调频广播发射机控制器监控软件设计.docx

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调频广播发射机控制器监控软件设计

题目调频广播发射机控制器监控软件设计

学院制造科学与工程学院

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名　

摘要

随着科学技术特别是智能技术和电子技术的不断进步，并逐渐地融为一体，当今世界已经掀起了数字化、信息化、智能化的热潮，在此大趋势的推动下，广播电视事业得到了飞速的发展。

自动化、智能化的要求对广播发射机提出了新的挑战，它不再要求靠人工来完成开关机和各种时刻的状态检测，而应该具有自动控制功能，以此来实现广播发射台“无人值守”。

微控制器作为广播发射机的控制核心，主要任务是完成广播发射机的智能开关机控制、实时监控和故障处理等功能，并通过数据通信将下位机的工作状态数据传送给上位机存储。

微控制器的软件设计思想是，在满足系统可行性的要求的前提下，提出了统一性、严密性、合理性的程序结构以及有效地规划系统资源等要求，来保证发射机系统运行的实时性、稳定性和可靠性。

鉴于系统功能的要求，微控制器采用了主CPU和从CPU的结构。

其中主CPU的运行规则在于，首先要将需处理的任务进行等级划分，然后按照优先级别实现任务的调度分配，优先级高的率先执行，优先级别低的则采用先保存后执行的方法，在此过程中采用了中断分级处理方法以及耗时程序的分批处理，来保证程序的正常运行。

同时，因为电子设备所处的环境中，通常存在大量的各种干扰因素，所以在广播发射机微控制器中，除了在硬件上进行抗干扰设计外，也考虑了软件的抗干扰设计：

采用算术平均实现模拟量输入的抗干扰，采用概率统计的方法实现开关量输入的抗干扰，而在程序运行的抗干扰设计中，采用的方法包括指令冗余技术、设置陷阱技术和看门狗技术等，这些技术对于程序的正常运行具有十分重大地意义。

关键字广播发射机微控制器单片机监控

FMradiotransmittercontrollermonitorsthesoftwaredesign

Major:

MechanicalDesignandManufacturingAutomation

CandidateFeiGuDirectorZhenYuHan

Abstrct

Asscienceandtechnology,especiallysmarttechnologyandelectronictechnologycontinuestoprogress,andgraduallyblendintheworldtodayhaslaunchedadigital,informationtechnology,intelligentboominthistrend,drivenbyradioandtelevisionbroadcastinghasbeenrapiddevelopment.Automationandintelligencerequirementsofbroadcasttransmittersofnewchallenges,itisnolongerrequiredbyartificialstatedetectionswitchmachinesandavarietyoftimes,theyshouldhavethefunctionofautomaticcontrol,radiotransmittinginordertoachieve"nopeopleonduty."Microcontrollerasthecoreofthecontrolofthebroadcasttransmitter,themaintaskisthecompletionofbroadcasttransmittersintelligentswitchingcontrol,real-timemonitoringandtroubleshootingfunctions,andlowertheworkingstatusofdatatransmissionthroughdatacommunicationtothehostcomputerstorage.Microcontrollersoftwaredesignideaistomeettherequirementsofthesystemfeasibilityunderthepremiseofuniformity,rigor,andthereasonablenessoftheprogramstructureaswellaseffectiveplanningsystemtoensurethatthetransmittersystemisrunningreal-time,stabilityandreliability.Viewofsystemfunctionalrequirements,themicrocontrollerusingthemainCPUandtheCPUstructure.OperatingrulesofthehostCPUisfirstofallwanttobedisposedoftasksgraded,andthenallocatedinaccordancewiththeprioritytoachievethetaskofschedulingthefirstimplementationofhighpriority,lowpriorityisperformedafterthefirstsave,thisprocessisusedtointerrupttheclassificationapproachandtime-consumingproceduresforbatchprocessing,toensurethenormaloperationoftheprogram.Atthesametime,becausetheenvironmentofelectronicequipment,usuallytherearealargevarietyofconfoundingfactors,broadcasttransmittermicrocontrollerinadditiontoanti-jammingdesignhardware,considertheanti-jammingdesignofthesoftware:

thearithmeticmeananti-interferenceoftheanaloginput,probabilityandstatistics,theswitchinputtheanti-jamming,anti-jammingdesignoftheprogramisrunning,themethodsusedincludedinstructionredundancy,settrapsandwatchdogthesetechnologiesforthenormaloperationoftheprogramhasaverysignificantmanner.

Keywordbroadcasttransmittermicrocontrollermicrocontrollermonitoring

第一章绪论

一国内外广播发射机微控制器的发展现状

经过几十年的发展，我国广播电视无线发射设备取得了巨大进步。

回顾其发展历史，按照放大器件来分，可以分成三个阶段：

第一阶段：

全电子管时代，在20世纪70年代以前，广播电视发射机的主

要放大器件是电子管，对于功率大于10KW的发射机，一般需要三级电子管放大器。

这一时期，发射机的控制系统是利用各种机械开关，配合各种继电器，完成对发射机的控制。

第二阶段：

半固态半电子管时代，进入20世纪80年代，随着半导体技术的发展，特别是大功率半导体放大器的研制成功。

这一时期，发射机的第一级和第二级放大器都采用半导体放大器，第三级放大器仍然采用电子管放大器。

发射机的控制系统主要利用组合逻辑控制电路代替普通继电器控制电路。

[1]

第三阶段：

全固态阶段，进入20世纪90年代，随着更大功率固态放大器的研制成功，广播电视发射机实现了全固态化。

即，发射机的放大器全部由晶体管放大器组成，充分利用功率分配与合成网络完成功率分配与合成。

随着计算机技术的发展，特别是单片机控制技术的发展和日趋完善。

这一时期，发射机的控制系统主要由多个单板机组成分布式计算机控制系统构成，同时，发射机具有模拟并行监控接口和RS-232、RS-422或RS-485等计算机监控接口，为实现远程监控提供了方便。

EPSON单片机以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。

广泛用于工业控制、医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费类产品等领域。

目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列和八位单片机SMC88系列。

8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

ATMEL公司的AVR单片机，是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V，可以实现耗电最优化。

.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器、宇航设备等各个领域。

[2]

广播发射机微控制器中单片机所实现的主要功能：

（1）自动开关机

（2）自动巡检并且发出警报

（3）记忆广播发射机的运行状态和其他实时数据

（4）发生故障能报警的同时能够自动处理某些故障

二微控制器实现功能的意义及其目的

广播发射机是将信号按一定频率发射的装置，广泛应用于广播、电视、雷达等各种民用、军用领域，主要可分为调频发射机，调幅发射机，光发射机等多种类型。

广播发射机测控系统是作为广播发射机的监控装置，通过其与广播发射机的接口电路，实现对发射机的状态检测并且向发射机发出控制命。

在广播发射机微控制器出现之前，由于不能及时了解发射机的工作状况，判断故障源，在发射机工作过程中如果出现故障，维护人员短时间内找不到故障点，排除不了故障，这将造成发射机发射质量下降或较长时间的停播事故。

另外，广播发射机一般位于高塔或山上，工作条件艰苦。

电台广播机值班人员需不断的对广播发射机状态进行监视，并记录下相关状态，工作强度大，并且有强的噪音，很容易使工作人员疲劳和疏忽并影响电台播出质量。

通过应用嵌入式技术，给广播发射机设计、安装微控制器，对广播发射机进行在线监控和检测，就能及时发现故障并处理，减轻了值机、维护人员的负担，而且运用通讯技术后，还能实现广播发射机的“无人值守”，方便发射机组网，使其作为广播台的一台网络设备供调度中心集中管理。

广电系统也对该系统的各个部门提出了更高的要求，逐步实现自动化、智能化和数字化，全力推进广播电视数字化是我国“十一五”期间广播电视事业的主要任务之一。

在这种情况下，广播发射机的设计和改进也面临着新的挑战，它不单再要求具有自动开关机和状态检测等简单功能，而是应该具有更高的智能化水平，并且具有网络通信能力。

[3]

因此，广播发射机自动监控技术己是广电领域研究开发的一个重点方向。

广播发射机设备向智能化、网络化发展己是必然趋势。

三课题的来源

本课题是受陕西数字广播通讯设备有限公司委托，对其公司原有的3/5KW广播机进行微控制器改造，以及为其新的1KW固态调频机开发微控制器。

四本论文的主要工作

软件的设计要建立在硬件的基础之上，在软件设计之前，首先对系统的硬件部分进行简单的描述，然后在此基础上进行软件的总体设计。

在比较复杂的软件设计中，往往需要比较统一的软件设计思想，这样有利于协作人相互理解对方所编写的程序，同时分别对主CPU和从CPU等主要部分的程序设计思想做了具体的叙述。

由于广播发射机所处的环境比较恶劣，存在大量的电磁干扰等，因此除了采取硬件抗干扰措施外，对软件抗干扰设计的思想和方法进行了详细的论述。

在广播发射机微控制器软件设计过程中，有大量的程序需要编制，如果程序执行的顺序不合理，就会发生混乱，为了防止这类情况的出现，要求有合理的流程设计，包括主流程和开关机流程，保证系统正常运行。

为了实现广播发射机的远程监控功能，微控制器需要具有上位机和下位机相互通信的功能，文章对两种通信方式的思路和方法步骤进行了具体的叙述，同时对上、下位机的通信软件进行了简单的介绍。

第二章广播发射机总体系统设计

广播发射机微控制器的功能是实现自动开关机、状态检测和监控等，是发射机的重要组成部分，它直接影响着广播的播出质量。

因此，系统工作的实时性、稳定性和可靠性对广播系统来说具有重要的意义。

一系统的结构设计

（1）广播发射机的总体结构

调频广播发射机总体由五部分组成：

激励器功率放大器机内网络风机和电源。

结果如图所示:

1.激励器激励器又称振荡器或频率合成器，它产生本机的载频，对來自外部或备份的载频激励信号进行自动切换，为发射机提供高稳定的载频信号，将节目音频信号调制成为射频信号。

2.功率放大器功率放大器分为驱动前级、功率放大级和功率合成器三部分。

驱动前级（射频末前级）是将激励源输出的载频信号放大至足以推动功率放大器的射频功率信号，保证射频功率放大器安全高效地工作；功率放大级（射频末级）是在模块化的射频功率放大器在调制信号的作用下，产生发射机所需的射频功率信号；功率合成器的任务是将功放模块产生的射频功率信号合成，实现发射机调幅波的射频功率输出，即产生大功率调幅广播信号。

3.机内网络机内网络一般由带通滤波器和调配网络两部分构成。

带通滤波器的任务是滤除不需要的音频带外谐波和杂波成分，完成功率合成器与额定输出阻抗的阻抗匹配；调配网络的任务是对偏离额定输出阻抗的天、馈线系统进行阻抗微调，使电压驻波比值接近最佳值，保证发射机能安全正常地运行。

4.电源电源分为高压整流电源和低压整流电源。

高压整流电源为射频功率放大器功率合成器提供直流高压电源；低压整流电源（稳压电源），为发射机的微功率的前级部分提供低压电源。

5.风机中小功率发射机的冷却均采用强迫风冷，完成发射机内部功率器件的散热，保证发射机工作的安全性和稳定性。

发射机的工作过程是：

首先将调制信号（音频信号）送到激励器进行频率调制，产生射频信号。

如果得到的已调信号的载频比发射频率低，还需要把它倍频或变频到发射频率。

然后再经功率放大器放大到实际需要的功率，然后经机内网络进行处理，最后由同轴电缆把己调信号输送到发射机天线辐射出去。

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前的状态，概括了发射机在仓贮、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。

[4]

（2）系统总体框架设计

系统总体的框架结构如图：

图2—2

二单片机的对比选择

（1）AVR单片机（Atmel128）

AVR单片机具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器与算求逻辑单元（ALU）相连接，使的一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大的提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吐率。

Atmel128具有如下特点：

128KB的系统内可编程Flash（具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW）4KB的EEPROM4KBDESRAM53个通用I/O口线·32个通用工作寄存器·实时时钟RTC4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）两个US-ART·面向字节的两线接口TWI·8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）具有片内振荡器的可编程看门狗定时器·SPI串行端口·与IEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试），以及6种可以通过软件选择的省电模式。

空闲模式时CPU停止工作，而SRAM`T/C`SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止震荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。

器件是Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。

片内ISPFlash可以通过SPI接口·通用编程器，或引导程序多次编程。

引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。

下图是Atmel128单片机方框图：

[5]-[8]

图2-3Atmel128单片机图

（2）MCS51单片机

一块MCS51单片机芯片相当于一台计算机。

由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微机无法完成的一些工作，使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。

其特点具体如下：

1.具有优异的性能价格比；

2.集成度高、体积小、重量轻：

各功能部件集成在一块芯片上，其应用系统的印刷线路板小，接插件少；

3.抗扰能力强、可靠性高：

内部采用总线结构，不易受外界干扰，且易于采取屏蔽措施；

4.运行速度快、控制功能强：

中片机体积虽小，但“五脏俱全”，且实时控制功能强，对实时事件的响应和处理速度快；使用方便、易于产品化：

单片机内部功能齐全，系统扩展方便，且其开发工具具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段，系统研制周期短，易于产品化。

[9]

（3）单片机的对比选择

以上举例出的两种单片机各有所长各有所短，通过一下一些比较来得出我们所需要也能更好的完成我们的任务的单片机：

1.从使用成本来看，avr的方案成本更低，因为虽然单片机价格要高一些，但avr单片机还集成了多路模拟开关和A/D转换器，而且不用扩展I/O口，所以综合来看，成本要低一些；

2.从可靠性来看，采用avr单片机的微控制器可靠性要好，因为除了采用avr单片机的微控制器的硬件结构要简单得多外，还可以采用较低的晶振频率，从而提高了系统的抗干扰能力；

3.从实现的难易程度来讲，基于avr的方案更容易实现，因为它不需要考虑mcs51必须考虑的时序和驱动能力的问题，只需要考虑cpu之间的通信问题就可以了，而且前者指令集庞，编程更简单；

4.从上面的三条里我们基本可以确定要使用的单片机了，在某些有限制条件的情况下甚至AVR单片机的小体积也成为我们应该选择这款单片机的原因。

综合上面的几条对比理由，我们选择了AVR单片机作为我们所要用的单片机，这就是我们选择硬件里单片机的理由，所以我们就应将AVR作为系统的CPU。

（4）AVR单片机集成开发运行的环境

大多数情况下，编译完源文件后，需要进行的就是仿真和调试工作。

此软件也不列外，仿真分为芯片级仿真和软件级仿真，芯片级仿真是指通过软硬件配合，在实际芯片上进行仿真调试；软件级仿真完全在计算机软件上进行，不需要实际芯片的参与。

此处将介绍我们设计该系统所用到的软件级仿真工具：

单片机集成用户开发AVRStudio。

AVRStudio是ATMEL公司免费提供的一种专门用于AVR系列单片机的集成工作环境，支持AVR全系列单片机的开发。

AtmelAVRStudio集成开发环境（IDE），包括了AVRAssembler编译器、AVRStudio调试功能、AVRProg串行、并行下在功能和支持STK500/JTAGICE/AVRJSP等设备工具，实行运行代码下载编程仿真等强大功能。

AVRStudio支持为AVR微控制器的AVRAssembler编译器生成的*.OBJ或*.HEX文件和IARC编译器编译的源代码层次的执行。

能够在MicrosoftWindows95/98/2000和MicrosoftWindowsNT上运行。

一下是进行软件调试运行的步骤及其中的部分截图：

1.安装AVRStudio调试工具：

打开安装文件的目录，双击安装图标“setup”，安装结束，双击调试工作图标“AVRSTUDIO”进入调试窗口，也可以将该图标移到桌面快捷方式，双击快捷方式可以进入调试窗口；

2.创建一个新项目：

打开AVRStudio软件，选择“Project”菜单中的“Newproject”命令，弹出下面窗口。

这里新建一个名为work1的项目。

并在“Location”栏目中确定存放文件的路径与相应的文件夹。

如下图所示：

图2-4

完成这一对话框，点击“Next”存盘后出现下面界面。

选择调试平台和设备。

如下图所示，左侧的列表框显示可以支持的调试平台，右侧的列表显示支持的MCU类型，选择所需要的调试平台，就可以进行调试了。

在系统设计中，我们选用了两种单片机avr128L和avr16L，于是我们在这里也选择JTAGICE作为调试平台，选择ATmega128或者ATmega16作为期间进行调试。

如下图：

图2-5

如果建立好了工程，可以在ProjectWizard界面选择Open,在弹出的窗口中选择路径，打开所建立的工程。

AVRStudio支持的文件类型有aps、hex、d90、a90、r90、obj、cof、dbj和elf，其中，elf格式的执行文件包含有调试信息，hex格式是二进制可执行文件，为最终下载文件。

在这里支持的文件为serial_elf.aps和serial.elf、serial.hex文件。

通常，在ProjectWizard界面的列表框中，列表已经列出了最近已经打开的目标文件，便于进行选择调试。

3.调试文件：

调试界面主要分为六大部分：

菜单、工具栏、工作区、程序区、输出区以及状态栏。

另外还有其它附加部分，如观察窗口、寄存器窗口、memory窗口和反汇编窗口，可以通过单击调试界面上的工具栏按纽显示出来。

表1列出了调试时的常用按键；如下表：

表2-1

4.AVRStudio在线下载:

AVRStudio可以将已经编译好的.Hex文件通过调制器直接下载到实验板上。

单击菜单中的“工具”，选