基于單片機(jī)和調(diào)制解調(diào)芯片實(shí)現(xiàn)嵌入式Modem設(shè)計(jì)

作者：倪彬斌;吳明光;周志華;鄒潤民

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。其核心部分是遠(yuǎn)程信息交換，即系統(tǒng)需要在地域分布廣泛的設(shè)備之間進(jìn)行信息的交換及協(xié)調(diào)工作。對于某些采集點(diǎn)分散、傳輸量不大、對速度要求又不高的信息交換系統(tǒng)，目前有兩種解決方案：一是采用Internet或現(xiàn)場總線技術(shù)，該方案鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用高，維護(hù)量大；二是利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)通過Modem進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣不僅可以擺脫伎的分布式總線系統(tǒng)繁瑣的布線、中繼、放大以及運(yùn)行過程中維護(hù)量大等問題，而且系統(tǒng)擴(kuò)展極為方便，基本不受設(shè)備地域的限制，該方案靈活實(shí)用且成本低廉。

圖1

嵌入式Modem主要由單片機(jī)（或DSP）和調(diào)制解調(diào)芯片構(gòu)成。與通用Modem相比，嵌入式Modem具有體積小、易維護(hù)、外圍電路簡單、成本低廉等特點(diǎn)。在企業(yè)或住宅區(qū)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用嵌入式Modem，能夠節(jié)約大量的人力和財(cái)力，大大提高自動水平，因此具有較廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹一種基于Atmel公司AVR系列單片機(jī)Atmega8和OKI公司調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512的嵌入式Modem。

1 嵌入式Modem的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，上位機(jī)與PC機(jī)，下位機(jī)是遠(yuǎn)方的嵌入式Modem和設(shè)備。PC機(jī)是數(shù)據(jù)終端，通過嵌入式Modem與遠(yuǎn)方終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；嵌入式Modem以Atmega8為中心，控制MSM7512芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，通過外圍電路實(shí)現(xiàn)振鈴檢測、摘機(jī)、顯示信息、呼叫遠(yuǎn)方Modem等，它以RS232接口標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)相連。

1．1 Atmega8單片機(jī)簡介

AVR單片機(jī)是美國Ateml公司生產(chǎn)的具有雙結(jié)構(gòu)的RISC單片機(jī)系列，具有較短的指令周期和較快的運(yùn)行速度。Atmega8是基于2002年推出的一款新型AVR高檔單片機(jī)，工作在16MHz時(shí)能達(dá)到16MIPS。該芯片內(nèi)部集成了8K字節(jié)Flash、1K字節(jié)內(nèi)部SRAM及512字節(jié)的E2PROM，具有豐富強(qiáng)大的硬件接口電路（32個(gè)通用寄存器，23個(gè)通用可編程I/O口，三個(gè)計(jì)數(shù)器，三個(gè)PWM通道，一個(gè)I2C的總線接口，一個(gè)USART接口，一個(gè)SPI接口，6通道的10位ADC及2通道的8位ADC），并且支持在線編程（ISP）和在應(yīng)用程序（IAP）。由于采用了小引腳封裝（PDIP28和TQFP/MLF32）形式，所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，因此Atmgea8是一款性價(jià)比很高的8位單片機(jī)。

1．2 MSM7512簡介

MSM7512是日本OKI公司生產(chǎn)的一種價(jià)格低廉、功耗低、性能良好的調(diào)制解調(diào)芯片。該芯片滿足ITU-TV.23協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由單電源（3～5V）供電，采用FSK半雙工調(diào)制解調(diào)方式，通信速率為1200bps，低功耗（典型值僅25mW），穩(wěn)定性好，具有片內(nèi)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(qū)動600Ω的通信電路，外圍電路簡單，可方便地與數(shù)字系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，廣泛應(yīng)用于嵌入式Modem、數(shù)據(jù)傳輸和家庭安防系統(tǒng)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(jìn)行控制。當(dāng)MOD1=0、MOD2=0時(shí)，MSM7512工作于調(diào)制模式，XD輸入為“0”或“1”的數(shù)字信號，AO端則對應(yīng)輸出頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號；當(dāng)MOD1=1、MOD2=0時(shí)，MSM7512工作于解調(diào)模式，A輸入頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號，RD則對應(yīng)輸出解調(diào)后的“0”或“1”數(shù)字信號；當(dāng)MOD1=0、MOD2=1時(shí)，MSM7512工作于環(huán)路自測模式，用于檢測芯片工作是否正常；當(dāng)MOD1=1、MOD2=1時(shí)，MSM7512工作于節(jié)電模式，此時(shí)MSM7512功耗僅為0.1mW，其它模式一般功耗為25mW。在本設(shè)計(jì)中所使用的工作模式是FSK調(diào)制發(fā)送及接收模式。

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

軟件部分的設(shè)計(jì)包括上、下位機(jī)通信協(xié)議的制訂、上位機(jī)程序和單片機(jī)程序的編寫。其中上位機(jī)程序以Delphi為開發(fā)工具，單片機(jī)程序用ANSIC C編寫。

2．1 上位機(jī)與下位機(jī)通信協(xié)議的制訂

上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換必須遵循一定的通信協(xié)議，通信雙方才能按照該協(xié)議解析所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。就本設(shè)計(jì)而言，一臺PC機(jī)要對應(yīng)多個(gè)下位機(jī)，屬于主從式結(jié)構(gòu)。所制訂的通信協(xié)議為：

前導(dǎo)碼 目的地址 源地址 數(shù)據(jù)幀 CRC校驗(yàn)碼

前導(dǎo)碼使通信雙方保持同步，目的地址和源地址就是各設(shè)備所對應(yīng)的電話號碼，當(dāng)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送目的地址給所有下位機(jī)，如果某個(gè)從機(jī)被上位機(jī)尋址，它將接收主機(jī)接下來發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，而其它的從機(jī)則將忽略數(shù)據(jù)幀；當(dāng)PC機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，同樣地，下位機(jī)先發(fā)送源地址再發(fā)數(shù)據(jù)幀給上位機(jī)。同樣時(shí)，下位機(jī)先發(fā)送源地址再發(fā)數(shù)據(jù)幀給上位機(jī)。CRC校驗(yàn)碼是為了防止傳輸出錯(cuò)而設(shè)計(jì)的。為設(shè)計(jì)方便，規(guī)定數(shù)據(jù)幀為32位，其中功能碼為4位，參數(shù)為28位。功能碼為0000時(shí)，參數(shù)表示的是設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)；功能碼為1111時(shí)，參數(shù)表示設(shè)備自檢數(shù)據(jù)。

圖4

2．2 上位機(jī)軟件的編寫

上位機(jī)是一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的終端，上位機(jī)軟件的功能是：選擇并發(fā)送要呼叫的電話號碼；使計(jì)算機(jī)與嵌入式Modem能夠通過RS232接口標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Delphi是一種易學(xué)易用的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)工具，因而采用它來編寫上位機(jī)程序。在上位機(jī)程序中要能夠?qū)τ?jì)算機(jī)串行口的硬件進(jìn)行操作。然而Delphi本身不提供串行通信組件，因此需要調(diào)用Windows API函數(shù)建立一個(gè)串行通信組件Tcomm來對串口硬件實(shí)現(xiàn)控制，進(jìn)而使用該組件完成串行通信功能。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

2．3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)中單片機(jī)的任務(wù)設(shè)置一個(gè)全局變量TransOrReceFlag（規(guī)定值為0時(shí)，表示Modem處于接收狀態(tài)；為1時(shí)，Modem處于發(fā)送狀態(tài)），主程序根據(jù)它的值跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序中。下面分別介紹子程序的編寫過程。

嵌入式Modem發(fā)送數(shù)據(jù)：上位機(jī)按照通信協(xié)議通過串口向Atmega8先后發(fā)送目的地址（電話號碼）和數(shù)據(jù)幀。單片機(jī)在USART接收完成中斷服務(wù)程序中，將MSM7512設(shè)置為調(diào)制模式并使MSM7512與電話線連通，再控制雙音多頻信號發(fā)生器HT9200產(chǎn)生目的地址所對應(yīng)的DTMF信號，送入MSM7512的外部信號輸入端EAI，經(jīng)內(nèi)部放大后從AO輸出端向電話線上發(fā)送所呼叫的電話號碼，待與遠(yuǎn)方Modem建立起聯(lián)系后，就可以通過模擬串口向MSM7512傳送接下來所收到的數(shù)據(jù)幀。

嵌入式Modem接收數(shù)據(jù)：Atmega8外部計(jì)數(shù)口T1上有下降沿出現(xiàn)時(shí)，表明電話線上有振鈴信號，可能有遠(yuǎn)方Modem要求和本地Modem進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為防止誤撥，規(guī)定了振鈴信號需要連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)。當(dāng)達(dá)到計(jì)數(shù)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)確認(rèn)有遠(yuǎn)方Modem要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，于是將MSM7512設(shè)置為調(diào)解模式，接通電話線，再通過模擬串口接收MSM7512傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)USART把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

單片機(jī)程序中一個(gè)重要的部分是模擬UART串口的實(shí)現(xiàn)部分。在設(shè)計(jì)中用定時(shí)/計(jì)數(shù)器0產(chǎn)生合適的波特率，使接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)符合異步串行通信數(shù)據(jù)幀的格式；一個(gè)普通I/O口作為TXD’，外部中斷0口T0作為RXD’；在內(nèi)存中開辟一塊緩沖區(qū)模擬串口的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩沖器。規(guī)定模擬串口中數(shù)據(jù)幀為1起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，波特率為9600bps。下面就接收和發(fā)送兩個(gè)過程介紹模擬串口的實(shí)現(xiàn)。

模擬串口接收數(shù)據(jù)：串行通信中數(shù)據(jù)幀都是從一個(gè)下降沿開始的。當(dāng)T0口上有下降沿出現(xiàn)并觸發(fā)中斷時(shí)，表明MSM7512已經(jīng)接收到遠(yuǎn)方傳來的數(shù)據(jù)，單片機(jī)需要對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。在中斷服務(wù)程序中初始化數(shù)據(jù)位計(jì)數(shù)器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器0，設(shè)定其第一次定時(shí)時(shí)間為1.5位，因?yàn)閺钠鹗嘉恍枰訒r(shí)1.5位才能進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)器第一次計(jì)時(shí)溢出后，在每次溢出中斷服務(wù)程序中重新裝載的定時(shí)時(shí)間均為1位。采樣后將所得數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)再送給上位機(jī)。圖5是模擬串口接收數(shù)據(jù)的程序流程圖。

模擬串口發(fā)送數(shù)據(jù)：與接收數(shù)據(jù)過程相比，發(fā)送數(shù)據(jù)要簡單些。因?yàn)椴恍枰蓸?，幀中所有位的時(shí)間長度是一樣的，所以定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的定時(shí)時(shí)間為固定值，即1位的時(shí)間。送出的第一位數(shù)據(jù)是起始位，通過接收方準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，然后從最低有效位LSB支最高有效位MSB，數(shù)據(jù)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(qū)分發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。

由于在上位機(jī)程序中集成了選擇發(fā)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(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。它還具有體積小、外圍電路簡單、易維護(hù)、成本低廉等特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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