基于ARM+FPGA技术的短波发射机调谐系统

刘奎富

【摘要】 本文主要介绍了以ARM11为核心的嵌入式主板6410结合FPGA技术在TBH-522型短波广播发射机调谐系统中的实现与应用，相较于传统X86嵌入式自动调谐系统，ARM+FPGA技术应用于在短波发射机调谐系统有较强的优势。

【关键字】 TBH-522型短波发射机 调谐 FPGA ARM 嵌入式

自动调谐系统控制套箱用以控制短波发射机的高频回路L和C元件在换频时的机械定位，在自动调谐的方式中，元件的“实际位置”具有总是跟踪“预置位置”的特点。旧系统主要由FPGA主板、X86嵌入式计算机、PM511P数模转换板，Windows CE系统软件及THB应用软件组成。使用过程中，发现旧系统长时间运转会偶发异态，随着技术发展，利用低耗固态ARM技术替代X86技术，在去掉X86嵌入式计算机、PM511P数模转换板的情况下，简化了系统结构；用嵌入式Linux-2.6.28.6替代Windows CE，去除了黑箱技术，系统更加稳定。

一、传统调谐系统存在的问题

TBH-522型短波发射机采用自动调谐系统控制发射机调谐，随着技术的进步，传统X86嵌入式自动调谐系统在运转过程中暴露出如下一些问题：

1.1散热不便

X86嵌入式计算机体积大，能耗高，风机散热点需求多。

1.2维护量大

采用PC104总线的PM511P多功能数据采集板的插座信号，引脚多，经常插拔PM511P板易造成器件损害；元器件较多，6U机箱分上下两层安装，接线复杂、维护不便；供给电源输出功率大，电压等级多，为防止电源损坏造成故障，需定期更换计算机电源。

1.3异态頻发

嵌入式计算机DDR内存条经常出现接触不良，作为主要存储介质的CF卡时有损害或传输不正常，也会导致故障。

1.4运行缓慢

X86嵌入式计算机操作系统启动时间约需2分钟，运行速度慢，且长时间运行会导致软件运行速度减慢。

新旧自动调谐系统框图对比如图1所示。

二、新系统的优点

2.1硬件方面

以ARM11为核心的嵌入式主板6410替代X86嵌入式计算机及5111P模数转换板，ARM11嵌入式主板外扩的40引脚系统总线直接与大规模可编程芯片FPGA、各种I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片组成的控制主板相连接，大大简化了硬件电路结构，降低了耗电量，无需风机散热，运行更稳定；自动调谐小盒的内部安装关系更为简明，外观上看，就是在一块控制板嵌入一个系统主板。

2.2软件方面

系统软件及应用软件是直接写入系统板的Flash中，不再写入CF卡，避免了由于CF卡自身原因引起的故障，减少了故障点；Flash的存储、运行速度更快，开机时间仅30秒左右；嵌入式Linux内核小，免费公开源代码，结构小巧，运行稳定，效率高。

三、新自动调谐系统主板电路的特性

3.1嵌入式主板ARM11-6410简介

嵌入式控制主板ARM11-S3C6410的开发板及其VGA模块：CPU处理器Samsung S3C6410A，ARM1176JZF-S核，主频533MHz，最高667MHz。DDR RAM内存256M，Flash存储256M/1GB NAND Flash掉电非易失闪存。

3.2 FPGA逻辑控制电路简介

FPGA充当系统的“下位机”作用，控制电机转动和送出现场的一些控制信号。在FPGA内部编制了用于自动调谐控制的逻辑控制，这些控制逻辑包括了与嵌入式系统交换数据的16位I/O并行数据总线、8路光电码盘的输入信号的处理电路、8路电机预置位置与8路电机实际位置的比较控制电路、8路步进电机正/反转控制电路、工作频率监测电路、与发射机电控保护及PSM之间的信号处理电路、LED数码显示电路等所有与自动调谐控制有关的逻辑电路。

3.3处理能力强、界面友好、硬件电路简化

用以AM-11为核心的嵌入式主板6410作为控制中心，处理能力强；于此同时，结合Linix操作系统下的QT编程设计，界面友好。采用了嵌入式主板外扩的40引脚系统总线直接与以大规模可编程芯片FPGA、各种I/O芯片、A/D芯片和D/A芯片组成的控制主板相连接，使得硬件电路大大简化。自动调谐小盒的内部安装关系也简单化了许多，就是一块大的控制板上，紧紧地嵌入一个系统主板。如图2所示。

图2 FPGA板+ARM6410板

3.4 模拟量输入及4路A/D采集电路

FPGA综合控制板的A/D转换电路部分，是采用美国AD公司的AD7864四个通道同步采样高速12位模数转换器。D/A部分是采用 MAX520/ MAX521四组/八组，二线串行8位DAC电路

四、新调谐系统的工作状态介绍

新调谐系统的工作流程主要可分为初始化、预置、细调、调谐完成、播音五个工作状态，其中细调又分为1路细调、3路细调和5路细调三个状态。新调谐系统界面如图3所示。

图3 新调谐系统界面示意图

图3给出了新自动调谐系统界面，包括工具栏、调谐进度状态栏、调谐操作栏、频率显示、电机位置显示、模拟量显示以及状态栏等等，与原系统界面保持基本一致，照顾到了旧有用户的使用习惯。

4.1初始化状态

当系统因为断电关机重新开机时，进入的工作状态就是初始化状态。该状态主要用于恢复上一次断电关机时的现场数据（即上一次关机时发射机的工作频率、8路电机的预置位置寄存器和实际位置寄存器中的数据值、天线开关等上一次关机前的所有实时数据，都保留在系统的实时库中）。

在初始化状态就是将实时库中的8路电机的实际位置数据，重新写入逻辑电路中，恢复这些数据（因为断电后逻辑电路中的所有数据都将丢失）。

在初始化状态在整个开机过程中，只在刚刚开机时出现一次。在逻辑设计上，后面的换频状态、预置状态、细调、调谐完成以及播音状态都会清除初始化状态，以后再也不会出现这个状态了。

4.2换频状态

换频状态是用于开通发射机的工作频率的状态，可以由上级通过指令控制也可以人工通过小键盘（或软键盘）输入频率两种方式换频。

输入频道号进行换频：按下操作键盘的“频道”键，输入要换频的频道号后，按下“确认”键。系统将根据输入的频道号，在频道库中查询到对应的工作频率。从换频接口电路输出，控制激励器按照要求的频率工作。

輸入频率进行换频：按下操作键盘的“频率”键，输入要换频的工作频率后，按下“确认”键。系统首先查询该工作频率在频道库中是否已经建立了频道号，若输入的频率在频道库中查到了频道号。系统将根据该频道号在频道库中查询到对应的工作频率，从换频接口电路输出，控制激励器按照要求的频率工作；若输入的频率在频道库中查不到了频道号。

系统首先在频道库建立一个新的频道号，并根据该频率在频率库中查询到所有库数据，建立对应的频道库数据（包括电机的预置位置，激励电平，模拟量补偿等）。其次，将该频率数据从换频接口电路输出，控制激励器按照要求的频率工作。

调节激励器电平操作：按下操作键盘的“电平”键，利用操作键盘上的“+”或“-”按键，来控制综合控制板上的DA输出大小，送给激励器去控制激励器信号的幅度大小。系统的DA输出1V控制激励器的信号幅度为0.5V，系统从综合控制板读回频率的测量结果。当测量的频率等于要求的工作频率时，即换频成功该状态结束。

4.3 预置状态

系统将根据换频状态的频率从频道库中，取出电机对应的预置数据。分别输出到FPGA的电机对应的预置寄存器中，控制逻辑将自动控制电机转动运行直到实际位置等于要求的预置位置为止。系统监测到电机的实际位置均到达所要求的预置位置时，预置状态完成。系统将进入细调状态，开始1路、3路、5路的细调。

4.4 1、3、5路细调状态

系统从A/D电路的通道1读入前级鉴相器的数值，根据采集到的具体数值输出细调控制命令。当读入的前级鉴相器数值是正数，说明前级回路是感性失谐。需要控制1路电机正转以增大1路电容器数值，使回路谐振；当读入的前级鉴相器数值是负数，说明前级回路是容性失谐。需要控制1路电机反转以减小1路电容器数值，使回路谐振；当读入的前级鉴相器数值等于0时，说明前级回路谐振了，就不要再调了。3路细调状态：系统从A/D电路的通道2读入末级鉴相器的数值，根据采集到的具体数值输出细调控制命令。当读入的末级鉴相器数值是正数，说明末级回路是感性失谐。需要控制3路电机正转以增大3路电容器数值，使末级回路谐振；当读入的末级鉴相器数值是负数，说明末级回路是容性失谐。需要控制3路电机反转以减小3路电容器数值，使末级回路谐振；当读入的末级鉴相器数值等于0时，说明末级回路谐振了，就不要再调了。 5路细调状态：系统从A/D电路的通道3读入末级鉴阻器的数值，根据采集到的具体数值输出细调控制命令。当读入的末级鉴阻器数值是正数，说明末级输出回路是感性失谐。需要控制5路电机正转以增大5路电容器数值，使末级输出回路谐振；当读入的末级鉴阻器数值是负数，说明末级输出回路是容性失谐。需要控制5路电机反转以减小5路电容器数值，使末级输出回路谐振；当读入的前级鉴相器数值等于0时，说明末级输出回路谐振了，就不要再调了。

4.5 调谐完成状态

细调状态完成后，系统进入调谐完成状态（实际是进入等待播音的状态）。这时系统随时响应人工手动操作，返回到需要的细调状态或其它状态。

4.6 播音状态

调谐完成后，FPGA根据嵌入式发送过来的状态信号将音频允许信号送入保护装置，此时发射机调整到最佳调谐状态，将音频信号加到载波上发射出去。系统进入播音状态，系统直接给逻辑送音频命令和送出切断电机驱动器电源的命令。半自动，手动模式下，为不切换音频的倒频，需要按键“0”命令送音频远程的命令，分为倒频不切音频，倒频切音频，送音频。

4.7 新调谐系统的检修状态

在界面上的“检修”状态点亮，即表示系统进入检修状态。检修时，可以使用系统的软键盘或前面板上的小键盘进行操作。当按下“复位”功能键时，8路电机都将被复位到“下限位”位置。 当按下“预置”功能键时，可以通过1～8数字键选择要预置的路数。再输入该路要求的预置值，按下“确认”键，电机就转到预置位置。当按下“预置”功能键时，可以通过1～8数字键选择要预置的路数。然后也可以按动“+”“-”键，进行电机正、反转微调位置。也可以通过小键盘的功能键，进行系统对激励器控制；在更换电容器、电感回路检修时，重新校正下限位。

五、总结

新的自动调谐系统采用ARM11-6410嵌入式系统和FPGA大规模可编程门阵列电路组合使系统结构简化，工作更稳定可靠，免维护，具有一定的先进性和推广性。