數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

榆林廣播轉(zhuǎn)播臺(tái) 張斐 申連雄

為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的采集，并基于更高精度的數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷，開(kāi)展對(duì)其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。通過(guò)濾波電路與多路模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器選型、ARM微處理芯片選型等硬件設(shè)計(jì)和發(fā)射機(jī)運(yùn)行中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)采集驅(qū)動(dòng)程序等軟件設(shè)計(jì)，提出一種全新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)例應(yīng)用的方式證明，新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的高精度采集，將其數(shù)據(jù)采集誤差降低到1.00%以下。

目前數(shù)字化廣播發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)采集的設(shè)備或系統(tǒng)相對(duì)落后，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化的數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確記錄，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和判斷[1]。在當(dāng)前現(xiàn)有采集方式中，為了確保對(duì)發(fā)射機(jī)在運(yùn)行中實(shí)際情況的實(shí)時(shí)感知，保證所獲取或采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)具有真實(shí)性、時(shí)效性，需要安排專人采取一對(duì)一的形式對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。而在這樣長(zhǎng)期高頻、高溫和高噪聲的情況下，會(huì)進(jìn)一步影響人工數(shù)據(jù)采集的精度和準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要確保采集系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)接口電路的相互連接，并針對(duì)發(fā)生機(jī)在運(yùn)行時(shí)的入射功率、反射功率、駐波比等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。為了滿足上述應(yīng)用需要，本文設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hardware structure of the data acquisition system

由于數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)所運(yùn)行的環(huán)境是相對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境，高速數(shù)據(jù)采集更容易受到電磁波的干擾，進(jìn)而造成獲取到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真問(wèn)題。考慮到這一干擾因素的存在，引入U(xiǎn)SB串行總線的方式，完成對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)硬件的相互連接[3]。下面將主要針對(duì)濾波電路與多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器和ARM微處理芯片進(jìn)行詳細(xì)的選型設(shè)計(jì)說(shuō)明。

1.1 濾波電路與多路模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

在數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，需要獲取到的參數(shù)數(shù)據(jù)除了上述論述內(nèi)容以外，還包括電壓量、電流量、電阻量等，這些數(shù)據(jù)無(wú)法直接與A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，因此為了節(jié)約這一問(wèn)題，引入如圖2所示的數(shù)據(jù)信號(hào)處理及濾波電路[4]。

圖2 數(shù)據(jù)信號(hào)處理及濾波電路Fig.2 Data signal processing and filtering circuit

在圖2所示的電路當(dāng)中，應(yīng)用LC濾波器，利用該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸中噪聲的抑制。在對(duì)多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇時(shí)，選用ADG16060作為芯片的模擬開(kāi)關(guān)，以此將多路輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)用輸出[5]。同時(shí)，設(shè)定ADG16060在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)用電路與多用電路比值為17:1；電路數(shù)為1；運(yùn)行中的電源電壓為12V；電荷注入量為8pC。在將ADG16060應(yīng)用到本文采集系統(tǒng)當(dāng)中后，利用該裝置中自帶的控制鎖存器能夠?qū)崿F(xiàn)與ARM微處理芯片之間的連接。同時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，ADG16060可以實(shí)現(xiàn)更快速地開(kāi)關(guān)，通過(guò)時(shí)間可小于160ns，而閉合時(shí)間可小于150ns。

1.2 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器選型

在完成對(duì)濾波電路與多路模擬開(kāi)關(guān)的選型設(shè)計(jì)后，基于本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用需要，對(duì)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行選型。選用AD1640型號(hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該型號(hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器封裝/箱體為TSSOP-16格式；分辨率為12bit；結(jié)構(gòu)為SAR；模擬端單元的有效輸出電壓在1.7V～5.25V范圍內(nèi)；SINAD-信噪和失真率為73dB；ADC輸入端數(shù)量為8Input。在此基礎(chǔ)上，使用該型號(hào)的轉(zhuǎn)換器，利用此裝置中自帶的采樣保持裝置，將其與信號(hào)轉(zhuǎn)換端進(jìn)行直接通信連接。同時(shí)，將AD1640型號(hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到本文系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)刻將其直接與CPU總線進(jìn)行連接，通過(guò)AD1640型號(hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)分成高8位和低4位，完成兩次并行傳輸。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，AD1640型號(hào)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，具備極高的轉(zhuǎn)換速度，因此能夠?yàn)楸疚牟杉到y(tǒng)提供更高效率的采集條件。

1.3 ARM微處理芯片選型

針對(duì)ARM微處理芯片進(jìn)行選型設(shè)計(jì)說(shuō)明，選用ADUC7128B型號(hào)微處理芯片，將其應(yīng)用到本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中。該型號(hào)微處理芯片中集成了高速緩存、寫緩沖器、LCD控制器等。同時(shí)，考慮到本文此次研究選用的硬件需要具有較高的處理速度，還需要在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)定芯片在集成中的總線寬度在32bit～64bit范圍內(nèi)（具體數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中的設(shè)計(jì)需求設(shè)定）。設(shè)定芯片的輸入端與輸出端有效控制數(shù)量為在25～30 I/O范圍內(nèi)。為避免運(yùn)行中芯片出現(xiàn)負(fù)載問(wèn)題，可調(diào)整芯片的作業(yè)環(huán)境溫度，使其運(yùn)行作業(yè)環(huán)境的溫度在-40℃～+125℃范圍內(nèi)。ADUC7128B型號(hào)微處理芯片采用ARM46840架構(gòu)類型，其中包含了最高32位的微處理器，并且內(nèi)部含有Thumb代碼，能夠更方便本文采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射機(jī)運(yùn)行中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取

在對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取時(shí)，主要通過(guò)USB總線實(shí)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)的對(duì)外接口電路當(dāng)中為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了外部監(jiān)測(cè)和控制的接口，通過(guò)這一接口的連接不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制器與外部設(shè)備之間提供隔離保護(hù)。為確保所獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以滿足系統(tǒng)需要，需要在獲取信號(hào)過(guò)程中使用PLC模擬技術(shù)，對(duì)不同時(shí)段下的輸入信號(hào)進(jìn)行隔離。例如，針對(duì)大功率短波信號(hào)進(jìn)行一次隔離，將信號(hào)變送器與信號(hào)接收端的信號(hào)進(jìn)行隔離，通過(guò)此種方式，降低實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在獲取中對(duì)外界的干擾。

2.2 數(shù)據(jù)處理

完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取后，考慮到采集的數(shù)據(jù)可能存在一定的失真性，因此，還需要在此基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在處理數(shù)據(jù)時(shí)首先需要考慮的問(wèn)題是數(shù)據(jù)在傳輸中存在的干擾問(wèn)題，且發(fā)射機(jī)自身便是一個(gè)輻射端，當(dāng)輻射端存在直接發(fā)出的信號(hào)后，會(huì)存在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)信號(hào)被射頻干擾，因此，對(duì)反饋信號(hào)中的射頻信息進(jìn)行處理，處理過(guò)程如公式(1)所示：

公式（1）中：NF表示為射頻干擾信號(hào)的處理；K表示為發(fā)射機(jī)自身發(fā)出的干擾信號(hào)；M'表示為信號(hào)傳輸信道的穩(wěn)定性；S表示為載波信號(hào)。

完成上述相關(guān)處理后，考慮到發(fā)射機(jī)運(yùn)行中的環(huán)境較為復(fù)雜，且前端在高速運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)由于其采集頻次不當(dāng)出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)失真等問(wèn)題。在完成對(duì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理后，引進(jìn)串行通信技術(shù)，對(duì)發(fā)射機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向處理，此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射機(jī)運(yùn)行的雙向交互，在保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)幕A(chǔ)上，對(duì)易于拓展的價(jià)值性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在保證所獲取的數(shù)據(jù)信息具有真實(shí)性與時(shí)效性的基礎(chǔ)上，在發(fā)射機(jī)的前板表頭上進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合調(diào)控，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行描述，如公式（2）所示：

公式（2）中：P表示為前板表頭實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的綜合調(diào)控處理；ROL表示為數(shù)據(jù)響應(yīng)方式；γ表示為數(shù)據(jù)頻響程度；A表示為數(shù)據(jù)幅度；ε表示為雙向通信模式。完成上述處理后，還需要根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)接收后的表達(dá)方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的綜合轉(zhuǎn)換，將完成處理后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)使用轉(zhuǎn)換器傳輸。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，再使用中頻發(fā)射機(jī)在接口進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的同步獲取，通過(guò)此種方式，確保獲取數(shù)據(jù)與處理處理保持一定的同步性?？傊?，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要結(jié)合數(shù)據(jù)的不同表現(xiàn)方式、數(shù)據(jù)中攜帶的噪聲量、數(shù)據(jù)規(guī)模等參數(shù)，選擇不同的數(shù)據(jù)處理方式，從而確保處理后的數(shù)據(jù)可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要。

2.3 系統(tǒng)采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)采集的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)式的驅(qū)動(dòng)程序，將整個(gè)采集模塊劃分為高級(jí)的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和級(jí)別相對(duì)較低的USB函數(shù)層。為了能夠進(jìn)一步提升本文采集系統(tǒng)的通用性，在對(duì)其程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能簡(jiǎn)化，并在系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用能夠提供程序調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)際驅(qū)動(dòng)采集模塊進(jìn)行對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集時(shí)，可直接調(diào)用該數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的控制，從而獲取數(shù)據(jù)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)首先進(jìn)入到初始化狀態(tài)，并完成對(duì)采集設(shè)備熱插拔和動(dòng)態(tài)參數(shù)配置。在系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)到采集設(shè)備的接入后，在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中查找是否存在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用相關(guān)程序指導(dǎo)設(shè)備被正確配置位置。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)始與硬件設(shè)備進(jìn)行對(duì)話，由電源模塊負(fù)責(zé)喚醒采集設(shè)備，由I/O模塊完成I/O請(qǐng)求中的大部分工作，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集運(yùn)行。

3 實(shí)例應(yīng)用研究

上述論述中，分別從硬件層面和軟件層面完成對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一采集系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用可行性及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，選擇以某廣播電視臺(tái)作為依托，針對(duì)該廣播電視臺(tái)現(xiàn)運(yùn)行中的數(shù)字調(diào)制中波廣播發(fā)射機(jī)作為研究對(duì)象，利用上述設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)對(duì)該發(fā)生機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)采集結(jié)果對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用性能進(jìn)行探究。在運(yùn)行過(guò)程中，為確保采集系統(tǒng)運(yùn)行，將5V電源作為其供電裝置，并利用Delphi開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。為了驗(yàn)證該采集系統(tǒng)是否能夠在廣播發(fā)生機(jī)運(yùn)行的高頻、高溫和高噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并確保采集結(jié)果的精度，對(duì)采集系統(tǒng)輸入的電壓進(jìn)行調(diào)整，并在電壓變化的過(guò)程中，觀察得到的數(shù)據(jù)采集結(jié)果誤差。其誤差可通過(guò)如公式(3)所示計(jì)算得出：

公式（3）中，η表示為本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果誤差；m表示為采集數(shù)據(jù)集中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)量；m'表示為采集數(shù)據(jù)集中總數(shù)據(jù)量。根據(jù)上述公式計(jì)算得出的結(jié)果可完成對(duì)采集系統(tǒng)運(yùn)行中采集精度的評(píng)價(jià)：若計(jì)算得出的η值越大，則說(shuō)明系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果誤差越大，系統(tǒng)采集精度越低；反之，η值越小，則說(shuō)明系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果誤差越小，系統(tǒng)采集精度越高。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了確保對(duì)輸入電壓記錄的數(shù)據(jù)正確，選擇將精度為0.01的四位數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)輸入電壓進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)上述論述，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息記錄，并得到如表1所示的結(jié)果。

表1 本文采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果精度分析Tab.1 Accuracy analysis of the data collection results of the collection system in this paper

從表1中記錄的結(jié)果可以看出，本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，隨著輸入電壓數(shù)值的不斷下降，采集誤差呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，但其數(shù)值均能夠控制在1.00%以下，充分滿足廣播電視臺(tái)對(duì)于數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)運(yùn)行中數(shù)據(jù)采集的精度需要，誤差部分不會(huì)影響到對(duì)數(shù)字DAM中波廣播發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判斷。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用了100kHz的采樣時(shí)鐘頻率對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行取樣，得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果中系統(tǒng)分辨率能夠達(dá)到12位，充分滿足發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集要求。因此，通過(guò)上述得出的結(jié)果能夠證明，本文提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)的高精度采集。

4 結(jié)語(yǔ)

廣播與人們的日常生活息息相關(guān)。在這樣的背景下，對(duì)于廣播行業(yè)中各個(gè)裝置、設(shè)備的要求也隨著人們的需求不斷提升。為降低或減少在發(fā)射機(jī)運(yùn)維管理工作中人力持續(xù)投入的降低，實(shí)現(xiàn)從人工管理模式向智能化或自動(dòng)化監(jiān)控模式的過(guò)渡與轉(zhuǎn)型，為此，本文開(kāi)展對(duì)其數(shù)字DAM中波發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。進(jìn)一步提供發(fā)射機(jī)運(yùn)行安全保障，應(yīng)根據(jù)發(fā)射機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，采取有效的措施，進(jìn)行發(fā)射機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的監(jiān)控，并在發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，能夠通過(guò)獲取到的數(shù)據(jù)信息對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理。

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