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基于單片機和調制解調芯片實現嵌入式Modem設計

關鍵詞:單片機 調制解調芯片 遠程監控系統

時間:2021-09-18 14:09:01      來源:網絡

隨著經濟的發展,遠程監控系統的應用日益廣泛。其核心部分是遠程信息交換,即系統需要在地域分布廣泛的設備之間進行信息的交換及協調工作。對于某些采集點分散、傳輸量不大、對速度要求又不高的信息交換系統,目前有兩種解決方案:一是采用Internet或現場總線技術,該方案鋪設網絡的費用高,維護量大;

作者:倪彬斌;吳明光;周志華;鄒潤民

隨著經濟的發展,遠程監控系統的應用日益廣泛。其核心部分是遠程信息交換,即系統需要在地域分布廣泛的設備之間進行信息的交換及協調工作。對于某些采集點分散、傳輸量不大、對速度要求又不高的信息交換系統,目前有兩種解決方案:一是采用Internet或現場總線技術,該方案鋪設網絡的費用高,維護量大;二是利用現有的電話網通過Modem進行數據傳輸,這樣不僅可以擺脫伎的分布式總線系統繁瑣的布線、中繼、放大以及運行過程中維護量大等問題,而且系統擴展極為方便,基本不受設備地域的限制,該方案靈活實用且成本低廉。


圖1

嵌入式Modem主要由單片機(或DSP)和調制解調芯片構成。與通用Modem相比,嵌入式Modem具有體積小、易維護、外圍電路簡單、成本低廉等特點。在企業或住宅區中的遠程監控系統使用嵌入式Modem,能夠節約大量的人力和財力,大大提高自動水平,因此具有較廣闊的應用前景。本文介紹一種基于Atmel公司AVR系列單片機Atmega8和OKI公司調制解調芯片MSM7512的嵌入式Modem。

1 嵌入式Modem的硬件設計

系統的原理框圖如圖1所示,上位機與PC機,下位機是遠方的嵌入式Modem和設備。PC機是數據終端,通過嵌入式Modem與遠方終端實現數據交換;嵌入式Modem以Atmega8為中心,控制MSM7512芯片實現數據的發送與接收,通過外圍電路實現振鈴檢測、摘機、顯示信息、呼叫遠方Modem等,它以RS232接口標準與上位機相連。

1.1 Atmega8單片機簡介

1.2 MSM7512簡介

MSM7512是日本OKI公司生產的一種價格低廉、功耗低、性能良好的調制解調芯片。該芯片滿足ITU-TV.23協議標準,由單電源(3~5V)供電,采用FSK半雙工調制解調方式,通信速率為1200bps,低功耗(典型值僅25mW),穩定性好,具有片內回音消除電路,模擬輸出可直接連入PSTN;并具有TTL接口,其FSK輸出信號可直接驅動600Ω的通信電路,外圍電路簡單,可方便地與數字系統及計算機系統相連,廣泛應用于嵌入式Modem、數據傳輸和家庭安防系統中。圖2為該芯片的功能框圖。


圖2

MSM7512有四種工作模式,由MOD1、MOD2端口進行控制。當MOD1=0、MOD2=0時,MSM7512工作于調制模式,XD輸入為“0”或“1”的數字信號,AO端則對應輸出頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號;當MOD1=1、MOD2=0時,MSM7512工作于解調模式,A輸入頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號,RD則對應輸出解調后的“0”或“1”數字信號;當MOD1=0、MOD2=1時,MSM7512工作于環路自測模式,用于檢測芯片工作是否正常;當MOD1=1、MOD2=1時,MSM7512工作于節電模式,此時MSM7512功耗僅為0.1mW,其它模式一般功耗為25mW。在本設計中所使用的工作模式是FSK調制發送及接收模式。

在硬件設計中需要著重考慮的問題是:MSM7512是一塊串行調制解調芯片,與單片機通過串口相連,而單片機上的USART串口也需要與上位機進行串行通信,但Atmega8只有這一個串口,就出現了串口資源不足的問題。如果僅僅為增加一個串口而使用可編程串行通信接口芯片8251,無疑會增加設計的復雜性和成本。而利用Atmega8的兩個I/O口編程模擬一個UART串口的功能(即模擬串口),可以很好地解決這個問題。這將在軟件設計部分具體介紹。

1.3 振鈴檢測和撥號電路

振鈴檢測與撥號電路如圖3所示。它的工作原理很簡單,在此不再多述。


圖3

2 嵌入式Modem的軟件設計

軟件部分的設計包括上、下位機通信協議的制訂、上位機程序和單片機程序的編寫。其中上位機程序以Delphi為開發工具,單片機程序用ANSIC C編寫。

2.1 上位機與下位機通信協議的制訂

上位機與下位機之間的數據交換必須遵循一定的通信協議,通信雙方才能按照該協議解析所傳輸的數據。就本設計而言,一臺PC機要對應多個下位機,屬于主從式結構。所制訂的通信協議為:

前導碼 目的地址 源地址 數據幀 CRC校驗碼

前導碼使通信雙方保持同步,目的地址和源地址就是各設備所對應的電話號碼,當PC機發送數據時,先發送目的地址給所有下位機,如果某個從機被上位機尋址,它將接收主機接下來發出的數據幀,而其它的從機則將忽略數據幀;當PC機接收數據時,同樣地,下位機先發送源地址再發數據幀給上位機。同樣時,下位機先發送源地址再發數據幀給上位機。CRC校驗碼是為了防止傳輸出錯而設計的。為設計方便,規定數據幀為32位,其中功能碼為4位,參數為28位。功能碼為0000時,參數表示的是設備傳輸數據;功能碼為1111時,參數表示設備自檢數據。


圖4

2.2 上位機軟件的編寫

上位機是一個數據發送與接收的終端,上位機軟件的功能是:選擇并發送要呼叫的電話號碼;使計算機與嵌入式Modem能夠通過RS232接口標準收發數據。由于Delphi是一種易學易用的面向對象的程序設計工具,因而采用它來編寫上位機程序。在上位機程序中要能夠對計算機串行口的硬件進行操作。然而Delphi本身不提供串行通信組件,因此需要調用Windows API函數建立一個串行通信組件Tcomm來對串口硬件實現控制,進而使用該組件完成串行通信功能。在設計中還需要使用其它一些組件如Button、Memo、RadioGroup等來完成軟件界面的設計。

2.3 單片機程序設計

根據設計中單片機的任務設置一個全局變量TransOrReceFlag(規定值為0時,表示Modem處于接收狀態;為1時,Modem處于發送狀態),主程序根據它的值跳轉到相應的子程序中。下面分別介紹子程序的編寫過程。

嵌入式Modem發送數據:上位機按照通信協議通過串口向Atmega8先后發送目的地址(電話號碼)和數據幀。單片機在USART接收完成中斷服務程序中,將MSM7512設置為調制模式并使MSM7512與電話線連通,再控制雙音多頻信號發生器HT9200產生目的地址所對應的DTMF信號,送入MSM7512的外部信號輸入端EAI,經內部放大后從AO輸出端向電話線上發送所呼叫的電話號碼,待與遠方Modem建立起聯系后,就可以通過模擬串口向MSM7512傳送接下來所收到的數據幀。

嵌入式Modem接收數據:Atmega8外部計數口T1上有下降沿出現時,表明電話線上有振鈴信號,可能有遠方Modem要求和本地Modem進行數據傳輸。為防止誤撥,規定了振鈴信號需要連續出現的次數。當達到計數設定值時,單片機確認有遠方Modem要進行數據傳輸,于是將MSM7512設置為調解模式,接通電話線,再通過模擬串口接收MSM7512傳來的數據,經USART把數據傳給上位機。

單片機程序中一個重要的部分是模擬UART串口的實現部分。在設計中用定時/計數器0產生合適的波特率,使接收和發送的數據符合異步串行通信數據幀的格式;一個普通I/O口作為TXD’,外部中斷0口T0作為RXD’;在內存中開辟一塊緩沖區模擬串口的數據接收/發送緩沖器。規定模擬串口中數據幀為1起始位,8個數據位,1個停止位,波特率為9600bps。下面就接收和發送兩個過程介紹模擬串口的實現。

模擬串口接收數據:串行通信中數據幀都是從一個下降沿開始的。當T0口上有下降沿出現并觸發中斷時,表明MSM7512已經接收到遠方傳來的數據,單片機需要對所接收到的數據進行采樣。在中斷服務程序中初始化數據位計數器和定時/計數器0,設定其第一次定時時間為1.5位,因為從起始位需要延時1.5位才能進行數據位D0的采樣(1.5位=1起始位+0.5D0位),如圖4所示。接下來的8次采樣的間隔一樣,所以在定時器第一次計時溢出后,在每次溢出中斷服務程序中重新裝載的定時時間均為1位。采樣后將所得數據存入緩沖區再送給上位機。圖5是模擬串口接收數據的程序流程圖。

模擬串口發送數據:與接收數據過程相比,發送數據要簡單些。因為不需要采樣,幀中所有位的時間長度是一樣的,所以定時/計數器0的定時時間為固定值,即1位的時間。送出的第一位數據是起始位,通過接收方準備接收數據,然后從最低有效位LSB支最高有效位MSB,數據被一位一位地移出,在最末的是停止位(即邏輯1),用來讓接收方區分發送的數據字節。

由于在上位機程序中集成了選擇發送電話號碼的功能,所以本文所介紹的嵌入式Modem能夠靈活方便地與遠方設備進行數據傳輸。它還具有體積小、外圍電路簡單、易維護、成本低廉等特點,具有較大的應用價值。

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