基于51單片機的數(shù)字化無載波報警系統(tǒng)

國家新聞出版廣電總局723臺 李金彤

1.引言

對于無線局發(fā)射臺站而言，安全播出是生命線，優(yōu)質(zhì)零秒播出一直是我們追求的目標(biāo)。為此我臺先后進(jìn)行多種技術(shù)改造，研發(fā)創(chuàng)新，力保播音成績實現(xiàn)“不間斷，高質(zhì)量，講效益，重安全”。其中，模擬式無載波報警系統(tǒng)是一項實用性強，可靠性高，快速準(zhǔn)確的報警系統(tǒng)，一直沿用至今。

無載波報警系統(tǒng)的取樣信號來自平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器的輸出饋管，也就是說和調(diào)幅度測試儀接受同一個輸入信號。在發(fā)射機運行過程中，只要載波信號低于某一值，該系統(tǒng)就會發(fā)出警告聲提醒值班者檢查處理，采取應(yīng)急措施。經(jīng)過多年的維護(hù)經(jīng)驗，載波信號消失的故障有：射頻放大電路斷激勵，自動增益控制器擊穿，高前管碰極，各種原因引起的調(diào)制器封鎖，末前陰流過荷，掉高壓，電子管推動力不足，高末管碰極等等，可以說，發(fā)射機絕大部分故障都可以被該系統(tǒng)檢測到，因此他在我臺機房的廣播發(fā)射播音中，承擔(dān)著非常重要的監(jiān)視角色。但是其電路冗雜，需要大量電阻，電容，二極管，三極管等分立元件，數(shù)字元器件只是簡單的與或非器件，硬件調(diào)試維護(hù)困難。電路圖如下1所示。而基于單片機的數(shù)字式無載波報警，可以省去繁多的電阻電容二極管，以及中等集成芯片，只需數(shù)字采樣電路，串口通訊等電路即可。

圖1 模擬式無載波報警電路圖

2.硬件電路設(shè)計

2.1 51單片機介紹

本方案使用51型單片機ST89C52RC。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。其功能如下：8位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM)(52為8K)；128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)(52有256bytes的RAM)；32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節(jié)指令；21個專用寄存器；2個可編程定時/計數(shù)器·5個中斷源，2個優(yōu)先級(52有6個)；一個全雙工串行通信口；外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB；外部程序存儲器尋址空間為64kB；邏輯操作位尋址功能·雙列直插40PinDIP封裝；單一+5V電源供電；CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。

這里要詳細(xì)介紹2個概念：第一，總線：我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當(dāng)于各個器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數(shù)據(jù)，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進(jìn)行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發(fā)送數(shù)據(jù)(能有多個器件同時接收)。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內(nèi)部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。

第二數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質(zhì)都是一樣的──數(shù)字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機芯片的設(shè)計者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，不能由單片機的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機內(nèi)部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計者規(guī)定好，不可更改，外部的單元能由單片機開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的(詳見程序的執(zhí)行過程)。數(shù)據(jù)：這是由微處理機處理的對象，在各種不一樣的應(yīng)用電路中各不相同。

2.2 電路硬件原理及設(shè)計

數(shù)字式無載波報警系統(tǒng)，需要數(shù)字取樣電路，省去電阻，電容，二極管，三極管等分立元件，只需要幾個集成芯片就可以實現(xiàn)功能。具體電路如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)硬件電路

在圖2-1中，74LS245是三態(tài)緩沖驅(qū)動器，接受左邊來的載波取樣信號，將其變成標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號輸出，送給單片機。其中DIR是方向選擇端，即控制信號從A流向B，還是從B流向A；EN為使能端，置低電平時芯片工作；AB為信號端。本系統(tǒng)中，DIR為高電平，信號從A流向B，而不能從B流向A，這樣能夠防止瞬間高電壓通過緩沖器進(jìn)入采樣傳感器，保護(hù)傳感器。載波信號經(jīng)過74LS245處理后，送到單片機的IO口，我們選擇P1口接受載波信號。單片機對信號進(jìn)行處理，識別哪部機器出問題。P2口連接指示燈，將故障機器對應(yīng)的燈點亮。P32口外接揚聲器電路，首先接繼電器，使得控制信號與驅(qū)動信號有效隔離。當(dāng)單片機檢測到無載波報警時，P32口輸出低電平，繼電器線包吸合，揚聲器被供電發(fā)出報警。電容X1和X2以及晶振Y1組成晶振電路，為單片機提供12MHz的基準(zhǔn)頻率。開關(guān)S1和電阻R2以及電解電容C9組成單片機的復(fù)位電路，當(dāng)程序鎖死或單片機死機的時候，按下開關(guān)S1，系統(tǒng)可以重啟。

最后，還要設(shè)計一個指示燈電路，即電路圖中發(fā)光二極管D7和電阻R7。以此觀察軟件調(diào)試時程序的入去運行情況，當(dāng)調(diào)試結(jié)束開始正式使用后，這個指示燈繼續(xù)顯示程序的運算狀態(tài)，當(dāng)它的顯示狀態(tài)不正常，值班員可以手動將單片機復(fù)位，以減少不必要的失誤。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

下面給出本系統(tǒng)的軟件部分內(nèi)容，包括流程圖和具體代碼。

3.1 流程圖

圖3-1 軟件流程圖

3.2 代碼編寫

下文對軟件代碼進(jìn)行編寫，主要有幾個部分：宏定義，載波信號讀取，數(shù)據(jù)處理，指示燈和揚聲器控制。我們機房有6部發(fā)射機，即需要采集6路數(shù)字信號，而單片機的IO口是8位，所以還涉及到位提取和位運算。

4.總結(jié)

實踐證明，此次數(shù)字化改造完全達(dá)到所需目的，減少了復(fù)雜的分立式元器件數(shù)量，簡化電路減輕調(diào)試工作量。方便維護(hù)查找問題，而且在該系統(tǒng)中，單片機多個引腳和資源處于保留狀態(tài)，如串口通信，P0口，中斷資源，計時器定時器等等，為以后擴展功能打下基礎(chǔ)。