基于STM32的六路廣播調(diào)諧器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（廣西廣播電視無線傳播樞紐臺(tái)）

1 引言

市場(chǎng)常見的調(diào)諧器通常只可以實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)聽卻不能監(jiān)測(cè)當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)制度等，功能單一、不全。而目前技術(shù)中心所轄臺(tái)站在用的四路調(diào)諧器接收效果和穩(wěn)定性差，無場(chǎng)強(qiáng)、GPS定位等功能，因此有必要對(duì)原四路調(diào)諧器進(jìn)行升級(jí)改造。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款接收效果好、穩(wěn)定性好，可以監(jiān)測(cè)當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)制度的廣播調(diào)諧器，增加了GPS定位功能，用于遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)接收解調(diào)臺(tái)站的發(fā)射廣播信號(hào)。對(duì)解調(diào)出來的音頻信號(hào)進(jìn)行解析并可以通過設(shè)置時(shí)間表、告警門限等處理，得出場(chǎng)強(qiáng)低、無音頻、噪聲、平均調(diào)制度過低過高等告警信息，這些信息不僅可以從設(shè)備面板上以及客戶端軟件直觀的觀看，還可以通過網(wǎng)絡(luò)返傳中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，中心服務(wù)器再將調(diào)諧器上報(bào)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)反饋發(fā)射信息給平臺(tái)值班人員，實(shí)現(xiàn)臺(tái)站發(fā)射效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)告警。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的6路廣播調(diào)諧器具備以下功能：

1. 支持最多可以同時(shí)接收監(jiān)測(cè)6個(gè)頻點(diǎn)的FM/AM節(jié)目。

2. 支持客戶端實(shí)時(shí)查看和客戶端參數(shù)設(shè)置。

3. 通信方式為UDP，接口為RJ45。

4. 天線接口為BNC接口，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)1個(gè)BNC接口。

5. 支持無音頻告警、場(chǎng)強(qiáng)低告警、調(diào)制度高告警、調(diào)制度低告警、噪聲告警等告警功能。

6. 支持輪詢監(jiān)聽輸出，定時(shí)輪詢監(jiān)聽每一路節(jié)目。

7. 支持網(wǎng)絡(luò)升級(jí)功能。

8. 支持GPS定位功能。

9. 支持設(shè)置時(shí)間表，在時(shí)間表內(nèi)監(jiān)測(cè)，時(shí)間表外不監(jiān)測(cè)。

10. 每路音量輸出接口為蓮花頭接口，并支持?jǐn)?shù)字調(diào)節(jié)音量大小。

3 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控制器，6個(gè)SGM-4754AF廣播調(diào)諧器模塊進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)6個(gè)頻點(diǎn)的廣播信號(hào)解調(diào)，然后將解調(diào)信號(hào)進(jìn)行放大處理，通過音頻接口輸出監(jiān)測(cè)。并通過ENC28J60網(wǎng)卡，以UDP的通信方式與本地上位機(jī)客戶端及遠(yuǎn)端中心服務(wù)器通信。本系統(tǒng)增加了GPS模塊，實(shí)現(xiàn)定位功能，并采用OLED屏顯示調(diào)諧器的基本信息。系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 六路廣播調(diào)諧器系統(tǒng)框圖

4 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)廣播調(diào)諧器的功能應(yīng)用需求，對(duì)主控單元及集成模塊進(jìn)行了選型。STM32F系列屬于內(nèi)核為Cortex-M3的32位ARM微控制器，集成了豐富的外設(shè)接口，如RTC、定時(shí)器、CAN總線控制器、ADC、UART、SPI、I2C等，故選擇ST公司的STM32F103單片機(jī)作為主控MCU。

Silicon Labs的Si475x系列AM/FM調(diào)諧器IC提供了既具有成本效益而又功能豐富的高性能解決方案，技術(shù)指標(biāo)好，接收穩(wěn)定，性能可靠，可以把當(dāng)前頻率、場(chǎng)強(qiáng)、信噪比都運(yùn)算好后存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中，主控芯片只需要讀取即可。Si475x調(diào)諧器IC支持世界范圍的無線電頻段，擁有業(yè)界領(lǐng)先的高集成度，節(jié)省了許多昂貴外部元器件的需要。故選型以Si4754為核心的SGM-4754AF調(diào)諧器模塊。

調(diào)諧器模塊解調(diào)出來的信號(hào)是比較微弱的，需要對(duì)該信號(hào)做高保真放大處理。NE5532是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器集成電路，電路成熟，它具有很好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，用作音頻放大時(shí)音色溫暖，保真度高。

由于此設(shè)計(jì)的廣播調(diào)諧器需要能夠數(shù)字調(diào)節(jié)輸出，用于監(jiān)聽，采用數(shù)字電位器可以實(shí)現(xiàn)此效果。經(jīng)選型，X9241內(nèi)部包括一個(gè)I2C接口和4個(gè)數(shù)字電位器。每個(gè)數(shù)字電位器由電阻陣列及與之對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)計(jì)數(shù)寄存器WCR、四個(gè)8為數(shù)據(jù)寄存器R0~R3等部分構(gòu)成，完全滿足了電路設(shè)計(jì)的要求。

本系統(tǒng)采用的GPS模塊是和芯星通UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能夠同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，采用串口的通信方式，可以直接與微控制器的串行口相接，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)。圖2為部分硬件電路圖。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過對(duì)微控制器STM32F103的編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制及傳輸。首先對(duì)系統(tǒng)的初始化，主要包含了單片機(jī)初始化、GPS初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化、調(diào)諧器模塊初始化、數(shù)字電位器初始化等。然后啟用定時(shí)器，等待用戶對(duì)調(diào)諧器的設(shè)置，包含通信參數(shù)設(shè)置、通道參數(shù)設(shè)置、通道告警門限設(shè)置等。若系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)修改完參數(shù)后，將重新啟動(dòng)，使用新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)才能與上位機(jī)連接。

當(dāng)系統(tǒng)初始化啟動(dòng)完后，設(shè)置相應(yīng)頻率，開始對(duì)調(diào)諧器模塊進(jìn)行解析。解析出當(dāng)前頻率的場(chǎng)強(qiáng)值、調(diào)制度值、音頻有無、噪聲等狀態(tài)信息。

將當(dāng)前接收到的場(chǎng)強(qiáng)值（dB）標(biāo)定為發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率值（按照實(shí)際發(fā)射功率/額定功率*100%），當(dāng)接收到的場(chǎng)強(qiáng)值持續(xù)低于該標(biāo)定值時(shí)，產(chǎn)生告警，觸發(fā)蜂鳴器告警，并主動(dòng)上報(bào)客戶端以及遠(yuǎn)端服務(wù)器。同樣，當(dāng)接收到的調(diào)制度高于或低于設(shè)定值、當(dāng)采集到的音頻信號(hào)低于設(shè)定的門限值時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生告警，觸發(fā)蜂鳴器告警，并主動(dòng)上報(bào)客戶端以及遠(yuǎn)端服務(wù)器。

本系統(tǒng)增加了播出監(jiān)測(cè)時(shí)間表，用戶可以根據(jù)自己的需求，自行定義本調(diào)諧器的監(jiān)測(cè)時(shí)間段。

本系統(tǒng)使用的北斗GPS模塊，可以采集到本設(shè)備的安裝位置信息，上報(bào)給遠(yuǎn)端服務(wù)中心，使遠(yuǎn)端平臺(tái)能夠獲得該設(shè)備的海拔、經(jīng)緯度等地理信息。

圖3為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 部分硬件電路圖

圖3 軟件流程圖

5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要一款可視化的上位機(jī)軟件與6路廣播調(diào)諧器進(jìn)行通信，可以直觀的查看調(diào)諧器的基本信息以及對(duì)調(diào)諧器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。為此專門為六路廣播調(diào)諧器設(shè)計(jì)了一款上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)臺(tái)站端本地的客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該上位機(jī)具備調(diào)諧器的通道參數(shù)設(shè)置、通道設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置、時(shí)間表設(shè)置、其他信息、告警記錄查詢及六路音頻采集實(shí)時(shí)狀態(tài)信息等功能。上位機(jī)客戶端軟件如圖4所示。

圖4 上位機(jī)客戶端軟件

在調(diào)諧器接上接收天線后，電腦與調(diào)諧器使用網(wǎng)線連接。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備是支持廣播搜索設(shè)備IP功能的，所以上位機(jī)只需在通信參數(shù)選項(xiàng)里的查找設(shè)備，即可搜索出設(shè)備IP等信息。然后在上位機(jī)中輸入設(shè)備IP和端口號(hào)，點(diǎn)擊連接設(shè)備即可連接上設(shè)備。此時(shí)，就可以對(duì)調(diào)諧器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置以及查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)了。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)解調(diào)六個(gè)頻點(diǎn)FM或者AM。擁有六路蓮花接頭的雙聲道音頻輸出接口以及一路監(jiān)聽輸出接口，可輪詢監(jiān)聽每一路，可以非常方便的將解調(diào)出來的音頻輸出保存記錄在本地的音視頻服務(wù)器中。并且能夠通過聯(lián)網(wǎng)，主動(dòng)返傳狀態(tài)、告警等信息給遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行分析處理，平臺(tái)值班人員可以及時(shí)了解臺(tái)站發(fā)射情況。

本項(xiàng)目已于2017年完成研發(fā)并投入生產(chǎn)，目前用于全區(qū)臺(tái)站遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建，今后將陸續(xù)更換臺(tái)站內(nèi)原有調(diào)諧器。

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