基于ARM11-6410嵌入式计算机的发射机监测系统
李芳军
（国家新闻出版广电总局724台）
摘 要： 基于首款采用ARM11嵌入式计算机与AD数据采集电路实现的发射机监测系统，完成广播发射机宽放、前级和末级的电压和电流数据采集及发射机三大指标参数的监测系统的设计。介绍了ARM11嵌入式系统的硬件结构，利用ARM6410系统完成了嵌入式linux操作系统的移植，设计完成了广播发射机监测系统的Qt软件并在操作系统上移植，实现了发射机各级电压、电流的数据采集、调幅度的监测与应用程序集成在嵌入式计算机上实现整个发射机的数据监测界面的设计。关键词： ARM6410 ;LINUX操作系统 ;Qt软件1 引言：
大功率短波广播发射机出厂时的电表测量指示主要是由模拟采样、高频滤波以及各种电压、电流表头一起组成。其中包括校表电位器，水压、水阻、水温等传感器信号的放大与处理，隔离放大器及电源等部分。随着设备的更新改造，很多短波广播发射机采用牛顿-7000模块电路进行了改造，实现数据采集数字化,由于数据采集设备本身没有系统，系统本身也未能真正实现网络化管理和专家诊断系统的功能,因此不利于自动化管理。近年来利用ARM11系列数据采集分析处理的逐渐增加，涉及的领域有工业控制、广播电视、无线通信、网络应用、消费电子产品、成像和安全产品等等，而ARM11系列处理器已经成为目前主流处理器，针对大功率发射机监测需求进行分析，综合考虑系统的运算能力，扩展接口等，提出选用三星S3C6410处理器，采用Linux操作系统和系统应用软件并配合GPRS和Internet远程通信，进行广播发射机温度、压力、电压、电流、流量等模拟量采集，然后转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印，使系统具备远程控制平台功能，实现了监测系统的智能化控制和发射机故障专家诊断系统。2 系统总体设计
系统主要由隔离放大器、A/D转换、嵌入式系统主板、D/A转换器、客户端通信、调幅度监测电路、出入水温度测量、LCD显示器等组成。该系统实现的主要功能是先通过模拟量采样送入隔离变送器，经A/D转换实现对发射机的数据采集，他将采集的数据通过数据总线传送到ARM11-6410嵌入式计算机进行计算编码处理，根据TCP协议打包好数据通过局域网进行传输，同时经24路D/A转换器驱动电压或电流表进行显示。LCD显示器用于操作和数据显示，对于传输的客户端的WEB游览器进行远程监看。系统采用ARM11-6410嵌入式结构，根据发射机工作需要提出设计，发射机监测系统具备功能和要求有如下几方面：（1）通过SPI总线与综合采集板上4片AD电路（MAX1270）进行连接完成32路AD数据采集，具备扩展功能，适合更多的采样。（2） ARM11-6410嵌入式通过GPIO接口实现对发射机入水温度和出水温度的监测，发射机水路是发射机冷却部分的重要内容，进行水温监测，温度不在范围内进行报警。（3）嵌入式系统通过I2C总线对24路DA转换电路的数据输出，实现发射机电表的驱动输出，实际应用中，各路表值保留原样，有利于现场观察。（4） ARM11-6410嵌入式通过SPI总线的AD输入采集数据实现对发射机调幅度的监测，根据发射机“三满”要求，实时监测音频和调幅度，低于限定值调幅度报警。（5）ARM11-6410嵌入式通过GPIO接口实现对前面板的7个界面选择键的输入响应，用于控制显示发射机各个部位表值的显示以及显示菜单设置。（6）系统选择与ARM11-6410配套的显示屏，实现监测功能界面在显示屏上的显示。同时具备网络联接，远程进行监测。（7）ARM11-6410嵌入式系统具备监测表值报警功能，设定各表值在工作范围，出现大于或小于范围立刻进行报警。（8）数据取样采用相互隔离，互不干扰的原则，电表指示与远程监看互相不影响。3 系统硬件设计
ARM11嵌入式计算机的发射机监测系统的硬件结构如图1，由主控制板、32路数据采样和24路输出板组成，主控制板包含核心板和扩展板，核心板主要是S3C6410微处理器以及SDRAM等，它们是用来系统运行和存储固化程序；在扩展板模块中，有USB接口，串口以及无线网卡等，用于程序调试下载和远程监测。32路数据采样是将采集的模拟量转化成12位数字信号送入系统主板进行处理。24路输出板根据系统主板发出的信号经处理驱动发射机面板上的电表。如图1 系统硬件架构图
3.1 ARM11-6410嵌入式计算机性能ARM11 6410 是一款性价比很高的一体化嵌入式主板，它采用三星S3C6410 作为主处理器。该芯片大小为13x13mm，424管脚， S3C6410A处理器主频533MHz，最高667Mhz，是低功耗、低成本的嵌入式微处理器。其DDR RAM 内存是标配 256M DDR RAM(可选128M)，对硬件处理、音频处理、图像处理具有强大的支持。系统也具备外部存储功能，包括DRAM和Flash/ROM存储。S3C6410A处理器标准接口资源比较多，包括 1 个100M 以太网RJ45 接口(采用DM9000 网卡芯片)、DB9 式RS232 五线串口(另有4 个TTL 电平串口)、mini USB Slave-OTG 2.0 接口、3.5mm 立体声音频输出接口，1 路在板麦克风输入、TV-OUT 输出接口、USB Host 1.1 接口、标准SD 卡座以及 5V 直流电压输入。S3C6410A处理器在板即用资源有1 个I2C-EEPROM 芯片(256byte)，主要用于测试I2C 总线，用户 使用LED(绿色)以及 8 个侧立按键(中断式资源引脚，带引出座)，针对外扩接口资源比较丰富，有4 个串口座(TTL 电平, 2.0mm 间距，直插式卡座)、10pin 2.0mm 间距JTAG 接口、双 LCD 接口、20pin 2.0mm 间距SDIO 接口(可接SD WiFi，其中还包含1 路SPI 和I2C 接口)、20pin 2.0mm 间距CMOS 摄像头接口、30pin 2.0mm 间距GPIO 接口、 40pin 2.0mm 间距系统总线接口。S3C6410A微处理器具有多媒体处理性能扩展，处理音频更快，同时增强了对数据的访问的支持，对实时任务的响应及处理速度更加及时准确。3.2 隔离放大器为了防止公共地线的干扰以及取样过程中的相互干扰，在发射机数据采集点与A/D电路（MAX1270）之间采用了美国BB公司的ISO124隔离放大器，根据采样点的数量，在综合数据采集板上还安装有22个隔离放大器，用于发射机的各级电压和电流模拟量进入A/D采集电路之前进行必要的隔离。不仅使系统安全，同时消除不必要的干扰,电路中由R1和R2分压取出电压值送到隔离放大器，输出的电压与输入电压相互隔离，减少干扰，输出的电压直接接到MAX1270，进行数据处理。隔离放大器的原理框图如图2。图2 电压取样隔离放大
3.3 发射机的数据采集ARM11-6410嵌入式通过SPI总线实现对发射机的数据采集，数据采集的A/D转换由MAX1270来完成，由隔离放大器取来的电压值送入MAX1270的15、16、17、18、19、20、22端，经MAX1270数据处理形成12位数字信号通过数据总线12端送入ARM6410进行数据处理，完成A/D转换原理（如图3）。因采集数据比较多，采用4片MAX1270进行处理，通过SPI总线与4片AD电路（MAX1270）进行连接完成32路AD数据采集；1片MAX1270的8路A/D数据入用于高前灯丝、栅极、帘栅极以及阳极的电压和电流的采集；1片MAX1270的8路A/D数据入用于末级灯丝、栅极、帘栅极以及阳极的电压和电流的采集；1片MAX1270的8路A/D数据入用于高前激励、宽放电压、宽放电流及宽放功率的数据采集；1片MAX1270的6路A/D数据入用于输出功率、反射功率等其它的数据采集。图3 MAX1270 8路A/D转换
3.4 调幅度监测采集原理（1）调幅度监测电路的测试原理根据GY31-84调幅度的定义：用单一频率的音频信号对载波进行调制的已调波，其最大或最小瞬时振幅与调制期间载波振幅差值再与调制期间载波振幅之比用百分比表示，既为发射机的调幅度。实际上是音频幅度与载波幅度之比。可用下式来表示：式中： mp =正峰调幅度；mn=负峰调幅度；A0=调制期间的载波幅度；amax=已调波的最大振幅；amin=已调波的最小振幅。这里我们需要对发射机的射频信号进行瞬时监测，其调幅度为射频信号检波后的音频电平幅度与直流电平之比。据此，设计适合计算机控制的调幅度测量电路。该电路将直接布置在数据采集板上，通过A/D输入电路采集进入系统进行处理和计算出具体的调幅度数值。（2）调幅度的测量电路的框图如图5所示。图5调幅度测量框图
由图5可知，调幅度测量电路将发射机的射频信号放大检波后，在经过低通滤波器，分别取出音频分量和直流分量送入A/D变换器，转换成数字量，送入6410系统。系统测试软件以固定的测量时间采集到的一系列随时间变化离散数值，恢复成一个以时间t为变量的音频函数Y=f(t)。将该函数进行积分运算得到该函数所包含的面积，除以载波直流分量的函数Y=At在相同时间内的积分面积，其结果的商就是该调幅波在该时间间隔内的调幅度值。利用在一定时间间隔Δt的数据计算的调幅度，为这段测量时间中信号的调幅度值。我们将采用合适的时间间隔监测调幅度，使其达到真正满足实用的要求。送入A/D电路（MAX1270）的输入端进行数据采集，MAX1270是多量程12位数据采集系统(DAS)。其输入范围可以通过独立的软件编程让八个模拟输入通道输入范围分别为0～±10V，0～±5V，0～+10V，0～+5V四种输入范围其中的任何一个；采样速率为110ksps（每秒110kHz）。用于采集低通滤波器后的输出波形的通道输入可以选用0～+10V的输入范围，实际上，对于广播的音频信号采集20ksps(采集时间间隔为50ｕs)就足够了。（3） 调幅度的计算软件可以按照20ksps(采集时间间隔为50ｕs)速率进行采样，相当于0.5秒采集到1万个数据。将这些1万个数据按照采集的时间轴顺序组成的离散波形恢复成一个以时间t为变量的函数Y=f(t),对该函数在t=0～0.5秒的时间区内求积分得到面积。将这些1万个数据按照采集的时间轴顺序组成的离散波形数据取平均值A（即=载波直流电平），A×t(0.5秒)得到载波面积。 3.5 表值驱动控制ARM11-6410嵌入式通过I2C总线对24路D/A转换电路的数据输出，实现发射机电表的驱动输出。D/A输出电路采用的芯片是MAX5825超小型八通道具有内部基准和I2C接口的12位缓冲输出的数模转换器。系统将处理采集的信号值通过I2C总线输出到MAX5825 D/A芯片的15端，经MAX5825数据处理，根据输出数值大小产生0～5V之间的电压去驱动满量程为5V的电表进行指示，其中14端是时钟信号。驱动表值电路芯片采用3个MAX5825，以满足表值指示需要，用于驱动宽放电压表和电流表、高前级和末级的灯丝、栅极、帘栅极、阳极等电压和电流表的指示，如图6。（1）第一片MAX5825-DAC的8路输出驱动高前激励、高前级灯丝电流、高前栅极电流、高前栅极电压、高前帘栅电流、高前帘栅电压、高前板流、高前板压等8个电表指示输出；（2）第二片MAX5825-DAC的8路输出驱动末级的末级灯丝电流、末级栅流、末级栅压、末级帘栅流、末级帘栅压、末级板压、末级板流等7个电表指示输出；（3）第三片MAX5825-DAC的8路输出驱动高周的宽放电压、宽放电流、宽放功率、输出功率、反射功率等电表指示输出。图6 表值驱动电路
4 软件系统
系统的软件结构主要由嵌入式Linux 操作系统、相应的驱动模块组成。在进行嵌入式软件开发前，需要搭建良好的编译环境，所以广播发射机监测系统的Qt软件在操作系统上移植，实现了发射机各级电压、电流的数据采集、调幅度的监测，同时应用程序集成在嵌入式计算机上实现整个发射机的数据监测界面的设计。电压电流数据采集程序的流程图如图7。图7 采集程序的流程图
对监测系统显示界面的设计考虑，在发射机开灯丝和宽放时，屏幕自动跳出高前灯丝、末级灯丝、宽放电压和宽放电流监测的电表指示界面如图8。当发射机高前栅极加上偏压时，屏幕自动弹出前灯丝电流、高前激励电压、高前栅极电压、高前栅极电流的电表指示界面。当发射机高前板极加上高压时，屏幕自动弹出末级帘栅电压、末级帘栅电流、末级板极电压、末级板极电流的电表指示界面。当发射机进入播音时，屏幕自动弹出发射机输出功率、反射功率以及驻波比的电表指示界面和水温测试界面。当发射机进入播音时，屏幕可以手动选择调幅度测试界面。利用Qt软件编制各采集界面。
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