基于FPGA和AVR單片機的自動調(diào)諧系的設(shè)計

1 前言

發(fā)射機是無線通信的重要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于廣播電視、移動通信、海洋運輸及國防等領(lǐng)域。自動控制技術(shù)在無線通信發(fā)射領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，發(fā)射設(shè)備的數(shù)字化逐漸趨于成熟。但是，大功率短波發(fā)射機比起中波、調(diào)頻、電視發(fā)射機來說，具有變換工作頻率頻繁，倒頻時間短；不能實現(xiàn)整機固態(tài)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(nèi)任意頻率穩(wěn)定工作等特點；加之目前尚無接口標(biāo)準(zhǔn)對大功率短波發(fā)射臺微機實時控制進行規(guī)范，給大功率短波發(fā)射臺自動化帶來困難。短波發(fā)射機的自動調(diào)諧技術(shù)正是在這種環(huán)境下產(chǎn)生的。

本設(shè)計的自動調(diào)諧系統(tǒng)是基于FPGA和AVR單片機的，其調(diào)諧對象是功率為150kW，發(fā)射頻率范圍為3．9 26．1MHz的短波發(fā)射機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

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2 FPGA簡介

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(Field Program一able Gate Array)的簡稱，是新一代的自動調(diào)諧控制單元，它采用VHDL語言進行現(xiàn)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(wěn)定性好，包含的LUT和觸發(fā)器數(shù)量豐富等等。

鑒于這些特點，系統(tǒng)擬采用單片機與現(xiàn)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(fā)射機工作頻率及調(diào)整元件位置的邏輯設(shè)計，單片機則完成上位機通信、元件位置數(shù)據(jù)采集、存儲系統(tǒng)參數(shù)等任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計中主要完成系統(tǒng)邏輯部分設(shè)計。圖2所示為系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中的各邏輯模塊設(shè)計主要用VHDL硬件描述語言完成。

3 系統(tǒng)功能概述

3．1 自動調(diào)諧

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

3．2 調(diào)諧原理

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

系統(tǒng)的主要有效參數(shù)有：工作頻道、工作頻率、被調(diào)元件的位置值。

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

3．3 調(diào)諧方式

本系統(tǒng)具有“手動”、“半自動”、“自動’，3種調(diào)諧方式。
系統(tǒng)正常工作過程中主要使用“自動”調(diào)諧方式；能采用“預(yù)置”的前提是被調(diào)元件到位精確，系統(tǒng)的機械回差和電氣都在允許的范圍內(nèi)；“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(diào)到最佳狀態(tài)的缺點。

(1)手動方式
“手動”方式是在操作面板上進行人工調(diào)諧的工作方式，用于初調(diào)諧和創(chuàng)建頻道、工作頻率及相應(yīng)被調(diào)元件的位置值。全部被調(diào)元件的細(xì)調(diào)和初始粗調(diào)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(shù)字鍵盤手動進行頻道初始化、工作頻率設(shè)置、8個可調(diào)元件的位置設(shè)置，每設(shè)置完一個頻道，可保存設(shè)置值。