基于单片机的信号合成设计.doc
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1、目 录摘要 1引言 21. DTMF信号介绍 31.1 DTMF信号特性 31.2 DTMF信号的应用 42. 系统硬件设计 52.1 系统硬件的总体实现 52.2 中央控制器AT89C51 6 2.3 数摸转换器DAC0832 8 2.4 单片机与键盘的接口电路 10 2.5 AT89C51与DACO832的接口电路 10 2.6 RC低通滤波器 113. 系统软件设计 11 3.1 系统程序设计 12 3.2 单片机与键盘接口程序设计 123.3 DTMF信号产生程序设计 14 3.4 单片机与D/A接口程序设计 184. 系统有效性验证 19 4.1 DTMF信号频率误差分析 194.2
2、 DTMF信号接收系统的结构 204.2.1 MT8870的介绍 204.2.2 DTMF信号接收系统的硬件结构 214.2.3 接收系统的程序设计 225. 结束语 226. 附录 237. 参考文献 358. 致谢语 35 基于单片机的DTMF信号合成 摘要:本课题最主要的特点在于用单片机来产生DTMF信号,而不是通过专用的DTMF产生芯片,具有实际应用的意义。本文首先介绍了DTMF信号及其应用,然后详细介绍了基于单片机的DTMF信号合成的硬件及其软件系统,重点阐述了用单片机产生DTMF信号的算法,先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据,然后制作一个表格,CPU按特定的时间间隔即采样周
3、期查表得到对应的数据,经DAC转换后产生正弦波。最后对单片机产生的DTMF信号的误差进行了分析,并介绍了有MT8870组成的DTMF解码系统的硬件和软件。关键词: DTMF; 单片机; MT8870;正弦波;Fomation of dtmf signal based on micro controllerAuthor: Zhang JianTutor: Li Fang Zhou (Physics and electronic imformation college Wen Zhou university ,325027)Abstract: The main characteristic of
4、the subject is that use one-chip computer to produce DTMF signal,not through special-purpose DTMF chip.This text introduce DTMF signal and application at first, then introduce DTMF hardware and his software system which based on one-chip computer in detail, explain algorithm of produce DTMF especial
5、ly . Calculate out 1/4 cycle simple datum of SIN function first, then make one form, CPU according to specific time interval namely sampling cycle gets the corresponding data throug check form, produce sinusoidal wave after DAC . Finally analyse error of DTMF signal that one-chip computer produce an
6、d introudce DTMF decode systematic hardware composed of MT8870 and software.Key words: DTMF; Micro controller; MT8870;sinusoidal wave; 引 言DTMF(Dual Tone Multi Frequency)信号是音频电话的拨号信号。由美国AT&T贝尔实验室研制, 双音多频信号编码技术易于识别,抗干扰能力强,发号速度快,且比用modem进行远程传输的方法更为经济实用,因此这种拨号方法取代了传统的脉冲拨号。电话中的双音多频信号有两种用途:一是用于双音多频信号的拨号,去
7、控制交换机接通被叫的用户电话机;二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作,如播放留言,语音信箱。这些都离不开DTMF信号的产生。目前,大多数的DTMF信号的产生都是采用专用芯片MT5087,MT8880等,这种方法信号编码产生速度快但有很大的局限性,如果音频信号频率的改变应用于别的系统时,专用芯片就发挥不了作用了,其次是要实现用户多路双音多频信号发送比较困难。基于单片机的DTMF信号合成的系统可以克服硬件电路的缺点,容易实现多路DTMF信号,节约系统成本,使双音多频信号的应用领域更广泛。用单片机来产生DTMF信号主要方法有通过脉宽调制、增量调制生成双音多频信号或先通过编写计算正弦函数的子程序,然
8、后调用函数把计算得到的数据经DAC转换后产生DTMF信号。本课题采用的方法是先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据,然后制作一个表格,CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据,经DAC转换后产生正弦波。由于前者需要编写复杂的计算正弦波函数的程序,占用相当的程序存储空间,计算时间长,降低了CPU的效率,很难保证正弦波频率的精度。查表程序非常简单,占用硬件资源也非常少,频率精度和谐波系数取决于采样周期和表格的大小。只要采样周期足够小和表格足够大,就可保证正弦波的精度。1 DTMF信号介绍1.1 DTMF信号的特性DTMF是由组(fb)和高频组(fa)两组频率信号构成,每个数字信号由低
9、频组和高频组的任意一个叠加而成。根据CCITT的建议,DTMF的编译码定义如表1所示,表1 电话拨号数字对应的高低频率组可用下式表示f(t)A_asin(2 f_at)+A_bsin(2 f_bt)式中两项分别表示低、高音群的值,Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线,而且两者幅值比为K=Ab /Aa (0.7K0.9)。同时规定,对应于表1中的标称频率在发送时,DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5,每位数字的信号极限时长应该大于40ms,而接收设备对2的偏差应能可靠地接收,对30ms40ms时长的信号可以正常地接收。与单音编码不同,DTMF 信号是采用8 中取2 的方式,从高低两个
10、音组中各取一个音频复合而成来代表0 - 9 十个号码和其他功能码,再加上这8 个音频信号的各频率间不存在谐波关系,大大减少了虚假信号的干扰,因而DTMF 信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强。1.2 DTMF信号的应用DTMF 信号即双音多频信号,最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号。如图1:主叫用户摘机按键拨号后,电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路,交换机中的微机识别被叫电话号码后,接通主被叫用户实现双方通话。DTMF信号还用于自动控制系统,如果把DTMF的发送电路用于主控系统,接受电路用于被控系统,就可以方便地组成有线或无线通信系统,如图2所示,其
11、通道数视需要而定,16通道以内每通道只需编一位号码即可,若需要更多通道,则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。2系统硬件设计2.1 系统硬件的总体实现 为使产生的DTMF信号频率误差尽可能小,我们对该系统的硬件电路作了精心设计。图3是基于单片机的DTMF信号的合成的硬件图: 图3 系统的硬件图 该系统的硬件设计按实现的功能来分,可分为以下3个部分。单片机与键盘的接口电路,实现按键信号的产生的功能,AT89C51根据读进来的键码来实现相应的键功能向P0口发按键对应的DTMF信号,数摸转换器与单片机的接口电路主要来实现把P0口发出的数字信号转换为模拟信号,最后通过RC低通滤波器把信号中的
12、高频成分滤去。其中,AT89C51单片机是整个电路的核心,它控制其他模块来完成各种复杂的操作。在本章下面几个小节中将根据图3的硬件设计电路,对各个模块电路进行详细的设计与分析。2.2 中央控制器AT89C51 AT89C51是由美国Atmel 公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机之一。2.2.1 AT89C51的特点 AT89C51具有以下几个特点:AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;全静态工作,工作范围:0Hz24MHz;三级程序存储器加密;1288位内部RAM;32位双向输入输出线;两个十六位定时器/
13、计数器五个中断源,两级中断优先级;一个全双工的异步串行口;间歇和掉电两种工作方式。2.2.2 AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本。只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且擦写
14、时间仅需10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽(2.7V6V),全静态工作,工作频率宽在0Hz24MHz之间,比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。2.2.3 AT89C51引脚功能AT89C51单片机为40引脚芯片
15、见附录1。1 口线:P0、P1、P2、P3共四个八位口。 P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存信号用ALE。 P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。 P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。 P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表2所示。2控制口线:PSEN(片外选取控制)、A
16、LE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制);3电源及时钟:VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法。表2 P3口的第二功能2.2.4 操作方法1程序存储器加密。AT89C51芯片程序存储器有三级硬件加密,能够有效地保证系统不被仿制和软件不被复制,加密等级设置见附录2。2工作模式。AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停止振动,CPU停止执行
17、指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位掉电模式可被终止。2.3 数摸转换器DAC0832 在电子技术的很多应用场合往往需要把数字量转换成模拟量,称为数 / 模转换器(D / A转换器,简称DAC)。完成这种转换的线路有多种,特别是单片大规模集成D / A转换器问世,为实现上述的转换提供了极大的方便。使用者可借助于手册提供的器件性能指标及典型应用电路,即可正确使用这些器件。本系统将采用大规模集成电路DAC0832实现D / A转换。DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数 / 模转
18、换器。图4是DAC0832的逻辑框图及引脚排列。111218CS276541615输入锁存器DDQQ数据寄存器DDQQD7D014&LEILE&191WR1WR2&17XFERDAC0832DACVREF89RFBIOUT1IOUT220VCC(+5V)13图4 DAC0832单片D/A转换器逻辑框图和引脚排列器件的核心部分采用倒T型电阻网络的8位D / A转换器,它是由倒T型R2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。DAC0832各引脚含义如下:CS为片选信号,CS与ILE(输入寄存器允许信号)合起来可对写信号WR1是否起作用进行控制。WR1写信号用以将8位数字量D7
19、D6D5输入并锁存于DAC0832内部的输入寄存器中,WR写信号与传送控制信号XFER同时有效,则将输入寄存器的数字量再传送到8位D/A寄存器锁存起来。这时8位D/A转换器就开始工作。IOUT1和IOUT2为输出电流,其中IOUT1是D/A寄存器内容为全1时输出电流为最大;当D/A寄存器内容为零时输出电流为0。IOUT2为一常数与IOUT1之差,即IOUT1+IOUT2=常数。AGND和DGND分别为模拟量地和数字量地,它们应共地。VREF精度尽可能高一些。V是电源电压,其值可在+5V到+15V。R为反馈电阻,由于片内已具备反馈电阻,故可以与外接运算放大器的输出端短接。DAC0832输出的是电
20、流,要转换为电压,还必须经过一个外接的运算放大器,电路如图5所示。 图5 电流转换为电压电路图5中、 接地为低电平,ILE为高电平,DAC0832处于直通的工作状态。输入数字量(D0D7)通过输入锁存器,数据寄存器直接传送到DAC,输出相应模拟量。运放的输出电压为 )由上式可见,输出电压VO 与输入的数字量成正比,这就实现了从数字量到模拟量的转换。2.4 单片机与键盘的接口电路图6是单片机与键盘的接口电路。单片机的串行口在方式0下工作,作为同步移位寄存器使用,这时以RXD端作为数据移位的出口,而TXD端提供移位时钟脉冲。在无键按下的情况下p1.0,p1.1读进来的是高电平,当有键按下时,p1.
21、0或p1.1端将会变为低电平。图6 单片机与键盘的接口电路2.5 AT89C51与DACO832的接口电路图7是AT89C51与DACO832的接口电路。在这里P0口是做为输入口使用的,由于通路中已有输出锁存器,因此数据输出可以与外设直接相连,无需再加数据锁存器电路。但是由于输出电路是漏极开路电路,必须外接上拉电阻才能有高电平输出。DAC0832是处于直通状态,P3.6把第一写信号,第二写信号,数据传送信号拉为低电平。图7 AT89C51与DACO832的接口电路2.6 RC低通滤波器 由于从DAC0832出来的DTMF信号含有丰富的高频成分,信号波形是阶梯型的需要经过一个低通滤波器,使信号变
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