基于ARM+FPGA技術(shù)的短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)

劉奎富

【摘要】 本文主要介紹了以ARM11為核心的嵌入式主板6410結(jié)合FPGA技術(shù)在TBH-522型短波廣播發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)X86嵌入式自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)，ARM+FPGA技術(shù)應(yīng)用于在短波發(fā)射機(jī)調(diào)諧系統(tǒng)有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵字】 TBH-522型短波發(fā)射機(jī) 調(diào)諧 FPGA ARM 嵌入式

自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)控制套箱用以控制短波發(fā)射機(jī)的高頻回路L和C元件在換頻時(shí)的機(jī)械定位，在自動(dòng)調(diào)諧的方式中，元件的“實(shí)際位置”具有總是跟蹤“預(yù)置位置”的特點(diǎn)。舊系統(tǒng)主要由FPGA主板、X86嵌入式計(jì)算機(jī)、PM511P數(shù)模轉(zhuǎn)換板，Windows CE系統(tǒng)軟件及THB應(yīng)用軟件組成。使用過程中，發(fā)現(xiàn)舊系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)偶發(fā)異態(tài)，隨著技術(shù)發(fā)展，利用低耗固態(tài)ARM技術(shù)替代X86技術(shù)，在去掉X86嵌入式計(jì)算機(jī)、PM511P數(shù)模轉(zhuǎn)換板的情況下，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；用嵌入式Linux-2.6.28.6替代Windows CE，去除了黑箱技術(shù)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

一、傳統(tǒng)調(diào)諧系統(tǒng)存在的問題

TBH-522型短波發(fā)射機(jī)采用自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)控制發(fā)射機(jī)調(diào)諧，隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)X86嵌入式自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中暴露出如下一些問題：

1.1散熱不便

X86嵌入式計(jì)算機(jī)體積大，能耗高，風(fēng)機(jī)散熱點(diǎn)需求多。

1.2維護(hù)量大

采用PC104總線的PM511P多功能數(shù)據(jù)采集板的插座信號，引腳多，經(jīng)常插拔PM511P板易造成器件損害；元器件較多，6U機(jī)箱分上下兩層安裝，接線復(fù)雜、維護(hù)不便；供給電源輸出功率大，電壓等級多，為防止電源損壞造成故障，需定期更換計(jì)算機(jī)電源。

1.3異態(tài)頻發(fā)

嵌入式計(jì)算機(jī)DDR內(nèi)存條經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良，作為主要存儲(chǔ)介質(zhì)的CF卡時(shí)有損害或傳輸不正常，也會(huì)導(dǎo)致故障。

1.4運(yùn)行緩慢

X86嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約需2分鐘，運(yùn)行速度慢，且長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致軟件運(yùn)行速度減慢。

新舊自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)框圖對比如圖1所示。

二、新系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.1硬件方面

以ARM11為核心的嵌入式主板6410替代X86嵌入式計(jì)算機(jī)及5111P模數(shù)轉(zhuǎn)換板，ARM11嵌入式主板外擴(kuò)的40引腳系統(tǒng)總線直接與大規(guī)模可編程芯片F(xiàn)PGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接，大大簡化了硬件電路結(jié)構(gòu)，降低了耗電量，無需風(fēng)機(jī)散熱，運(yùn)行更穩(wěn)定；自動(dòng)調(diào)諧小盒的內(nèi)部安裝關(guān)系更為簡明，外觀上看，就是在一塊控制板嵌入一個(gè)系統(tǒng)主板。

2.2軟件方面

系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件是直接寫入系統(tǒng)板的Flash中，不再寫入CF卡，避免了由于CF卡自身原因引起的故障，減少了故障點(diǎn)；Flash的存儲(chǔ)、運(yùn)行速度更快，開機(jī)時(shí)間僅30秒左右；嵌入式Linux內(nèi)核小，免費(fèi)公開源代碼，結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。

三、新自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)主板電路的特性

3.1嵌入式主板ARM11-6410簡介

嵌入式控制主板ARM11-S3C6410的開發(fā)板及其VGA模塊：CPU處理器Samsung S3C6410A，ARM1176JZF-S核，主頻533MHz，最高667MHz。DDR RAM內(nèi)存256M，F(xiàn)lash存儲(chǔ)256M/1GB NAND Flash掉電非易失閃存。

3.2 FPGA邏輯控制電路簡介

FPGA充當(dāng)系統(tǒng)的“下位機(jī)”作用，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和送出現(xiàn)場的一些控制信號。在FPGA內(nèi)部編制了用于自動(dòng)調(diào)諧控制的邏輯控制，這些控制邏輯包括了與嵌入式系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的16位I/O并行數(shù)據(jù)總線、8路光電碼盤的輸入信號的處理電路、8路電機(jī)預(yù)置位置與8路電機(jī)實(shí)際位置的比較控制電路、8路步進(jìn)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)控制電路、工作頻率監(jiān)測電路、與發(fā)射機(jī)電控保護(hù)及PSM之間的信號處理電路、LED數(shù)碼顯示電路等所有與自動(dòng)調(diào)諧控制有關(guān)的邏輯電路。

3.3處理能力強(qiáng)、界面友好、硬件電路簡化

用以AM-11為核心的嵌入式主板6410作為控制中心，處理能力強(qiáng)；于此同時(shí)，結(jié)合Linix操作系統(tǒng)下的QT編程設(shè)計(jì)，界面友好。采用了嵌入式主板外擴(kuò)的40引腳系統(tǒng)總線直接與以大規(guī)?？删幊绦酒現(xiàn)PGA、各種I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片組成的控制主板相連接，使得硬件電路大大簡化。自動(dòng)調(diào)諧小盒的內(nèi)部安裝關(guān)系也簡單化了許多，就是一塊大的控制板上，緊緊地嵌入一個(gè)系統(tǒng)主板。如圖2所示。

圖2 FPGA板+ARM6410板

3.4 模擬量輸入及4路A/D采集電路

FPGA綜合控制板的A/D轉(zhuǎn)換電路部分，是采用美國AD公司的AD7864四個(gè)通道同步采樣高速12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。D/A部分是采用 MAX520/ MAX521四組/八組，二線串行8位DAC電路

四、新調(diào)諧系統(tǒng)的工作狀態(tài)介紹

新調(diào)諧系統(tǒng)的工作流程主要可分為初始化、預(yù)置、細(xì)調(diào)、調(diào)諧完成、播音五個(gè)工作狀態(tài)，其中細(xì)調(diào)又分為1路細(xì)調(diào)、3路細(xì)調(diào)和5路細(xì)調(diào)三個(gè)狀態(tài)。新調(diào)諧系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 新調(diào)諧系統(tǒng)界面示意圖

圖3給出了新自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)界面，包括工具欄、調(diào)諧進(jìn)度狀態(tài)欄、調(diào)諧操作欄、頻率顯示、電機(jī)位置顯示、模擬量顯示以及狀態(tài)欄等等，與原系統(tǒng)界面保持基本一致，照顧到了舊有用戶的使用習(xí)慣。

4.1初始化狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)閿嚯婈P(guān)機(jī)重新開機(jī)時(shí)，進(jìn)入的工作狀態(tài)就是初始化狀態(tài)。該狀態(tài)主要用于恢復(fù)上一次斷電關(guān)機(jī)時(shí)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)（即上一次關(guān)機(jī)時(shí)發(fā)射機(jī)的工作頻率、8路電機(jī)的預(yù)置位置寄存器和實(shí)際位置寄存器中的數(shù)據(jù)值、天線開關(guān)等上一次關(guān)機(jī)前的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，都保留在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)庫中）。

在初始化狀態(tài)就是將實(shí)時(shí)庫中的8路電機(jī)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)，重新寫入邏輯電路中，恢復(fù)這些數(shù)據(jù)（因?yàn)閿嚯姾筮壿嬰娐分械乃袛?shù)據(jù)都將丟失）。

在初始化狀態(tài)在整個(gè)開機(jī)過程中，只在剛剛開機(jī)時(shí)出現(xiàn)一次。在邏輯設(shè)計(jì)上，后面的換頻狀態(tài)、預(yù)置狀態(tài)、細(xì)調(diào)、調(diào)諧完成以及播音狀態(tài)都會(huì)清除初始化狀態(tài)，以后再也不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)狀態(tài)了。

4.2換頻狀態(tài)

換頻狀態(tài)是用于開通發(fā)射機(jī)的工作頻率的狀態(tài)，可以由上級通過指令控制也可以人工通過小鍵盤（或軟鍵盤）輸入頻率兩種方式換頻。

輸入頻道號進(jìn)行換頻：按下操作鍵盤的“頻道”鍵，輸入要換頻的頻道號后，按下“確認(rèn)”鍵。系統(tǒng)將根據(jù)輸入的頻道號，在頻道庫中查詢到對應(yīng)的工作頻率。從換頻接口電路輸出，控制激勵(lì)器按照要求的頻率工作。

輸入頻率進(jìn)行換頻：按下操作鍵盤的“頻率”鍵，輸入要換頻的工作頻率后，按下“確認(rèn)”鍵。系統(tǒng)首先查詢該工作頻率在頻道庫中是否已經(jīng)建立了頻道號，若輸入的頻率在頻道庫中查到了頻道號。系統(tǒng)將根據(jù)該頻道號在頻道庫中查詢到對應(yīng)的工作頻率，從換頻接口電路輸出，控制激勵(lì)器按照要求的頻率工作；若輸入的頻率在頻道庫中查不到了頻道號。

系統(tǒng)首先在頻道庫建立一個(gè)新的頻道號，并根據(jù)該頻率在頻率庫中查詢到所有庫數(shù)據(jù)，建立對應(yīng)的頻道庫數(shù)據(jù)（包括電機(jī)的預(yù)置位置，激勵(lì)電平，模擬量補(bǔ)償?shù)龋Ｆ浯?，將該頻率數(shù)據(jù)從換頻接口電路輸出，控制激勵(lì)器按照要求的頻率工作。

調(diào)節(jié)激勵(lì)器電平操作：按下操作鍵盤的“電平”鍵，利用操作鍵盤上的“+”或“-”按鍵，來控制綜合控制板上的DA輸出大小，送給激勵(lì)器去控制激勵(lì)器信號的幅度大小。系統(tǒng)的DA輸出1V控制激勵(lì)器的信號幅度為0.5V，系統(tǒng)從綜合控制板讀回頻率的測量結(jié)果。當(dāng)測量的頻率等于要求的工作頻率時(shí)，即換頻成功該狀態(tài)結(jié)束。

4.3 預(yù)置狀態(tài)

系統(tǒng)將根據(jù)換頻狀態(tài)的頻率從頻道庫中，取出電機(jī)對應(yīng)的預(yù)置數(shù)據(jù)。分別輸出到FPGA的電機(jī)對應(yīng)的預(yù)置寄存器中，控制邏輯將自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行直到實(shí)際位置等于要求的預(yù)置位置為止。系統(tǒng)監(jiān)測到電機(jī)的實(shí)際位置均到達(dá)所要求的預(yù)置位置時(shí)，預(yù)置狀態(tài)完成。系統(tǒng)將進(jìn)入細(xì)調(diào)狀態(tài)，開始1路、3路、5路的細(xì)調(diào)。

4.4 1、3、5路細(xì)調(diào)狀態(tài)

系統(tǒng)從A/D電路的通道1讀入前級鑒相器的數(shù)值，根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值是正數(shù)，說明前級回路是感性失諧。需要控制1路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大1路電容器數(shù)值，使回路諧振；當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值是負(fù)數(shù)，說明前級回路是容性失諧。需要控制1路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小1路電容器數(shù)值，使回路諧振；當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值等于0時(shí)，說明前級回路諧振了，就不要再調(diào)了。3路細(xì)調(diào)狀態(tài)：系統(tǒng)從A/D電路的通道2讀入末級鑒相器的數(shù)值，根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值是正數(shù)，說明末級回路是感性失諧。需要控制3路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大3路電容器數(shù)值，使末級回路諧振；當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值是負(fù)數(shù)，說明末級回路是容性失諧。需要控制3路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小3路電容器數(shù)值，使末級回路諧振；當(dāng)讀入的末級鑒相器數(shù)值等于0時(shí)，說明末級回路諧振了，就不要再調(diào)了。 5路細(xì)調(diào)狀態(tài)：系統(tǒng)從A/D電路的通道3讀入末級鑒阻器的數(shù)值，根據(jù)采集到的具體數(shù)值輸出細(xì)調(diào)控制命令。當(dāng)讀入的末級鑒阻器數(shù)值是正數(shù)，說明末級輸出回路是感性失諧。需要控制5路電機(jī)正轉(zhuǎn)以增大5路電容器數(shù)值，使末級輸出回路諧振；當(dāng)讀入的末級鑒阻器數(shù)值是負(fù)數(shù)，說明末級輸出回路是容性失諧。需要控制5路電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小5路電容器數(shù)值，使末級輸出回路諧振；當(dāng)讀入的前級鑒相器數(shù)值等于0時(shí)，說明末級輸出回路諧振了，就不要再調(diào)了。

4.5 調(diào)諧完成狀態(tài)

細(xì)調(diào)狀態(tài)完成后，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)諧完成狀態(tài)（實(shí)際是進(jìn)入等待播音的狀態(tài)）。這時(shí)系統(tǒng)隨時(shí)響應(yīng)人工手動(dòng)操作，返回到需要的細(xì)調(diào)狀態(tài)或其它狀態(tài)。

4.6 播音狀態(tài)

調(diào)諧完成后，F(xiàn)PGA根據(jù)嵌入式發(fā)送過來的狀態(tài)信號將音頻允許信號送入保護(hù)裝置，此時(shí)發(fā)射機(jī)調(diào)整到最佳調(diào)諧狀態(tài)，將音頻信號加到載波上發(fā)射出去。系統(tǒng)進(jìn)入播音狀態(tài)，系統(tǒng)直接給邏輯送音頻命令和送出切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源的命令。半自動(dòng)，手動(dòng)模式下，為不切換音頻的倒頻，需要按鍵“0”命令送音頻遠(yuǎn)程的命令，分為倒頻不切音頻，倒頻切音頻，送音頻。

4.7 新調(diào)諧系統(tǒng)的檢修狀態(tài)

在界面上的“檢修”狀態(tài)點(diǎn)亮，即表示系統(tǒng)進(jìn)入檢修狀態(tài)。檢修時(shí)，可以使用系統(tǒng)的軟鍵盤或前面板上的小鍵盤進(jìn)行操作。當(dāng)按下“復(fù)位”功能鍵時(shí)，8路電機(jī)都將被復(fù)位到“下限位”位置。 當(dāng)按下“預(yù)置”功能鍵時(shí)，可以通過1～8數(shù)字鍵選擇要預(yù)置的路數(shù)。再輸入該路要求的預(yù)置值，按下“確認(rèn)”鍵，電機(jī)就轉(zhuǎn)到預(yù)置位置。當(dāng)按下“預(yù)置”功能鍵時(shí)，可以通過1～8數(shù)字鍵選擇要預(yù)置的路數(shù)。然后也可以按動(dòng)“+”“-”鍵，進(jìn)行電機(jī)正、反轉(zhuǎn)微調(diào)位置。也可以通過小鍵盤的功能鍵，進(jìn)行系統(tǒng)對激勵(lì)器控制；在更換電容器、電感回路檢修時(shí)，重新校正下限位。

五、總結(jié)

新的自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)采用ARM11-6410嵌入式系統(tǒng)和FPGA大規(guī)模可編程門陣列電路組合使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，工作更穩(wěn)定可靠，免維護(hù)，具有一定的先進(jìn)性和推廣性。