基于FPGA和AVR单片机的自动调谐系的设计

1 前言

发射机是无线通信的重要设备之一，广泛应用于广播电视、移动通信、海洋运输及国防等领域。自动控制技术在无线通信发射领域正发挥着越来越重要的作用，发射设备的数字化逐渐趋于成熟。但是，大功率短波发射机比起中波、调频、电视发射机来说，具有变换工作频率频繁，倒频时间短；不能实现整机固态化，可靠性降低，故障率较高；工作频段范围宽，很难保证在全频段内任意频率稳定工作等特点；加之目前尚无接口标准对大功率短波发射台微机实时控制进行规范，给大功率短波发射台自动化带来困难。短波发射机的自动调谐技术正是在这种环境下产生的。

本设计的自动调谐系统是基于FPGA和AVR单片机的，其调谐对象是功率为150kW，发射频率范围为3．9 26．1MHz的短波发射机。系统结构如图1所示：

 

2 FPGA简介

FPGA是现场可编程门阵列(Field Program一able Gate Array)的简称，是新一代的自动调谐控制单元，它采用VHDL语言进行现场编程，其特点是：I／O资源丰富，运算速度快(ns级)，集成度高，稳定性好，包含的LUT和触发器数量丰富等等。

鉴于这些特点，系统拟采用单片机与现场可编程门阵列(FPGA)组合的方式。FPGA主要完成人机界面、测定发射机工作频率及调整元件位置的逻辑设计，单片机则完成上位机通信、元件位置数据采集、存储系统参数等任务。本系统设计中主要完成系统逻辑部分设计。图2所示为系统逻辑结构。

系统中的各逻辑模块设计主要用VHDL硬件描述语言完成。

3 系统功能概述

3．1 自动调谐

发射机自动调谐是指在调谐过程中根据当前发射机的工作频率，将各个调谐元件调到与该频率相对应位置的操作过程。短波发射机各用电单元的通断，是通过配电箱中相应接触器的通断来实现。控制接触器通断的信号是由调谐逻辑小盒产生。自动调谐控制套箱是用来实现本发射机的高频回路元件在换频时的机械定位进行调谐控制。为了达到调谐的目的，自动调谐系统需要完成以下几项工作：
(1)为了实现工作人员对发射台的远程监控，需要将自动调谐系统与在线计算机相连；
(2)系统需要设置各种参数，需要有简易的人机界面，主要是键盘和LED显示；
(3)系统参数的存储及调用；
(4)发射机实际工作频率的测定；
(5)调谐元件位置信息的采集；
(6)控制执行电机调节元件位置。

3．2 调谐原理

操作人员先通过控制面板创建各个工作频道，每个工作频道中保存有发射机的工作频率及频率所对应的可调元件位置值。创建完工作频道后，就可以进入正常的调谐工作。选择一个工作频道，并按功能键，系统将向单片机发出中断请求，FPGA从单片机的EEPROM中取出该频道所对应的频率值及8个调谐元件位置信息，经单片机采集的8路调谐元件
实际位置信息也传送给FPGA，用于与预置值相比较，差值用于控制电机。调谐系统还有一个自动测频模块，该模块用于测定发射机实际工作频率，当该数值与预定值相等时，系统自动预置元件位置值。

系统的主要有效参数有：工作频道、工作频率、被调元件的位置值。

全机共有8个被调元件：
1路— — 高前级回路电容器，作为本级调谐(粗调、细调)用；
2路—— 高末级腔体短路板，仅作粗调：
3路—— 高末级态调谐电容，作为粗调、细调用；
4路—— 高末级调谐电容，作为粗调用；
5路—— 高末级调载电容，作为粗调、细调用：
6路—— 高末级调载线圈，作为粗调用；
7路—— 作为备用；
8路—— 高前级调谐电感，作为粗调用。

3．3 调谐方式

本系统具有“手动”、“半自动”、“自动’，3种调谐方式。
系统正常工作过程中主要使用“自动”调谐方式；能采用“预置”的前提是被调元件到位精确，系统的机械回差和电气都在允许的范围内；“半自动”方式是辅助方式，它能克服自动方式中总有个别频率不能调到最佳状态的缺点。

(1)手动方式
“手动”方式是在操作面板上进行人工调谐的工作方式，用于初调谐和创建频道、工作频率及相应被调元件的位置值。全部被调元件的细调和初始粗调都用手动控制完成的；“手动”给定位值的获得，可通过面板上的使能键和0-9数字键盘手动进行频道初始化、工作频率设置、8个可调元件的位置设置，每设置完一个频道，可保存设置值。