摘要：随着科学技术的不断发展，新的元件以及材料也逐渐出现，再加上人们物质文化生活的需求，广播电视行业得到了跨越式的发展。中波发射器渐渐从老式电子管的发射器转变为全固态或者数字调制发射机。目前在广播电视行业的发射机有出现了一种新类型——中波广播发射机，这种发射机正朝着网络化、数字化和自动化的方向发展，而对于中波广播发射机实时数据采集系统的设计，对于提高广播电视行业的发展水平有着极其重要的意义。
关键词：中波广播发射机 实时数据采集 系统设计 实现
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）01-0000-00
随着社会的发展，居民生活水平的提高，为了丰富国民的精神文化生活，我国的无线广播电视发射以及传输等设备的技术水平也逐渐提高，就目前而言，我国的各地区也相继建立了中小功率覆盖性的全固态中波广播发射机体系，使得广播行业得到了持续的发展。因此，基于计算机网络信息技术对覆盖区域内的设备进行监控，对其故障进行诊断和处理意义非凡，而实时数据采集系统的设计及应用显得十分有必要。
1 中波广播发射机实时数据采集及其处理
1.1 数据的采集
在中波广播发射器的工作过程当中，需要进行数据的采集工作，数据采集的路径就是发射机的对外接口电路，这一接口电路除了采集数据之外，还能够对设备进行遥控，对信号进行控制和检测，为发射机和控制器提供隔离。同时，如果对外接口端发生异常电压，发射机内部的二极管阵列能够及时的对电路进行必要的保护。另外，中波广播发射机的接口电路包含了诸多功能，例如：光隔离输出功能、集电极在开路“状态”下的输出功能、模拟电压“监测”状态下的输出功能等，并且其内部的齐钠二极管还能有效防止瞬间过压冲击，同时还能够为集成电路电源提供±15VDC。三端稳压器产生的±15VDC能够为USB实时数据采集系统的运行提供能源[1]。
1.2 收集数据的处理
由于全固态中波广播发射机所在的工作环境较为负载，在进行实时数据采集的过程中容易受到外界因素的干扰，从而导致所采集到的数据出现失真的现象。为了能够有效地解决这一现象，在对所收集的数据进行处理时，使用串行总线USB能够极好的使得这一现象得以解决。其中，USB将外围设备和计算机相连，这种串行接口不仅能够实现双向快速传输和同步传输，并且能够实现热拔插，使得数据采集工作能够更加的便捷，降低处理过程中的成本，使得数据处理工作更加的可靠。在全固态中波广播发射机中，外部接口电路能够促使所有前板表头和LED面板上的控制功能和指示功能均得以实现，除此之外，对外接口板还支持数据采集，除频响、信杂比和失真之外，发射机的功放电压、直流稳压、过荷指示等数据都能够从对外接口板中获取[2]。
2 系统硬件设计
2.1 硬件总结构分析
实时数据采集系统的设计基础是USB总线，其设计思路为：多路模拟信号由对外接口板获取，这些信号在模拟开关的作用下输入到A/D转换器中，在转换器中经过转换，在单片机的作用下完成数据采集工作，并将数据在USB芯片上进行存储，将其传送到计算机。该硬件结构设计组成包括以下几部分，分别是：模拟开关、单片机、A/D转换器和USB接口芯片。
2.2 USB高速接口芯片
USB接口芯片使用的是PHILIPS公司生产的ISP1581芯片。这个芯片属于一种高速USB控制器，将串行接口引擎、高速收发器、多配置存储器、存储器管理单元、电压调整器、DMA接口与控制器、微控制器和处理器、管理器、系统控制器集于一身，具有支持自动DMA操作、双电压操作、多中断模式操作等功能。此外，ISP1581芯片还具有处理USB物理层与数据协议层任务的功能，属于USB接口器件的一种，能够实现16个USB端点的协作运行，功能强大、价格低廉。除此之外，它还能支持USB自动检测功能的实现，能够为系统运行提供强大的USB通信功能。该控制器的接口由三部分组成，其一是管脚BUS_CONF，其二是管脚MODE0，其三是管脚MODE1，其适用接口范围涵盖了大多数。ISP1581芯片内部的总线结构有两种：（1）上电时，BUS_CONF输入管脚对模式进行选择，其模式代码如下：BUS_CONF=1表示其工作模式为通用处理器；BUS_CONF=0表示其工作模式为断开总线。ISP1581内部总线结构与外部存储器或设备间的数据传输是在DMA控制器的控制下完成的。在工作状态下，ISP158以12MHz的频率工作，其内部集成结构中的时钟乘法器（40×PLL）能够生成内部抽样时钟（480MHz）。其中经过转换机处理后的数据就会在单片机的作用下通过16位并行接口在FIFO存储器中完成存储。存储器一旦存满，SIE就会在最短的时间内进行数据处理，其处理内容有以下几种，分别是：同步方式识别、位填充或者解除填充、并行转换或者串行转换、分组标识校验、CRC校验或者产生、地址识别、握手评估等，处理完成之后，其数据对经由模拟或者收发器在D+、D-作用下发送到计算机中。上述过程都要遵循USB2.0协议。
3 中波广播发射机实时数据采集系统的软件设计
3.1 USB固件程序设计
系统软件由三部分构成，第一部分是驱动程序，第二部分是USB固件编程，第三部分是应用程序。在整个系统中，其核心是设备固件，其功能是控制芯片进行数据采集、对驱动程序发出的请求进行接收和处理，对应用程序发出的控制指令进行接收和处理。设备固件使用C语言设计，其功能分析如下[3]：
（1）控制A/D模块采集数据；（2）完成对驱动程序请求的接收和处理；（3）监控ISP1581芯片对应用程序的相关指令进行接收等。其应用流程为：单片机在完成ISP1581检测后会进入主循环状态。在这样的情况下，计算机会先将发令牌包给ISP1581芯片，ISP1581芯片在收到令牌包之后会发送中断信号给单片机，单片机在对中断类型进行判断之后设定Status标志位；最后中断服务程序完成该标志位的执行工作。单片机在A/D模块的作用下完成数据采集工作。
3.2 驱动程序的设计与实现
USB驱动程序的设计使用分层结构模型来完成，其结构分为高级与低级两个等级，其中高级的是USB驱动程序，低级的是USB函数层。其中函数层由两个模块构成，其一是通用串行总线驱动，其二是主控制器驱动。为了提升函数层的通用性，可以简化程序。USB函数层是以Windows系统为基础实现的，其功能是负责对USB驱动程序进行管理，完成控制器间的通信工作，实现USB驱动的加载和卸载等。由于在设计的过程中，以Windows系统为基础的USB驱动程序设计的目的数据采集，因此，在对其进行设计时必须使用专门的开发工具来完成。一般来说，USB驱动程序由4个部分构成，其一是初始化模块，其二是即插即用管理模块，其三是电源管理模块，其四是I/O功能模块[4]。具体功能如下：
（1）初始化模块提供入口的初始化过程；（2）即插即用管理模块负责USB热插拔工作和动态配置工作的实现。举个例子，当USB设备接入被Windows系统检测到时，其系统就会自动检查搜寻相应的驱动程序，实现设备的正确配置，在此之后，驱动程序就会开始硬件对话。（3）电源管理的功能是挂起设备、唤醒设备。（4）I/O的功能是完成I/O请求。该实现流程为：动态链接库发出I/O请求，与此同时会通过Win32API函数将命令传达给设备；之后，I/O模块架构一个IRP，将其Major Function域设置为IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。最终，USB驱动程序接受到IRP，将控制码提取出来，在开关语句的作用下搜寻到对应的例程入口。
3.3 应用程序的设计与实现
应用程序的编写是利用Delphi工具来完成的。应用程序分为两层，其中一层是低层数据采集系统，另外一层是数据应用管理程序。数据采集程序功能的实现是通过调用动态链接库来完成的。应用程序的功能为：实现USB设备的检测、完成USB设备的开启和关闭、完成A/D模块与数据采集端口的设置、将数据实时存储到SQL数据库中等。在应用程序运行的过程中，缓冲区存满后会将数据进行自动打包，数据包通过SIE实现自动发送。在这个过程中，应用程序在收到数据包之后会有所延迟，延迟时间为数据包的准备时间，以确保程序运行和数据采集能够同步进行。数据应用程序的各项功能为：实时数据显示工程、故障智能分析功能、故障报警功能、数据处理功能、历史数据查询功能等[5]。
4 抗干扰系统的设计
在数据采集时，由于所处工作环境的复杂性，中波广播发射机难免会遇到干扰，其主要干扰来源就是发射机产生的电磁波和各种电源脉冲干扰等。因此，在设计中波广播发射机实时数据采集系统的过程中一定要做好抗干扰的设计，防止在数据采集过程中出现差错[6]。
4.1 硬件抗干扰
发射机干扰信号的特点是持续时间较短，因此在进行数字信号采集时，为了避免干扰，可以进行重复采集。如果采集的信号连续两次或以上其结果都完全相同，就表示输入信号有效。如果在信号采集的过程中，采集结果总变化不定，就表示信号采集无效。在信号采集的过程中，以实时采集为前提，在满足该前提的条件下，如果相邻信号采集的过程中有延时程序插入，就能够对较宽的脉冲产生抑制作用，其抗干扰效果也会得以有效提升。在采用该方法的过程中，为了保证抗干扰的效果，要做好隔离工作，开关量信号和模拟量信号在输入时使用高频滤波，对线路进行隔离处理；在开关量信号输出是使用光耦合隔离，使用屏蔽线作为传输线进行取样信号传输，硬件的外壳和屏蔽层要与机房的地网进行可靠连接[7]。
4.2 软件抗干扰
在数据实时采集过程中其系统受到的干扰具有随机性的特点，因此，在提升硬件抗干扰能力的同时，也要加强软件抗干扰能力。这就要求：采用数字滤波技术，用来音质叠加在模拟输入信号上噪声。同时，也要做好硬软件的相结合，这主要是由于实时数据采集系统在强干扰的作用下会失控，失控之后就会出现程序乱飞或者程序卡死等现象。并且，该系统的应用程序使用的运行方式往往是循环运行方式，利用软硬件相结合的方式能够不断监视实时数据采集系统的应用程序，当应用程序陷入死循环当中之时，就可以自动复位重启，从而确保数据采集的有效性[8]。
5 结语
综上所述，随着社会的发展，科学技术以及信息技术水平也在不断的提高，对于中波广播发射机来说，要想实现数据的实时采集，就必须要把采集系统设计好，而基于USB总线的实时数据采集系统，在中波广播发射机的应用过程中，能够及时的采集数据，并且具有很强的抗干扰能力，支持即插即用，性价比较为合适，同时，对实时数据的采集速度较快，能够适用于中波广播发射器复杂的工作环境。
参考文献
[1] 冯黎成.关于实时数据采集系统优化设计中Lab VIEW技术的融入[J].电子世界，2014，（18）：3.
[2] 李安平.广播发射机分布式计算机数据采集与控制系统[J].山西电子技术，2010（1）：79-81.
[3] 张京保，席宏杰.TBH522型短波发射机数据采集系统设计与实用[J].西部广播电视，2014（4）：147-148.
[4] 陈光建，何华平，贾金玲等.基于虚拟仪器的实时数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2011（4）：49-50.
[5] 贾志成，岳西凤，李永军等.基于VC++的XCTD串口实时数据采集系统的实现[J].机械设计与制造，2010（10）：84-86.
[6] 高炜，张江滨.基于Simulink与硬件的实时数据采集系统的实现[J].电网与清洁能源，2012（3）：36-39.
[7] 陈海.基于C8051F380单片机的数据采集控制器设计[J].电声技术，2012（11）：69-75，79.
[8] 钟文涛.基于单片机的野外信息检测记录系统的设计[D].广东工业大学，2013.
收稿日期：2015-11-30
作者简介：万学军（1973—），男，吉林桦甸人，本科，毕业于长春理工大学，高级工程师，现就职于国家新闻出版广电总局九五三台，研究方向：广播发射。