便攜式調(diào)頻廣播值機監(jiān)聽報警器設(shè)計與實現(xiàn)

文/林演員

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展應用和人力成本的增加，傳統(tǒng)廣播值機模式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代社會的發(fā)展步伐。本項目主要針對我臺調(diào)頻廣播值機值班工作提出來的，機房很小且在一個小山上，值機員無法在機房24小時值班。為提高安全播出水平，我們進行了電源、發(fā)射機、節(jié)目信號等設(shè)備的主備自動切換改造，實現(xiàn)了“有人留守、無人值機”模式，節(jié)省了人力成本。為保證留守人員在從事其他工作的同時能夠及時監(jiān)測廣播播出情況，我們研發(fā)出了便攜式調(diào)頻廣播值機監(jiān)聽報警器。此報警器體積小，如同攜帶一部手機一樣，非常輕便，實現(xiàn)開關(guān)機、停播、無音頻等各種故障狀態(tài)下發(fā)出警報聲和指示燈，留守人員可以隨時隨地監(jiān)測播出情況，且不用一直監(jiān)聽節(jié)目，只有出現(xiàn)問題才會發(fā)生警報，徹底解決了值機員長期聽節(jié)目容易產(chǎn)生疲憊厭煩的狀況，大大縮短了發(fā)現(xiàn)處理故障問題的時間，提高了留守值機的效率和安全播出水平。

1.報警器的功能設(shè)計

根據(jù)工作實際，我們對報警器的功能進行設(shè)計，主要實現(xiàn)6大功能：報警功能，對發(fā)射機運行狀態(tài)檢測，實現(xiàn)故障報警，這是核心功能；設(shè)置功能，對監(jiān)聽頻率、時間、報警閾值等進行設(shè)置，實現(xiàn)通用性；監(jiān)聽功能，對節(jié)目狀態(tài)進行監(jiān)聽；故障指示，采用不同顏色對不同類型故障進行顯示；顯示功能，采用液晶屏對報警器各種狀態(tài)進行顯示；充電功能，采用鋰電池供電。

1.1 發(fā)射機運行狀態(tài)檢測

我臺正式播音時間為6:30-24:00，發(fā)射機經(jīng)自動化改造后實現(xiàn)早上6:20自動開機，凌晨0:10自動關(guān)機。根據(jù)節(jié)目播出時間，我們把一天24小時發(fā)射機的運行狀態(tài)分為關(guān)機、開機未播音、開機播音三個狀態(tài)，如圖1所示四個階段。

圖1 發(fā)射機運行狀態(tài)圖

一是開關(guān)機的檢測。實現(xiàn)對發(fā)射機開、關(guān)機狀態(tài)的檢測報警，包括早上是否提前自動開機、節(jié)目開播后有無非正常關(guān)機、晚上播音結(jié)束后是否正常關(guān)機。以我臺播出時間為例：6:20—0:10，發(fā)射機處于開機狀態(tài)，如果6:20以后發(fā)射機未開機或者中間出現(xiàn)停電、機器故障等導致關(guān)機，報警器應該發(fā)出未開機報警。0:10-6:20發(fā)射機處于關(guān)機狀態(tài)，如果此時間段發(fā)射機自動開機，報警器應當發(fā)出報警。

二是節(jié)目播出狀態(tài)檢測。在平時播出過程中，發(fā)射機正常開機，節(jié)目播出常出現(xiàn)的故障現(xiàn)象主要包括節(jié)目中斷、無音頻輸出或聲音過小等。因此，報警器要實現(xiàn)對這些故障的檢測報警。例如：6:30-24:00節(jié)目應該正常播出，在這段時間里，如果出現(xiàn)靜音狀態(tài)，報警器應該發(fā)出警報，提醒無音頻播出。

1.2 報警類型指示

為了使值機員便于觀察故障類型，對不同的報警類型采用指示燈分類，當報警聲音出現(xiàn)后，相應故障的指示燈也會閃爍，當留守人員發(fā)現(xiàn)報警后可以關(guān)掉聲音，指示燈保持閃爍，可以通過指示燈知道故障類型。

1.3 節(jié)目監(jiān)聽功能

為進一步確定節(jié)目播出質(zhì)量，報警器具備收聽電臺節(jié)目的功能，能調(diào)節(jié)音量大小。

1.4 顯示功能

采用液晶顯示器對信號大小、電池電量、時鐘、頻率、報警器開關(guān)等狀態(tài)進行顯示。

1.5 設(shè)置功能

為實現(xiàn)通用性，應具備廣播頻率設(shè)置、播出時間設(shè)置、信號閥值設(shè)置、聲音閥值設(shè)置、開關(guān)報警聲音設(shè)置等功能。

1.6 充電功能

為便于攜帶，報警器的體積要小巧，而且電源供應要方便，續(xù)航時間要長，且具備充電功能，隨時隨地可以進行充電。

2.報警器關(guān)鍵技術(shù)原理

在報警器需要實現(xiàn)的功能當中，發(fā)射機運行狀態(tài)檢測是關(guān)鍵技術(shù)，在一些現(xiàn)代化程度比較高的機房采用PLC對發(fā)射機的參數(shù)進行采樣，通過電腦實時檢測報警，但這只是固定在機房，人無法離開。比較先進的是依靠網(wǎng)絡(luò)將采樣后的參數(shù)傳輸?shù)絇DA設(shè)備中，也可實現(xiàn)相應功能，但設(shè)備較昂貴，傳輸受網(wǎng)速和設(shè)備影響，實用性不高。為實現(xiàn)我們需要的功能，我們根據(jù)多年的故障處理經(jīng)驗對相關(guān)技術(shù)進行研究，提出一種新的解決辦法，從接收端實時監(jiān)控節(jié)目播出情況。首先獲取不同播出狀態(tài)下的音頻波型圖，然后提取相應的特征，根據(jù)特征進行檢測，實現(xiàn)報警功能。

2.1 特征量分析提取

為實現(xiàn)報警器檢測功能，我們使用收音機接收同一個調(diào)頻頻率后通過示波器獲取在關(guān)機狀態(tài)、開機未播音狀態(tài)和開機播音狀態(tài)下產(chǎn)生的聲音波型圖，研究其波型特點，找出每一種狀態(tài)下的波型規(guī)律，提取獨有的特征量。

圖2-圖4是10ms期間的三種狀態(tài)下的波型圖，從圖中我們可以很清晰地判斷發(fā)射機在各種狀態(tài)下波型規(guī)律有明顯的差別，可以提取出相應特征量。通過收音機接收模塊，將調(diào)頻廣播信號進行解調(diào)后得到語音信號，作合適的濾波后送至Microchip高性能單片機PIC16F917進行處理，經(jīng)過AD采樣之后提取出離散數(shù)值，通過計算各個離散值的公差判斷當前的工作狀態(tài)。

圖2 關(guān)機狀態(tài)下波型圖

圖3 開機未播音狀態(tài)下波型圖

圖4 開機播音狀態(tài)下波型圖

2.2 信號檢測原理

收音機模塊輸出的信號經(jīng)過PIC16F917單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，每1ms獲取256個離散值，對這些數(shù)值進行求公差計算。當發(fā)射機開機時，信號強，獲取的公差計算值大，當發(fā)射機關(guān)機時，信號很弱，獲取的公差計算值比較小，且這個數(shù)值比較固定。我們把這個數(shù)值作為參考，根據(jù)實際情況設(shè)定合適的信號閥值，然后對求取公差與信號閥值進行比較，當公差值小于信號閥值時，說明信號很弱，將啟動報警，為了防止誤報警，我們設(shè)定一個緩沖時間，提高了報警精確度。

圖5 信號檢測流程圖

2.3 聲音檢測原理

在信噪比不是很低的情況下，根據(jù)語音信號能量大于噪聲信號能量的情況，通過比較輸入信號能量與語音能量閥值的大小，可以對語音段和非語音段加以區(qū)分。具體實現(xiàn)：將收音機模塊輸出的模擬信號輸入到芯片，芯片內(nèi)部對信號作合適的濾波處理后，取得比較平穩(wěn)的線性度，在程序上每1ms掃描一次輸入信號，當輸入值大于設(shè)置聲音閥值時，則計數(shù)器清0；反之，計數(shù)器加1，當計數(shù)器達到了設(shè)置時間閥值時，則將啟動報警。

圖6 無音頻報警檢測流程圖

3.報警器設(shè)計實現(xiàn)

為實現(xiàn)報警器通用性，需要考慮以下幾點：一是檢測原理與機器設(shè)備無關(guān)，只要根據(jù)發(fā)射臺播出的頻率設(shè)置報警器的接收頻率，就可以檢測節(jié)目播出情況；二是可根據(jù)每個發(fā)射信號強度和節(jié)目音頻特點進行設(shè)定報警值，達到精確報警；三是外觀設(shè)計要小巧，人機交互要友好。

3.1 硬件組成

監(jiān)聽報警器由PIC16F917單片機、調(diào)頻收音機模塊、音頻功放模塊、PCF8563時鐘芯片、按鍵、LCD顯示模塊等構(gòu)成。由于我們掃描音頻的間隔很短，運算量比較大，采用PIC16F917高性能單片機提高報警電路穩(wěn)定性，它具有高性能、高精度、低功耗等特點。PIC16F917單片機作為整個報警器主要部件，所有部件與單片機PIC16F917相連接，并通過各自的通信方式與單片機進行數(shù)據(jù)交換。調(diào)頻收音機模塊是主要將接收的信號輸出給單片機用于檢測。聲音的輸出通過一個單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051，單片機通過控制CD4051的二進制輸入端B、C來選擇信號輸入，并通過OUT 腳輸出到功放模塊放大后通過揚聲器輸出。使用PCF8563時鐘芯片對時間進行管理，讓報警器能夠?qū)崿F(xiàn)多時間段報警，以及控制報警延遲，完成各種復雜的定時服務(wù)。監(jiān)聽報警器采用單節(jié)4.2V大容量充電電池代替多節(jié)干電池供電，設(shè)計電路充電電路。監(jiān)聽節(jié)目與報警喇叭共用一個揚聲器，大大縮小報警器的體積，便于攜帶。

圖7 便攜式調(diào)頻廣播監(jiān)聽報警器設(shè)計圖

3.2 實現(xiàn)技術(shù)

收音機模塊輸出的信號經(jīng)過電阻R9，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，隨后輸入到PIC16F917單片機的25腳。單片機的25腳是模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）端口，該端口由1個帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構(gòu)成，芯片內(nèi)部采用雙積分法對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過兩次積分輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。對轉(zhuǎn)換后的信號進行估算，獲取256次10位的數(shù)字信號值，然后求平均值，求得256次信號與平均值的公差。當信號比較強時，獲取的公差計算值比較大；反之，當信號比較弱時，獲取的公差計算值比較小。所有公差值相加，除以檢測次數(shù)，得到信噪比。將信噪比與信號閥值進行比較，當信噪比小于信號閥值5時（＜2S），則將啟動報警。程序采用C語言編寫，獲得信噪比方法如下：

unsigned int Data[255]；//獲取255個數(shù)據(jù)

unsigned long SUM_DATA；//得到255數(shù)據(jù)總和值

unsigned int AVG_DATA；//得到255數(shù)據(jù)的平均值

bit S_IF；//255數(shù)據(jù)獲取完畢

AVG_DATA=SUM_DATA>>8；//得到平均值

SUM_DATA=0；

unsigned long GC_DATA；//得到255數(shù)據(jù)公差的總和值

GC_DATA=0；

unsigned char ik；

if（ik=0；ik++；ik＜255）

{

if（Data[ik]>AVG_DATA）

{

GC_DATA=GC_DATA+Data[ik]-AVG_DATA；

}

else

{

GC_DATA=GC_DATA+AVG_DATA-Data[ik]；

}

}

SNR=GC_DATA>>8；//得到信噪比

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

監(jiān)聽報警器提供多種參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)通用性，可設(shè)置接收頻率、開機時間、關(guān)機時間、開始播音時間、結(jié)束播音時間，任何一個調(diào)頻廣播電臺都可通過這些設(shè)置實現(xiàn)對本單位發(fā)射臺播出情況的監(jiān)聽報警。另一方面報警器也提供了信號閥值、聲音閥值和靜音間隔等檢測值的設(shè)置，可根據(jù)實際情況提高報警準確性。主要技術(shù)指標與參數(shù)：規(guī)格大?。?0CM*6CM*2cm；頻率范圍：87MHz—107MKHz；時間設(shè)置：0:00-23:59；信號閥值設(shè)置：5-45；聲音閥值設(shè)置：5-99；靜音緩沖時間設(shè)置：5-99；電壓： 3.7-4.2V；續(xù)航能力：未開監(jiān)聽節(jié)目狀態(tài)下48小時，監(jiān)聽節(jié)目狀態(tài)根據(jù)音量大小變化。

圖8 便攜式調(diào)頻廣播監(jiān)聽報警器

結(jié)語

便攜式廣播值機監(jiān)聽報警器投入使用后，值機員隨身攜帶方便，在平時可以開啟喇叭監(jiān)聽節(jié)目播出情況，在工作、開會、學習等時間只要關(guān)閉喇叭，出現(xiàn)播出異常情況，報警器就會響起，并且通過兩個指示燈可以直接判斷出是音頻節(jié)目故障還是發(fā)射機故障，顯示直觀，報警準確，運行穩(wěn)定，各項功能達到設(shè)計要求。在有人留守、無人值機的情況下，加快發(fā)現(xiàn)故障的速度，縮短恢復播出時間，減輕了留守人員的工作壓力，提高了安全播出水平。此報警器具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、檢測靈敏、便攜性強、通用性高等特點，用戶只要進行一些參數(shù)設(shè)置就可用于任何地方的調(diào)頻廣播電臺，可批量生產(chǎn)并在全國廣播電臺系統(tǒng)推廣。