基于FPGA和AVR單片機的自動調諧系的設計 - 全文

1 前言

發射機是無線通信的重要設備之一，廣泛應用于廣播電視、移動通信、海洋運輸及國防等領域。自動控制技術在無線通信發射領域正發揮著越來越重要的作用，發射設備的數字化逐漸趨于成熟。但是，大功率短波發射機比起中波、調頻、電視發射機來說，具有變換工作頻率頻繁，倒頻時間短；不能實現整機固態化，可靠性降低，故障率較高；工作頻段范圍寬，很難保證在全頻段內任意頻率穩定工作等特點；加之目前尚無接口標準對大功率短波發射臺微機實時控制進行規范，給大功率短波發射臺自動化帶來困難。短波發射機的自動調諧技術正是在這種環境下產生的。

本設計的自動調諧系統是基于FPGA和AVR單片機的，其調諧對象是功率為150kW，發射頻率范圍為3．9 26．1MHz的短波發射機。系統結構如圖1所示：

2 FPGA簡介

FPGA是現場可編程門陣列(Field Program一able Gate Array)的簡稱，是新一代的自動調諧控制單元，它采用VHDL語言進行現場編程，其特點是：I／O資源豐富，運算速度快(ns級)，集成度高，穩定性好，包含的LUT和觸發器數量豐富等等。

鑒于這些特點，系統擬采用單片機與現場可編程門陣列(FPGA)組合的方式。FPGA主要完成人機界面、測定發射機工作頻率及調整元件位置的邏輯設計，單片機則完成上位機通信、元件位置數據采集、存儲系統參數等任務。本系統設計中主要完成系統邏輯部分設計。圖2所示為系統邏輯結構。

系統中的各邏輯模塊設計主要用VHDL硬件描述語言完成。

3 系統功能概述

3．1 自動調諧

發射機自動調諧是指在調諧過程中根據當前發射機的工作頻率，將各個調諧元件調到與該頻率相對應位置的操作過程。短波發射機各用電單元的通斷，是通過配電箱中相應接觸器的通斷來實現。控制接觸器通斷的信號是由調諧邏輯小盒產生。自動調諧控制套箱是用來實現本發射機的高頻回路元件在換頻時的機械定位進行調諧控制。為了達到調諧的目的，自動調諧系統需要完成以下幾項工作：
(1)為了實現工作人員對發射臺的遠程監控，需要將自動調諧系統與在線計算機相連；
(2)系統需要設置各種參數，需要有簡易的人機界面，主要是鍵盤和LED顯示；
(3)系統參數的存儲及調用；
(4)發射機實際工作頻率的測定；
(5)調諧元件位置信息的采集；
(6)控制執行電機調節元件位置。

3．2 調諧原理

操作人員先通過控制面板創建各個工作頻道，每個工作頻道中保存有發射機的工作頻率及頻率所對應的可調元件位置值。創建完工作頻道后，就可以進入正常的調諧工作。選擇一個工作頻道，并按功能鍵，系統將向單片機發出中斷請求，FPGA從單片機的EEPROM中取出該頻道所對應的頻率值及8個調諧元件位置信息，經單片機采集的8路調諧元件
實際位置信息也傳送給FPGA，用于與預置值相比較，差值用于控制電機。調諧系統還有一個自動測頻模塊，該模塊用于測定發射機實際工作頻率，當該數值與預定值相等時，系統自動預置元件位置值。

系統的主要有效參數有：工作頻道、工作頻率、被調元件的位置值。

全機共有8個被調元件：
1路— — 高前級回路電容器，作為本級調諧(粗調、細調)用；
2路—— 高末級腔體短路板，僅作粗調：
3路—— 高末級態調諧電容，作為粗調、細調用；
4路—— 高末級調諧電容，作為粗調用；
5路—— 高末級調載電容，作為粗調、細調用：
6路—— 高末級調載線圈，作為粗調用；
7路—— 作為備用；
8路—— 高前級調諧電感，作為粗調用。

3．3 調諧方式

本系統具有“手動”、“半自動”、“自動’，3種調諧方式。
系統正常工作過程中主要使用“自動”調諧方式；能采用“預置”的前提是被調元件到位精確，系統的機械回差和電氣都在允許的范圍內；“半自動”方式是輔助方式，它能克服自動方式中總有個別頻率不能調到最佳狀態的缺點。

(1)手動方式
“手動”方式是在操作面板上進行人工調諧的工作方式，用于初調諧和創建頻道、工作頻率及相應被調元件的位置值。全部被調元件的細調和初始粗調都用手動控制完成的；“手動”給定位值的獲得，可通過面板上的使能鍵和0-9數字鍵盤手動進行頻道初始化、工作頻率設置、8個可調元件的位置設置，每設置完一個頻道，可保存設置值。

設置一個頻道參數。一個頻道中的頻道值、工作頻率、元件位置值具有一一對應關系，其中一個工作頻率對應的8路元件值是專家給定值，如果存在偏差，可以進行手動微調后再次保存。微調是人工目測，直至“鑒相器”的輸出值為零時，微調就告完成。通過微調以達到獲的最佳數據的目的。

(2)自動方式
“自動”和“半自動”都是在“預置”的方式下完成的。預置是指根據需要將存儲于存儲器中的有效參數(包括頻道、工作頻率、被調元件的實際位置)傳送至系統邏輯控制單元，用來重現曾經調整正常的工作頻率。調諧裝置是根據激勵器的實際工作頻率進行自動調諧工作的，自動調整過程分為下面幾個步驟。
①選定工作的頻道或工作頻率，為頻率預置；制器ATmega103。這個過程可稱 4．2 開發軟件
②根據工作頻率預置8路元件位置值，頻率和電平；
③將8路的預置位置分別與各自的實際位置進行比較，計算出存在的比較誤差：
④根據各自比較結果誤差的大小和極性來控制相應的執行電機的正／反轉，直至比較結果誤差等于零為止，電機不轉。

至此，系統調諧的粗調完成，這時整機無高頻輸出。最后，接通高頻，合上相應高壓，令鑒相器工作，系統自動地將發射機準確地調諧在振點上，稱為細調。

自動方式具有跟蹤工作頻率的能力，也稱為頻率跟蹤調諧。發射機共有8個可調元件，其中只有3個需要細調，分別為1路、3路和5路。

自動調諧是按以下順序自動完成調諧的全過程：粗調—前級細調一末級調諧—末級調載—激勵電平設置。

(3)半自動方式
“半自動”方式是根據常用的工作頻道自動進行預置，用“手動微調”手段進行人工調諧的工作方式。主要是用于人工干預減緩調諧進程和調試過程。半自動調諧方式對各路可調元件而言。頻率預置是自動進行，而自動調諧的5個步驟(粗調、前級細調、末級細調、末級調載、電平調整)是手動干預分步進行的。因此，頻率預置過程與自動方式一樣。

4 系統設計

4．1 芯片選擇

本調諧系統設計目的之一就是對偏遠地區的廣播發射設備進行技術改造，因此調諧系統的開發成本是必須考慮的問題之一。另外，本調諧系統邏輯設計大概需9萬邏輯門。而且FPGA芯片資源利用不宜過滿。據此，FPGA選用XILINX公司Spartan—II系列FPGA ：XC2S100—5 PQ208。

xc2s100—5 PQ208提供的系統門數最大為1O萬門，具有208個引腳，速度等級為5。xC2S100的內核采用2．5v供電，工作頻率最高可達200MHz。xC2S100具有豐富的I／O資源，I／O端口供電電壓為3．3V，可承受5V的輸入高電平，I／O口輸出緩沖器可以接收高達24 mA的拉電流和48 rnA的灌電流。

單片機采用ATMEL公司8位低功耗AVR微控制器ATmega103。

4．2 開發軟件

使用Xilinx Foudation F3.1i軟件開發XC2S100—5 PQ2O8芯片。設計流程為：首先用編寫VHDL語言程序、繪制原理圖或設計狀態機的方法生成表，功能仿真正確后，經過邏輯綜合和布線、時序仿真，仿真通過后將編程下載。

4．3 系統模塊化設計

模塊化設計是用可編程邏輯器件設計數字系統的特點之一，這樣可以簡化系統設計，同時有利于協同設計。最后只需通過元件例化或原理圖連接將多個模塊聯系在一起，組成一個完整的邏輯系統。本調諧系統邏輯設計由多個模塊組成，下面重點介紹通信模快、鍵盤掃描及顯示、測頻模快、電機控制模塊。

4．3．1 FPGA與單片機通信
自動調諧系統是由單片機子系統及FPGA組成的，這就存在兩者之間的通信問題。單片機系統主要完成了可調元件的實際位置的數據采集、系統參數的存儲等，這些數據需要經過FPGA的處理。

通信模塊要完成的數據傳輸有：頻道數、工作頻率及對應的元件位置值，元件位置信息包括實際值和預置值，實際值有單片機系統采集得來，傳送至FPGA與預置值比較，產生控制信號。

通信模塊根據單片機的讀寫時序完成兩者之間的互相通信。ATmegal03訪問片外SRAM的時序見圖3。

仿真中的時序是按照單片機的時序，從仿真結果中看出FPGA與單片機能按預定時序交換數據。圖4所示為通信模塊中部分信號的功能仿真結果。

4．3．2 鍵盤掃描及顯示

(1)鍵盤掃描
在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I／O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，矩陣式鍵盤掃描及顯示都采用單片機來完成，這是因為單片機可以極方便的對矩陣式鍵盤進行掃描控制。如果使用鍵盤顯示專用芯片，那將使控制變得更加簡單。但是，即使采用矩陣式鍵盤，掃描時仍然要占用大量的1／O資源，這對于I／O資源很有限的單片機來說，將會使編程變得很困難。對于本調諧系統來說，單片機需要完成于上位機的通信、元件數據采集、數據存儲等多項工作，I／O資源已經很緊張。因此，本系統用FPGA進行鍵盤掃描及顯示。一方面可以充分利用FPGAI／O資源豐富的優勢，另一方面FPGA的穩定性也能保證輸入顯示工作的準確無誤。

(2)數碼管顯示
本模塊中的顯示采用動態掃描顯示。顯示位碼與寄存器 acc中的數具有一一對應關系，對應關系由狀態掃描信號k來連接。信號k有5個狀態，對應5位顯示位碼。顯示部分的最后是7段譯碼，本系統只需顯示數據，因此只對1O個數字進行譯碼。

4．3．3 測頻模塊
為了保證測試的精度，一般對低頻信號采用測周期法，對高頻信號采用測頻法。本調諧系統所需測量的頻率范圍是：3．9MHz一26．1MHz，適合用測頻法，而且誤差不大。

根據系統的要求，測頻計需要對單位時間內的信號脈沖進行計數，從而測量出信號的頻率。首先要產生一個計數允許信號，即時基信號，時基信號的寬度為單位時間，例如1s或lOOms。在時基信號有效的時間內對被測信號計數，即為信號頻率。測量過程結束，需要鎖存計數值或留出一段時間顯示測量值，下一次測量前，應該對計數器清零。如圖5所示：

測頻計由控制器、分頻器、計數器、鎖存器4部分組成。控制器發出相應的控制信號，完成計數值的鎖存和計數器的清零。分頻器將標頻信號分成一系列較低頻率信號，其中一個作為測量的時基信號，該系統的分頻器由專門的分頻模塊完成。計數器的作用是對一個時基信號中的被測信號脈沖數進行計數，計數結果即為被測頻率對所選用時基的相對值。鎖存器用來鎖存計數結果，以便其它模塊調用。

為了便于處理，系統采用頻率為1Hz的信號作為時基信號。圖6為測頻計工作時的時序。其中testf為被測信號，clock_ls為時基信號，enable為計數使能信號，為高時有效，lock為鎖存信號，脈沖上升沿工作，clear為清零信號，為低時清零。

計數使能信號enable是時基信號的二分頻信號，在enable為高的半個周期里，剛好可以計完一個時基信號周期。lock信號是enable信號的取反，在上升沿將恰好計完的計數值鎖存。Clear信號是在clock_ ls信號和enable信號同時為低時置低，其它情況都為高。

通過功能仿真發現，當被測信號換頻時，會出現一個小于被測頻率的計數值，2個周期后計數值正常顯示，這與實際情況完全相同。這是因為在換頻時，計數使能信號已經有效，這就會少計數一段時間，導致計數值小于實際值。當正常計數后，計數值會因為小數問題有微小的波動，但很快趨于正常。見圖7

4．3．4 電機控制
通過單片機采集的調諧元件實際位置，與EEPROM中保存的此調諧元件的最佳工作位置(理論值)相比較。如果不等，按其差值的大小和極性來控制步進電機的轉速和方向，直至二者的差值為零，即可達到調諧的目的。此模塊就是理論值和實際值相比較，輸出值用于控制電機的正、反轉及轉速的快慢。當位置預置值大于實際位置值，控制電機正／反轉單元將發出指令控制電機正轉；當位置預置值小于實際位置值，控制電機正／反轉單元控制電機反轉；當位置預置值等于實際位置值，執行電機不轉；該模塊還可控制電機的轉速，理論值和實際值最高8位不等時，這表明兩者差值較大，控制電機以最快速度轉動；當最高8位相等而次高4位(D4一D7)不等時，控制電機以次快速度轉動；當高l2位相等而D2一D3不等時，控制電機以較慢速度轉動；當最低2位(DO—D1)不等時，控制電機以最慢速度轉動。這樣設計可以使每次換頻時的調諧時間基本一致，而且保證了自動調諧的精度。

該模塊也是用VHDL語言描述實現，語言描述可以很方便的調用開發軟件內部IP資源。特別是在該模塊中有多層次比較及減法運算，用原理圖輸入將會很復雜，而且容易出錯。而VHDL語言支持大于、小于、不等等比較邏輯運算，應用這些比較邏輯運算將很容易實現該模塊。

從仿真圖中可看出電機控制模塊符合設計要求，基本達到了控制目的。見圖8。