采集通道的设计243.6.1 模拟量输入通道的基本类型及组成结构243.6.2 信号调理电路设计253.7 开关量输入输出通道273.7.1 开关量输入通道的设计273.7.2 开关量输出通道的设计283.8主界面的设计29致 谢30参考文献3232四川大学本科毕业设计 调频广播发射机控制器硬件系统设计1 引言1.1 选题的目的和意义2000年下半年以来，国家广播电影电视总局在全国广电系统实施“两新工程”和“中一工程”，扩大了广播电视的覆盖面。明显改善了广大中西部地区及全国各地的收听、收看效果。随着近年来广播发射机数字化改造的不断发展，全固态广播发射机以其效率高、音质美、运行与维护成本低、工作稳定可靠，得到了全国各广播发射台技术人员的认可。而嵌入式微机 在这一领域的应用也日趋成熟，现今大部分的广播发射机都配有控制器辅助值班人员管理发射机的日常运行。但应用同样提出了更加复杂的管理要求，包括：对系统状态监测的实时性，数据的历史记录与查询，更加完善的故障保护、处理与报警，同上位机的通信与远程监控功能，系统的高可靠性与抗干扰性，良好的人机界面，随着客户要求的变动性。新的应用需求不断推动着嵌入式微控制器在这一领域的应用广度与深度，而广播发射机的自动化程度也得以不断提高。1.2 调频广播发射机简介20世纪，广播发射机经历了突飞猛进的发展：从真空电子管到晶体管、功率场效应管的更新换代；电路结构从分立器件向模块化和集成电路变化；控制检测从继电器等有触点检测向逻辑电路、时序控制转化。现今，正逐步向计算机实时控制、远程监控和发射机管理方向发展。20世纪70年代，世界上出现了应用场效应管的脉宽调制发射机。80年代中期，美国哈利斯公司生产出数字调制的发射机。90年代我国也研制生产了数字调制发射机。1990年上海市广播科学研究所研制成我国第一台全固态的中PDM广播发射机，而且是多频率的10kW广播发射机。在上海人民广播电台投运后，为上海人民广播电台的安全可靠播出发挥了积极的作用。从此，广播发送设备的音频系统及其调节方式发生了深刻的变化。从模拟调至向数字调制的转变，使整机效率、电声指标、稳定性和可靠性等方面都取得了长足的进步。近些年在市场经济的推动下，广播发射设备不断更新换代。世界上几大广播发射机生产厂家相继推出在大功率机器上采用 PDM、PSM等新的调制方式发射机。现代调频广播发射机主要由五部分组成：激励器、功放、风机、电源和控制设备。激励器负责将节目音频信号调制成为射频信号，再经过功放进行功率放大，最后送天线发射出去；电源负责为功放、风机和控制设备供电，风机则负责为功放散热；控制设备主要负责开关发射机与监测发射功率、反射功率等运行状态信息，当功放单元过温、过流或电源异常时发出报警信号并按指定的次序关断设备电源与总电源。1.3 微机控制器在广播发射机中的应用状况80年代，国内开始采用可编程控制器（PLC）、单板机对广播发射机进行自动控制。90年代，开始把微机控制器和微型计算机作为发射机一个不可分割的部分，与发射机融于一体，实现发射机的自动化监控与管理。传统的数字逻辑电路控制只能实现相对比较简单的功能，如开机、关机和发生故障时的保护动作。而采用计算机控制的广播发射机可以实现上面的所有的功能，并且还可根据的客户的要求加以改进，而这种改进通常只通过重新设计软件就可以实现，提高了广播发射机的适应性。大多数采用计算机控制的广播发射机具有通信功能，可以实现对广播发射机的远程监控。其中发射机的自动控制功能包括：（1） 自动开关机（包括启动与关闭控制系统的电源、激励器电源和功放电源）；（2） 自动巡机、监测、记忆和打印各级工作状态（电流、电压），并且能够越限报警；（3） 存储、打印系统播出时间和停播时间；（4） 具有声光报警功能，并对典型故障有判断分析能力；（5） 具有备份单元功能；（6） 自动调整灯丝、偏压；（7） 测试频偏、调幅度；自动控制故障时可切换至手动控制。由于发射台往往处于山区或偏远地带，对管理维护人员来说非常不便。因此提高广播发射机的自动化程度与易维护程度是各家公司竞争的焦点。采用嵌入式微机控制器开发的微机控制器成为目前主流的方案。综上所述，微机控制器作为发射机运行的控制中心，它负责3个主要功能：一是按照一定的开关机顺序开关发射机，并显示开关状态；二是对发射机及主要附属设备的运行情况进行实时监测；三是对运行中出现的故障进行诊断，并作出相应的处理。具体来讲，由微机控制器产生的一系列开机操作信号，按一定的时间顺序，启动冷风机、加偏压、中压、高压等次序开启发射机。当每个程序完成以后，他们的状态信号也按先后顺序反馈给微机控制器，以通报各部件运转情况。若这一步开机过程正常，微机控制单元就依次发出下一步开机操作信号，按照要求使发射机完成加高压、发射出射频信号。微机控制单元还具有辅助故障诊断功能，它表现在两个方面，一是在发射机合上高压之前，对其有关的运行准备状态进行静态安全检查，如果出现风机、电源等没有按要求开通或出现故障时，将阻止发射机合高压；二是在发射机正常运行情况下，对发射机功率放大器系统的工作状态进行动态安全检测，如：是否发生打火，是否过流，发射机馈线的驻波比是否合适等。动态安全检查的项目是将直接待检测的信号加入微机控制器内部的一个快速处理装置中，检测信号在那里与原先正常值进行比较，若实际检测超出正常范围，则发出警告信号，并在显示器上列出与故障有关的实测参数，供值班人员分析处理故障时参考。另外，微机控制单元配有RS-232通讯接口，可与监控室的计算机控制系统连接，以便实现对发射机的遥控。现国外有些厂家大都采用模块化设计，把激励器、控制电路、显示器和按键安装在一个独立的抽屉式机箱内。功放单元、分配器、合成器和定向耦合器则封装入一个功放盒中，然后根据所需要的功率要求灵活配置。例如意大利RVR公司的5/10KW全固态调频广播发射机产品TX5K/10PS，即采用抽屉式模块化设计，各功放模块配有独立的开关电源并且可以热插拔；采用双激励器相互备份；而主控模块（微机控制器）作为其核心控制设备，其功能包括定时和远程开关机控制，数据采集，故障保护，历史记录与查询等。法国汤姆孙公司在其生产的TRE2315型100KPDM短波广播发射机上使用微机处理器，实现对整机的自动控制、监测以及故障处理。而国内的一些厂家则主要进口国外厂家的激励器和功放单元，配合自行研制的微机控制器装配成整机。除此之外，一些高校也为各个厂家设计了与其产品配套的微机控制器。其解决方案均为应用不同微控制器平台的嵌入式设计。其中有应用高性能的ARM平台的，也有应用AVR单片机和增强型51单片机的。前者可以实现更丰富的接口和更高性能的表现，加之各类嵌入式操作系统的应用可以方便实现友好的人机界面；后者则更适合于功能较为单一、低成本的中小型应用。另外，为提高系统的可靠性激励器多采用了冗余设计，由主控单元控制两部同型号的激励器实现互锁，当其中一部故障时可迅速切换为另一部激励器提高射频信号给功率放大器。2 系统分析与设计2.1 系统功能与性能概述广播发射机微机控制器作为广播发射机的自动化监管设备，其最基本的功能是实现发射机的自动开关机控制。这包括定时开关机控制与故障保护关机控制，并在系统运行时检测各部分（功放、电源、激励器、风机）的工作状态，判断故障，若发生故障则进行相应的故障处理，并给出故障源于报警信息。而其管理功能主要是对发射机运行期间的重要参数（发射功率、反射功率、功放单元电压、电流等）的历史记录与查询功能；对一些系统参数（例如定时开、关机时间表、系统时间和定时记录间隔时间）的设定与在线修改功能；还有远程监控功能，可实现多个发射机的网络化管理。而这些管理功能都需要设计良好的人机接口来实现。此外，由于广播发射任务的特殊性，要求低停波率（高平均无故障时间）与高播出质量，因此对发射机系统（包括微机控制器）稳定性与可靠性有较高的要求；而处于山地的发射台往往环境较为恶劣易受天气影响，还有功放中高频信号的干扰，因此微机控制器还需要有抗干扰性的要求；最后对于数据采集及响应人机接口命令则需要有一定的实时性。2.2 输入输出数据统计广播发射机微机控制器的输入输出数据主要包括模拟量输入，开关量输入和开关量输出。具体来说：输入模拟量主要来自功放单元的电流采样、发射功率和反射功率和主电源、低压电源的电压、电流信号；开关量输入为发射机各部件状态信号，包括激励机外部连锁，功放过热、风机接点灯；开关量输出则包括主电源合/断，低压合/断，高频推动禁止/允许，调制合/断等。2.3 系统状态、控制状态和故障源定义 发射机的系统状态可分为：停止、待机、开机、运行、故障和关机六个部分。其中停止定义为系统未上电的状态，概况了发射机在仓储、运输、安装和未使用时期的状态；待机定义为发射机开机前的准备状态，包括上电后开机前的时段和无故障关机后的时段；运行则定义为开机后状态；开机定义为系统正处于开机流程中，反之关机定义为系统正处于关机流程中；故障定义为系统在待机、开机、运行、和关机时，若检测到相应的故障源时所对应的系统状态。这里指的故障源可定义为I类和类故障(表22所示)。当出现一类故障时会引起“关机命令，关闭发射机的高压，触发故障报警，并在显示界面上显示故障源信息；当出现二类故障时，发射机自动断高压3秒后恢复上高压并给出故障提示信息，若上高压后的3秒内故障消除则恢复运行状态，否则认为故障转为一类故障，执行一类故障处理任务。 而系统的控制状态可分为：自动、本地和远程。其中自动是指发射机执行定时开关机；本地是指由本地操作员开关发射机；远程则是指由上位机操作员开关发射机。为防止冲突设置其优先级为：本地远程自动。2.4 开关控制开关控制主要分为开关发射机控制与故障保护开关控制两个部分。前者的控制方式又分为本地控制(就地控制)，远程控制(来自上位机的开关机信号)和定时控制(要求每天可设置7组时间参数)，并且需严格按顺序执行，如：“低压未合，此时“主电源合无效；“主电源合未合，此时“调制合无效。而后者则根据检测到的故障源进行相应的开关控制与报警。具体要求为： (1)当“低压合300毫秒后，检测I类故障量，若有任何一项故障，“主电源合无效，并显示故障告警。正常时，“主电源合才可启动。 (2)当“主电源合”300毫秒后，检测I类故障量，若有任何一项故障，发出“主电源断，并显示故障告警；检测“风机故障，“主电源故障状态量，若有任何一项故障，发出“禁止前级放大，(未上主电源前前级放大处于禁止状态)并显示故障告警；当以上状态检测量正常时，检测“前级放大输出故障”，若有故障，“调制合刀无效，并显示故障告警。正常时，“调制合一才可启动”。 (3)当“调制合后，此时机器正常播出，实时检测I类故障量，若有任何一项故障，发出“主电源断，并显示故障告警；实时检测“风故障”，“主电源故障状态量，若有任何一项故障，发出“禁止前级放大”和“调制断”，并显示故障告警：实时检测“电流过荷”，“反射越限”状态量，若有任何一项，要求“调制断”1秒钟后，恢复正常，5秒钟内连续三次“电流过荷或“反射越限”时，要求彻底“调制断”，并显示故障告警。2.5 数据采集采集的数据包括模拟量和开关量，其中一部分重要参数需送入人机接口设备（LCD屏或上位机显示器）实时显示，例如：主电源电压、电流，输出功率，发射功率，调幅度指示等。其它一些与系统允许相关的参数则采集并存储起来，以便之后工作人员通过人机接口进行历史记录查询和数据分析。对存储的数据量大小要求至少可记录一个月的历史数据，并可在上位机进行数据备份，则时间可存储数据量可依上位机硬盘空间大小而扩展。另外，由于采集数据量较大，为保证系统对故障反应的实时性，需要对有关故障判断的数据进行优先采集，即将书记采集任务分级，采集数据分批。并对采集到的数据进行数值滤波处理，提高数据的可靠性与抗干扰性。2.6 人机接口人机接口的设计原则要求针对性、简洁性与易操作性。考虑到与发射机相关的工作人员有本地操作人员，检修人员和远程监控室人员。因此分别为他们设计两处人机接口，即本地发射机人机接口与上位机远程人机接口。显示设备为发射机设备上配备的LCD屏和上位机显示器，输入设备则为本地按键和上位机键盘。2.7 具体要求如下：l 模拟量采集，26路，其中包括8个功放盒共用9路I/O通道，其中有一路是频率信号；l 输入开关量，11路，低电平有效；输出开关量，14路，低电平有效。l 对输入的模拟量要进行上、下限检查，越限时报警；l 输出的开关量要能够驱动固态继电器，驱动电流100mA，信号要稳定,以免造成误操作；l 微机应实现自动开、关机；l 对发射机各工作点实时监测功能，对发射机输入的模拟量和状态开关量进行显示，并能记录机器的工作状态，发生故障时立即记录故障时的状态；l 对发射机实行全面控制功能和各种异常保护功能；l 微机应具有远程通信功能；l 微机的可靠性要高，平均无故障运行1万小时以上。2.8 系统设计中抗高频干扰的考虑 2.8.1 干扰的来源与途径及对微机控制器的影响干扰的来源最主要的是发射机的电磁波，另外，还有来自电动机等设备及来自电源的各种脉冲干扰。高频干扰主要从三个途径窜入微机系统：一是来自空间的电磁波辐射对微机的干扰；二是干扰信号从地线窜入微机系统；三是干扰从取样信号传输线窜入微机系统。试验和实践证明，来自空间的电磁波干扰对微机系统不构成严重的威胁，而从地线和取样信号传输线进入计算机的高频干扰是威胁广播发射机微机控制器正常工作的主要原因。微机控制器受到干扰，轻则，可使取样信号不准确，取样信号的大小会随着发射机的幅度的大小变化，使控制器发生误操作；重则可使微机控制器程序紊乱，根本无法运行。 2.8.2 抗干扰的措施根据干扰的来源及途径，我们采取了相应的措施，有效的抑制了高频的干扰，使得微机控制器能稳定可靠地运行：1. 取样信号用传感器隔离传送。微机要对发射机进行监控，就必须将发射机或其它设备中取样出的各种信号传送给微机。如果发射机上的取样点直接与微机控制器输入接口连接来传送信号，即高频地与信号地共用，微机系统将遭受严重干扰，不能正常工作。所以我们采用信号地和高频地不共用的技术，将全部的信号经过传感器隔离传送至微机控制器。例如光电隔离传感器，在信号传送过程中把电信号转换为带有信息的光信号，将发射机的高频地与监控微机的信号地隔离开，避免了共地造成的干扰。2. 低通滤波措施微机控制器的信号输入端设置低通滤波电路，滤除高频干扰信号。对微机控制器的电源也采用低通滤波电路。广播发射机微机控制器接口电路采用模数转换和光电隔离等抗干扰技术。3. 在电路板设计中采取抗干扰设计。4. 选用高质量的开关电源模块对微机控制器供电。5. 在微机控制器的软件设计中采用软件滤波、重复输出等软件抗干扰技术。2.9 系统体系结构设计出于设计满足功能要求，易操作，低成本、高可靠性的广播发射机微机控制器的指导原则，应用分布式体系结构的思想，即分散控制与管理集中，从而提高系统的可靠性与实时性。如图2-1所示，采用多颗微控制器分别负责，对输入的模拟量信号而言，除去信号调理电路不论，可以将每一路信号直接接到单片机的A/D输入端，提高了系统数据采集与响应故障的速度。主控模块负责数据的存储，并与上位机、其它从微机控制模块之间进行通信以传递系统运行状态、参数数据和控制命令。实时时钟模块数据采集模块输出动作模块人机接口模块 主控模块 上位机图 2-1 系统体系结构 Fig 2-1 System Architecture2.10 发射机的用例模型用例部分着重于外界与系统的交互以系统的功能性要求，即广播发射机的开关机控制，数据采集，故障判断与处理，运行时的数据显示，数据存储与数据查询等；与此相对的，用例部分不关心系统的非功能性要求，包括系统的性能要求，目标硬件，编程语言等。将系统的需求按重要性分为必须型需求与应该型需求，如表2-1所示；行为者分类如表2-2所示。 表2-1 需求 Table 2-1 Requirement需求代号需求名称重要性A1开发射机必须A2关发射机必须A3系统查询 与记录应该A4系统设置应该 表2-2 行为者 Table 2-2 Actors行为者代号行为者名称控制优先级Remote Operator本机操作员高Local Operator 上位机操作员中System Clock系统时钟低Maintain Engineer技术支持工程师无Administrator系统管理员无Database上位机数据库无用例A1(如图2-1所示)，有三个行为者通过通信线与该用例连接，实际上本用例中的行为者与系统的交互仅表明开发射机需求可由三种操作方式实现：即本地操作员开机；上位机操作员开机和定时开机。即由某位行为者产生触发信号，系统执行开机并反馈给所有行为者开机是否成功的消息。这部分内容记录在该用例的用例描述文件中，见表23所示。为防止行为者间的冲突，指定本地操作员为特殊的行为者，将其一般化为上位机操作员，继续将行为者上位机操作员一般化为系统时钟。这样在行为者问便有了优先级之分。值得注意的是将系统时钟设定为行为者的原因。在这之前有必要介绍一下选择某“事物为行为者的原则：(1)该“事物是系统工作的组成部分，但并非依赖于系统的工作而存在；(2)系统设计中无需改变该“事物的某些方面。由于系统时钟的时间一般与人们生活中所用的时间保持一致，并且我们希望它们总是一致的。也就是说系统无需对系统时钟进行设置，除非它不“准时(例如系统初次使用时或者长年使用产生了累积误差时)。加之系统时钟往往采用实时时钟，这使得即使系统停止，系统时钟仍然在工作；而系统的一些用例，例如定时开关发射机，记录数据又是由系统时钟所触发的。可见它与其他行为者(自然人)的唯一不同仅仅是它并非独立于系统的存在而存在! 图2-2开发射机用例 Fig 2-2 Use Case of Turn-on Transmitter用例A1的描述性文件中详述了正常开机的步骤，对于用例图中的故障恢复开机的情况，例如系统短时掉电可恢复功能。作为正常开发射机用例的特例，即系统监控逻辑在判断出故障已解决需将发射机回复到原来的运行状态时执行的开机流程。而这部分功能可看作系统监控逻辑在决定重开发射机时，通知行为者一系统时钟，并由系统时钟触发开发射机。这样一来，故障恢复开机这一特例可被概括到正常开发射机用例中系统时钟按事件触发开机的情况了。而原先系统时钟触发正常开发射机的情况是指系统时钟按时间触发开机，即定时开机。因此该用例的描述性文件中着重介绍了开机这一需求，而对开机方式简单概括。用例A2与A1十分相似同样有上述三个行为者与之交互，故障关机作为正常关机的特例同样表明当系统监控逻辑判断要关机时通知系统时钟并有其触发关发射机，不同的只是执行关机的流程罢了。其用例图见图2-3所示，描述性文件见表2-4所示： 图2-3关发射机用例Fig 2-3 Use Case of Turn-off Transmitter 表2-3 开发射机描述文件Table 2-5 Prescription File of Use Case A1内容用例描述相关需求需求A1语境目标开发射机前提条件发射机的控制状态与行为者对应，否则需请求管理员改变控制状态行为者 控制状态 上位机操作员 远程 本地操作员 本地 系统时钟 自动成功的结束标志发射机进入运行状态失败的结束标志发射机进入故障状态主要行为者本地操作员，上位机操作员，系统时钟次要行为者无触发器主要行为者向广播发射机发出开机命令主要流程扩展步骤扩展步骤扩展步骤扩展步骤步骤 动作1 本地操作员发出开机命令2 封锁激励器3 检测低压故障4 正常，接通风机电源5 接通主电源1档6 检测风机状态、外部连锁和门连锁正常否7 正常，延时5秒，接通主电源2档8 主电源2档是否正常9 正常，检测功放板是否插好10 正常，接触激励器闭锁11 发射机进入运行状态步骤 分支动作1.1 上位机操作员发出开机命令1.2 系统时钟（包括时间和事件触发）发出开机命令步骤 分支动作4.1 若故障，向所有主要行为者发送故障源消息4.2 发射机进入故障状态步骤 分支动作6.1 若故障，断开主电源1档和风机电源6.2 向所有主要行为者发送故障源消息6.3 发射机进入故障状态步骤 分支动作8.1 若故障，断开主电源2档和主电源1档8.2 向所有主要行为者发送故障源消息8.3 接通报警信号8.4 发射机进入故障状态表 2-4 关发射机描述文件Table 2-4 Prescription File of Use Case A2内容用例描述相关需求需求A2语境目标关发射机前提条件发射机的控制状态与行为者对应，否则需请求管理员改变控制状态 行为者 控制状态 上位机操作员 远程 本地操作员 本地 系统时钟 自动成功的结束标志发射机进入停止状态失败的结束标志发射机进入故障状态主要行为者本地操作员，上位机操作员，系统时钟次要行为者无触发器主要行为者向广播发射机发出关机命令主要流程扩展步骤扩展步骤步骤 动作1 本地操作员发出关机命令2 封锁激励器3 关主电源2档4 关主电源1档5 延时四分钟6 关风机电源7 检测各电源是否正常关闭8 正常，发射机进入停止状态步骤 分支动作1.1 上位机操作员发出关机命令1.2 系统时钟发出关机命令步骤 分支动作8.1 若故障，向所有主要行为者发送故障源消息8.2 发射机进入故障状态用例A3(如图2-4所示)一方面表明外界对系统中各个设备对象的运行状态参数的查询功能，包括本地和上位机操作员对系统中电源、风机、激励器、功放的运行参数查询，历史记录查询和故障记录查询；还有系统时钟对系统状态、各部件运行参数的定时记录功能。另一方面当系统发生故障时，会主动向本地操作员和上位机操作员发出报警信号，并配合系统时钟记录故障源与故障发生时间。另外注意完全平行的上位机操作员的查询功能与本地操作员的查询功能事实上他们之间是有通信的，即在通信协议的支持下保证上位机数据库与本地微机控制器存储数据的同步更新。图 2-4 查询和记录用例Fig 2-4 Use Case of Record and Require用例A4(如图2-5所示)表明管理员对系统参数的设置，包括定时开关机时间、定时记录间隔时间和系统时间、日期设置；激励器输入信号类型、输入阻抗设置；发射机功率与频率设置等。而这些设置需要以管理员身份登录才可更改。而维修、检修工程师拥有修改系统出厂参数设置的权限。这两类行为者各来自厂家和用户，分别维护出厂设置和用户设置这两组数据。图2-5参数设置用例Fig 2-5 Use Case of Parameter Setting3 硬件设计3.1 嵌入式系统与微机控制器的选择嵌入式系统指嵌入到对象中的计算机系统。用以实现对象的智能化管理与控制。与通用计算机平台不同的是：嵌入式系统一般用专业处理器平台的系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专业计算机系统。它将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统中微机控制器是系统的核心，微机控制器的选择需要考虑应用的功能与性能要求，成本、功耗、易维护等因素，因此微控制器选择的根本原则是设计出满足应用的低成本产品。现今市面上可选的不同类型微控制器产品很多：有面向控制的51、PIC和AVR单片机；面向消费电子的高性能32位ARM控制器；面向高速信号处理的DSP及FPGA。考虑到广播发射机微机控制器的功能与性能要求，选单片机作为其微控制器，则在满足应用的前提下，实现了低成本与易维护的设计目标。方案一：采用凌阳公司生产的SPEC061A单片机。单片机算术运算能力强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制功耗小，技术比较成熟，成本较低，I/O口较多容易实现外扩，响应速度完全达到系统要求。但是根据本题目的实际要求，使用61单片机过于浪费资源，而且增加成本。方案二：采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。P89C51RD2单片机是一款具有ISP/IAP功能的单片机，它的片内具有64K字节Flash程序存储器、1K字节数据存储器、3个16位定时/计数器，6个中断、1个全双工串行口等资源。从内部构造还是编程方面51系列单片机都相对简单，容易掌握和使用，价格也相对低廉。但是使用51单片机的话还需要外界的ADC。方案三：采用PIC18F4620单片机，PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC指令系统单片机，其具有1K RAM，64K FLASH，丰富的I/O口资源，内置A/D，内置EEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用不广泛，放弃此方案。方案四：周立公开发的ARM单片机，拥有强大的32位接口，但是要想很好的运用ARM，需要对其充分的了解，由于时间和精力，我们没有去研究那方面的内容，而且现在市场上ARM比较少见，价格也比较昂贵。方案五：ATmega128，ATMEGA16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega128 的数据吞吐率高达16 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16单片机自带ADC模数转换器，方便使用。AVR系列单片机容易掌握和使用，JTAG等方便容易上手。经过各种方案论证和取材的方便程度，我们选择了ATMEGA128作为主控制核心，ATMEGA16作为从微机控制器。3.2 AVR单片机介绍AVR单片机是Atmel公司1997年推出的全新配置精简指令集(RISC)单片机系列，推出的具有众多成员的单片机家族，主要包括ATtiny、AT90、ATmega三个系列，其硬件结构从相对简单到复杂，功能增强，而指令系统向上兼容. 而ATmega系列单片机是AVR中高档产品，它承袭了AT90所具有的所有特点，并在AT90的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面有了更大地提高。同时，AVR单片机结合了PIC单片机和MCS-51单片机的优点，同时还做了一些重大改进，其主要的特点如下：l 片内集成可擦写10000次以上的Flash程序存储器；l 采用CMOS工艺技术，高速度(50ns)、低功耗(1A )、具有SLEEP功能；l AVR单片机采用哈佛总线结构程序存储器和数据存储器时分开的，微机处理器将直接访问全部程序存储器和数据存储器；l 工业级产品。具有大电流10mA-20mA(灌电流)或40mA(单一输出)的特点，可直接驱动继电器；l 超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器，相当于MCS-51的32个累加器。并可用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植；l 有异步通信DART硬件接口电路，采用单独的波特率发生器，并不占用定时器。具有SPI传输功能。因其高速，波特率可达576Kbps；l 高档AVR单片机MEGA系列的性能更加强大。如ATmega128有大容量的存储器(Flash 128K, EEPROM 4KB, RAM 4KB) , I/0端口53个、中断源34个、外部中断8个、SPI接口1个、IZC接口1个、8位定时器2个、16位定时器2个、PWM接口8个，有看门狗定时器，有实时时钟RTC，模拟比较器，8路10位A/D，可在线编程(ISP)和在应用自编程(IAP)，片内有RC振荡器、上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路，工作电压为2.7-5.5V。AVR单片机还在片内集成了可擦写100000次的EPROM数据存储器，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据保存，既方便了使用，减少了系统的空间，又大大提高了系统的保密性。3.3 多微控制器体系结构根据分布式系统结构要求设计了硬件电路，其结构框图如图3-1所示，具体则分为主控制模块、功率采集模块、人机接口模块、输出动作模块，采用1块ATmega128单片机为主控制器，3块ATmega16单片机作为从控制器，分别控制4块电路板。 主控单片机ATmega128 上位机通信接口 主机通信接口实时时钟数据存储 从机通信接口 从机通信接口 从机通信接口数据采集单片机ATmega16输出动作单片机ATmega16人机接口单片机ATmega16模拟量输入输出开关量输入输出模拟量输入输出开关量输入输出模拟量输入输出开关量输入输出键盘、LCD显示屏接口 图3-1 广播发射机微机控制器硬件结构 Fig 3-1 Hardware Structure of Transmitter Controller3.4 元器件选型元器件选型综合了应用要求，编程方便，性价比和芯片的普及通用等原则，对主要元件的选型如下：l 主控单片机选择ATmega128单片机，优点上面已经介绍。l 从单片机选择ATmega16。l 负责数据采集的AD转换器，采用单片机自带的ADC模拟输入通道l 数据的存储则选择4片I2C总线存储器AT24C512扩展到2MB，可完成故障记录和定时记录的存储功能。l 实时时钟选择较为常用的DS1302,负责故障记录的时间标签，并为定时开关机程序提供可查询的当前时间。l 显示屏选择信利公司的大屏图形LCD，型号：MST-G32024DBSW-213W-E，其控制器采用RAIO公司的RA8835，完全兼容SED1335控制器。完成显示模拟模块、开关量数据、查询历史记录，设置定时开关机参数，显示故障提示信息等功能。并可将发射功率、反射功率及调制度可以棒图方式显示，达到主要显示量的直观与美观要求。3.5 接口电路3.5.1串行数据存储器接口主控单片机扩展串行存储器接口电路如图3-2所示，其中单片机未画出，将单片机I/O口线PD0与PD1引出作为I2C总线的时钟控制线（SCL）和串行数据线（SDA）。 图3-2 串行数据存储器接口 Fig 3-2 Interface Circuit of Serial EEPROM该接口电路的特点为：（1）采用IIC总线串行存储器使得接口电路简单，较并口扩展节约单片机I/O总线；（2）扩展的存储器空间大，每片AT24C512为512K，可以扩展多片。（3）扩展存储大小灵活可变，最大可连8片，这里只用了4片，扩展了2M的空间。3.5.2 实时时钟接口如图3-3所示，时钟芯片与单片机未异步串行通信接口，单片机读时钟芯片可获得年月日时分秒星期等数据。还可以对上