调频广播发射机控制器硬件系统设计.docx

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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

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

THEDESIGNOFTHEFMRADIOTRANSMITTERCONTROLLERHANDWARESYSTEM

ABSTRACT

Broadcasttransmittercontrollerisasetofautomaticmonitorandcontrolequipmentforbroadcasttransmitter.Itcanswitchthetransmitterontime,samplethedatawhileitisrunning,judgefaultandtriggerthealarm.Theapplicationofembeddedmicro-controllerinthefieldofbroadcasttransmitterispronetofocusonplentyofmanagementfunctionotherthanthebasicmonitorandcontrolmissionasbefore.Thecomplexityofapplicationdecidesthecomplexityofdesign.Itisachallengethathowtomanagethecomplexityofdesignandmakeitobeytounifiedcriterion.

Inthestageofsystemdesign,Iapplyusecase-drivenforrequireanalysisanddesign.Inthestageofhardwaredesign,IdesigntheAVR-basedmulti-controllerarchitectureandcompletetheinterfacecircuitdesigntomeettherequirement.Accordingtotheformerfunctiondemand,themicro-controllerisformedbymaincontrolmodule,powersamplemodule,operatorandmachineinterfacemoduleandoutputactionmodule.Theoperatorandmachineinterfacemodulehastakenthepopularlarge-screenLCDskill,whichiscombinedwiththekeyboard.Afterthat,themicro-controller‘soperationperformanceisveryremarkableandit'seffectwasclosetothePC.Atlast,forimprovingtheanti-interferingabilityoftheMicro-controller,ithastakenthepresentresearchproductionofthemicro-chipcomputeranti-interferingtechnology,andappliedthespecialanti-interferingdesigntothesystemcircuit.Forexample,ithasaddedthefiltercircuitintotheanaloginputchannel,thelight-electricisolationcircuitintothedigitalinputchannel,anddesignedthespecialelectricalboard.

KEYWORDS:

RadioTransmittermicro-chipcomputermicro-controller

AVR

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Ⅱ类故障（表2．2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：

●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；

●输入开关量，11路，低电平有效；输出开关量，14路，低电平有效。

●对输入的模拟量要进行上、下限检查，越限时报警；

●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；

●微机应实现自动开、关机；

●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；

●对发射机实行全面控制功能和各种异常保护功能；

●微机应具有远程通信功能；

●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。

图2-1系统体系结构

Fig2-1SystemArchitecture

2.10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

Table2-1Requirement

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

Table2-2Actors

行为者代号

行为者名称

控制优先级

RemoteOperator

本机操作员

高

LocalOperator

上位机操作员

中

SystemClock

系统时钟

低

MaintainEngineer

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2．3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

Fig2-2UseCaseofTurn-onTransmitter

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