一种嵌入式远程控制器的设计

时间：2011-09-04

　　1 引言

　　随着工业自动化水平的提高，远程控制成了应用越来越多的控制手段，常用的远程控制方式有基于以太网、GPRS、GSM短消息、电话网等。电话网络是覆盖面广的网络，且电话通信的费用低廉，这就为利用电话网进行远程控制提供了可能。本控制器采用性价比较高的单片机AT89C51作为中控CPU控制MT8870对电话按键的双音多频信号进行解码，来实现通过对电话按键的操作来控制远端的被控对象，通过可录放语音芯片ISD1110来播放提示语音。该控制器能够检测电话振铃信号，自动模拟摘机，操作者根据语音提示就可以很方便的查询被控对象的运行状态，操作电话按键就可以改变被控对象的运行状态。

　　2 系统功能和结构

　　本系统主要解决的问题是如何利用电话线传递控制信息。电话线上所传输的是双音多频信号（DTMF信号），这里直接利用电话线传递的DTMF信号来传递控制信息实现对远端控制对象的控制操作。系统还必须能够识别电话振铃信号，在指定的时间内检测到规定的振铃次数（5次）则接通电话，播放提示语音。通过对电话按键的操作来远程控制被控对象。本系统主要设置了振铃检测、模拟摘机、模拟挂机、DTMF解码、语音、继电器驱动等电路。系统结构框图如图1：

　　振铃信号由交换机发出，为90V,25Hz,间隔为通1秒，断4秒，依次反复，整流后的脉冲电流经27V稳压管稳压，电容滤波，电阻限流后送到光耦；光耦输出端经限流电阻给三极管提供基极电流，三级管由截止变为导通，输出端C极电位由高变低。滤波电容使脉动直流变为平稳直流，容量（10μ）取决于光耦发光管电流

　　系统工作过程：

　　振铃检测电路用于检测振铃信号，当检测到有振铃信号时，对振铃进行记数如果振铃次数小于5次该控制器不动作，若振铃次数大于5次表示要进行控制，单片机输出信号给模拟摘/挂机电路模拟摘机，此时控制器就和控制中心的电话接通。该控制器为防止误操作设置了密码保护功能，当控制中心通过拨打电话与控制器接通后，单片机输出信号给语音电路播放密码提示语音，控制者可以通过电话按键输入密码，控制系统接收由电话线传送来的DTMF信号，由MT8870对电话按键的DTMF信号进行解码，如果密码正确操作者就可以根据语音提示完成状态查询或是控制动作。

　　3.硬件电路组成

　　系统硬件主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF信号解码电路、语音电路和输出驱动电路等几部分组成。

　　3.1振铃检测、模拟摘机电路

　　振铃检测、模拟摘机电路如图2，振铃检测电路是由光耦TLP521-1和74LS123构成。当有电话呼入时，电话线上传输的25HZ、90V的交流振铃信号由C1、C2隔离直流后由整流桥整流，整流后的直流电压值较高，经光电隔离器U1后输出TTL脉冲信号，该脉冲经74LS123整形成大方波信号，该方波信号送至单片机的P3.5引脚进行计数，当计数值达到预设值时，单片机P1.0引脚输出高电平，三极管Q1导通则继电器K1动作，将负载电阻R5（330Ω）接入电路实现模拟摘机。如果振铃信号没有达到预设值就消失，则单片机的计数值清零，控制器不动作。

3．2 DTMF信号解码电路

　　DTMF信号是将拨号盘上的0~9、A~D及*/E、#/F共16个字符，用音频范围的8个频率来表示的一种编码方式。8个频率分为高频群和低频群两组，分别作为列频和行频。每个字符的信号由来自列频和行频的两个频率的正弦信号叠加而成。

　　根据CCITT Q.23建议，DTMF信号的技术指标是：传送/接收率为每秒10个号码，或每个号码100ms。每个号码传送过程中，信号存在时间至少45ms，且不多于55ms，100ms的其余时间是静音。在每个频率点上允许有不超过±1.5%的频率误差。任何超过给定频率 ±3.5%的信号，均被认为是无效的，拒绝承认接收。另外，在坏的检测条件下，信噪比不得低于15dB。

　　用软件方式进行DTMF解码，首先要将模拟信号转换成数字信号，然后再送入CPU处理。利用MSP430F133内置的12位ADC加上简单的接口就可以实现模数转换。其中应选1%的金属膜电阻。ADC参考电压选内部2.5V：

　　DTMF解码可以通过计算所接收到的信号在8个既定频率点的频谱值来确定是否为有效的DTMF信号及接收到的是哪个号码。另外，需要通过一系列的有效性检验以防止误判。

　　FFT可用来计算N点频率处的频谱值，但不适合于此处应用。因为它计算了许多不需要的值，计算量太大；而且为保证频率分辨率，FFT的点数较大。另外，它不能按逐个样点的方式处理，不利于实时实现。

　　　主要用于电话交换系统，它是由两个不同频率的音频信号叠加而成的复合信号，这些音频信号不存在任何谐波关系，分为高音组和低音组，电话机每个按键对应一组DTMF信号，对应关系如表1所示。

频率（HZ） 1209 1336 1477 1633
697                1        2       3      A
770                4        5       6      B
652                7        8       9      C
941                *        0       #      D
DTMF(Dural Tone Multiple Frequency)

表1 电话按键DTMF频率对应表

　　本系统采用MT8870作为DTMF信号的解码芯片，MT8870的结构如图3：

　　电话网，无线移动通信网和计算机通信网的终端设备。DTMF信号通过IN－端输入MT8870,GS引脚接反馈电阻对输入的DTMF信号进行放大，OSC1和OSC2引脚之间接一个3.5795MHZ的晶振，产生DTMF信号双音对中各单音比较信号。DTMF信号解码为4位二进制码，由Q1~Q4直接输出，如按下电话“1”号键，则电话线上就有高频1209 HZ和低频697 HZ的DTMF信号。表 2 MT8870解码表传播，此信号进入MT8870进行解码，解码的结果由Q1、Q2，Q3、Q4，输出，MT8870输出结果与电话按键的对应关系如表2所示。该信号通过反相后可向单片机申请中断，TOE引脚为输出使能端，当TOE为高电平时解码结果可以从Q1~Q4输出。TOE为低电平时Q1~Q4引脚为高阻态。MT8870与单片机的接口电路如图4。

　　3.3 语音电路

　　在语音控制与语音录放电路中采用ISD1110芯片制作数字录音器件，该语音芯片是美国ISD公司的ISD系列单片语音录放集成电路的一种。它采用直接模拟量存储技术，将每个采样值直接存储在片内的快速闪存中，能较好的保留模拟量中的有效成分，音质较好，该器件采用CMOS工艺制造，片内含时钟、话筒运放、自动增益控制、噪声滤波、平滑滤波和扬声器放大器。的语音录放系统仅由一个话筒、喇叭和几个电阻电容、按键组成。目前在语音录放设计中应用十分广泛。