以單片機(jī)為控制核心的低成本無繩電話設(shè)計(jì)

引　言

無繩電話CT（Cordless telephone）是連接市內(nèi)交換網(wǎng)用戶端的低功率雙工無線電話。一般無繩電話具備普通電話的所有功能，如重?fù)?、暫停、掛斷、免提、記憶等。但由于無繩電話手座機(jī)之間為無線接續(xù)，這又決定了它具有一些普通電話所不具備的特點(diǎn)，如信道轉(zhuǎn)換、身份 識(shí)別等。

國(guó)外主要發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量人力、物力積極進(jìn)行無繩電話的開發(fā)研制，并迅速投入商用，短短十幾年內(nèi)已由CT-0發(fā)展到CT-3；從模擬發(fā)展到數(shù)字；從室內(nèi)發(fā)展到室外公用；由單區(qū)制發(fā)展到多區(qū)制，且可進(jìn)行越區(qū)交換、漫游通信等。多頻道掃描無繩電話（CT-1），國(guó)外 發(fā)達(dá)國(guó)家80年代中期就開始商用，并得到迅猛發(fā)展。

1　系統(tǒng)框圖及原理

CT-1系統(tǒng)通常由一個(gè)座機(jī)和一個(gè)手機(jī)組成，座機(jī)與手機(jī)之間使用多頻道接續(xù)方式建立無線 信號(hào)連接，工作方式為異頻雙工。

現(xiàn)國(guó)際規(guī)定的無繩電話手座機(jī)發(fā)射頻率為48/45 MHz，共10個(gè)信道，由于外界電磁干擾，可能某些信道通訊效果不佳，使用者在使用過程中可以通過信道轉(zhuǎn)換來選擇最佳通道。身份識(shí)別功能在無繩電話中非常重要，早期的無繩電話由于沒采用單片機(jī)控制，常常造成電話被盜打，而在單片機(jī)系統(tǒng)中，只要采取手座機(jī)設(shè)定密碼就可以較好的解決這個(gè)問題。本系統(tǒng)采用 16位密碼，密碼個(gè)數(shù)達(dá)64 K，從而使系統(tǒng)安全性大大提高。

對(duì)照座機(jī)系統(tǒng)框圖（圖1），可知座機(jī)MCU涉及的主要功能是：（1）接收控制碼。該控制碼由手機(jī)MCU發(fā)出，經(jīng)手機(jī)調(diào)制、發(fā)射，座機(jī)接收鑒頻后經(jīng)過濾波、整形處理輸入座機(jī)MCU。（2）發(fā)送控制碼。該控制碼由座機(jī)MCU輸出，經(jīng)座機(jī)調(diào)制、發(fā)射給手機(jī)接收。（3）雙鎖相回路（DPLL） 控制。對(duì)鎖相回路進(jìn)行初始化、傳送鎖相數(shù)據(jù)（決定系統(tǒng)射頻頻點(diǎn)）、實(shí)現(xiàn)射頻信道選擇功能。（4）雙音頻產(chǎn)生器。實(shí)際上為MCU中一個(gè)DTMF（雙音多頻）子程序。作為民用產(chǎn)品，要求大批量、低成本、高質(zhì)量，需要采取各種措施降低成本。事實(shí)上已有成熟的、本身帶有硬件DTMF 發(fā)生器的單片機(jī)產(chǎn)品，但售價(jià)較高。而采用軟件產(chǎn)生DTMF信號(hào)，則可以采用普通的通用MCU 實(shí)現(xiàn)同樣功能。（5）振鈴檢測(cè)。檢測(cè)是否有鈴流從市話網(wǎng)內(nèi)傳來。（6）繼電器控制。用于控制線路摘機(jī)和脈沖撥號(hào)。（7）其他信號(hào)發(fā)生及信號(hào)控制。諸如信道號(hào)顯示控制、發(fā)射電路電源控制、發(fā)送回路和接收回路音頻閉音控制、脈沖/雙音多頻撥號(hào)方式轉(zhuǎn)換控制等。

手機(jī)系統(tǒng)框圖和座機(jī)類似，不同之處在于手機(jī)特有的一些模塊。其MCU涉及的主要功能除對(duì)應(yīng)上述座機(jī)的1，2，3項(xiàng)外，還包括手機(jī)電源控制、鍵盤掃描控制、手機(jī)振鈴信號(hào)發(fā)生、各種LED控制（通話指示、低壓指示）、充電檢測(cè)、電池低壓檢測(cè)等。

圖1　座機(jī)方框圖

本文簡(jiǎn)要說明手、座機(jī)都具有的兩個(gè)模塊。一個(gè)是語音處理網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括音頻濾波器和壓擴(kuò)器兩部分，前者通常由運(yùn)放（如LM324）組成二階低通網(wǎng)絡(luò)，后者采用TA3 1101集成塊；另一個(gè)為DPLL雙鎖相回路，本文采用MC145162集成塊，該集成塊為通用可編程 雙鎖相環(huán)，主要用于CT-1產(chǎn)品。

2　單片機(jī)COP840C簡(jiǎn)介

和一般工業(yè)控制系統(tǒng)不 同，無繩電話系統(tǒng)作為民用產(chǎn)品要求低成本，而作為移動(dòng)通信產(chǎn)品又要求功耗小、工作電壓低。作者采用了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）的COP840C單片機(jī)，它具有成本低（適合民用產(chǎn)品） 、功耗?。ㄟm合手持機(jī)）等特點(diǎn)。下面對(duì)其作簡(jiǎn)要介紹。

COP840C為NS公司生產(chǎn)的8位微控制 器，其主要特性為：8位CMOS處理器；低功耗、全靜態(tài)；I/O和寄存器被映射到數(shù)據(jù)內(nèi)存地址空間；2 KROM，128 ByteRAM和23個(gè)I/O口；可變、軟件可重設(shè)置I/O；16位通用時(shí)鐘，帶一個(gè)相關(guān)的16位自動(dòng)重裝載/捕捉寄存器；時(shí)鐘工作三種模式：①PWM；②外事件記數(shù)；③ 獨(dú)立的捕獲寄存器；三個(gè)中斷源：外中斷、時(shí)鐘中斷和軟件陷阱中斷。詳細(xì)性能，可參看NS 公司相關(guān)手冊(cè)。

3　接口電路

作為民用通訊產(chǎn)品的無繩電話無論是接口電路還是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都與一般工業(yè)控制系統(tǒng)有很大差別。其差別主要體現(xiàn)在：（1）接口電路并不復(fù)雜也不允許復(fù)雜，特別是作為移動(dòng)通訊手機(jī)，其體積、重量、耗電等都有著嚴(yán)格的要求，所以接口設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)潔。（2）由于整個(gè)電路系統(tǒng)是模、數(shù)混合系統(tǒng)，所以在有些場(chǎng)合對(duì)信號(hào)處理如信令的整形、 濾波要求特別嚴(yán)格。

3.1　手機(jī)電路

接收機(jī)電源控制。通常手機(jī)都是采用掃描式接收方式以省電，即電源間歇式通斷，電源通斷 比常用1∶3-1∶5。如通200 ms，然后切斷600 ms，采用這種接收方式可大大提高待機(jī)時(shí)間 ，可做到手機(jī)守候時(shí)間達(dá)3～5天（270 mA時(shí)可充電電池組）。由于只是簡(jiǎn)單的開關(guān)作用，用普通PNP型三極管作為開關(guān)管即可。這種簡(jiǎn)單控制用得很多，如控制各種LED指示燈、控制發(fā)送 回路、接收回路閉音（閉音二極管）、發(fā)射電路電源控制等。

電池電壓低檢測(cè)，以便及時(shí)告警提醒用戶充電。電路上用了專用集成電路KIA7834，當(dāng)電源 電壓低于3.4 V時(shí)，KIA7834的3腳輸出低電平，一方面通知CPU，同時(shí)控制低壓指示燈亮。

接收信令處理電路。如前所述，在本系統(tǒng)中，信令的整形、濾波電路尤為重要。本文利用了 鑒頻集成塊本身內(nèi)含的運(yùn)放。通常也用LM324運(yùn)放做成二階濾波器，以適應(yīng)無繩電話亞音頻 信令的要求。

3.2　座機(jī)電路

相對(duì)而言，座機(jī)接口電路較復(fù)雜。首先在接收信令輸入端。從鑒頻集成塊輸出的信令，經(jīng)過由LM324組成的二階無限增益多路反饋有源低通濾波器，其截止頻率為400 Hz左右。然后進(jìn)入LM324組成的整形電路，實(shí)質(zhì)為一個(gè)比較器，其輸出經(jīng)限幅電路輸入CPU，在調(diào)試過程中，濾波器參數(shù)應(yīng)隨信令波特率不同而相應(yīng)調(diào)整，才能達(dá)到滿意的通訊效果。

CPU通過控制74L S164，控制8段LED顯示器，產(chǎn)生目前手座機(jī)通訊用信道號(hào)。MCU的28腳是繼電器控制線，控制信號(hào)經(jīng)三極管倒相后，控制繼電器的通、斷、來達(dá)到線路摘機(jī)、座機(jī)使用指示燈亮及脈沖撥號(hào)，而在有線電話中，摘機(jī)功能是由專用開關(guān)（簧片）控制，脈沖撥號(hào)功能是由專用集成塊 產(chǎn)生。

CPU軟件法產(chǎn)生的雙音多頻信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可以采用分立元件D/A轉(zhuǎn)換法。D/A轉(zhuǎn)換之后應(yīng)接二階有源濾波，然后通過變壓器傳送到市話線路中。該濾波器也必須在樣機(jī)階段仔細(xì)調(diào)試，以使DTMF信號(hào)的各種指標(biāo)滿足國(guó)標(biāo)要求。對(duì)于來電鈴流檢測(cè)，采用光耦器件作為傳輸元件 ，當(dāng)線路上有鈴流進(jìn)入時(shí)，CPU檢測(cè)到低電平。

在本系統(tǒng)中，抗干擾能力相當(dāng)重要。系統(tǒng)中有高頻、低頻、模擬和數(shù)字信號(hào)，各種干擾都會(huì)影響系統(tǒng)的工作。主要采取以下措施：（1）高頻隔離，給高頻部分加上屏蔽罩，尤其是發(fā)射部分。（2）電源部分分級(jí)、分模塊濾波，盡量減少不同功能塊之間的串?dāng)_。（3）電路板設(shè)計(jì)注 意布局，特別注意高頻低頻的隔離以及模擬數(shù)字的隔離。

4　軟件設(shè)計(jì)

座機(jī)程序主流程如圖2，手機(jī)與其類似不贅述。由于篇幅關(guān)系，不可能列出其各個(gè)模塊的詳 細(xì)流程。下面主要介紹其中座機(jī)DTMF模塊的設(shè)計(jì)思想及程序。該模塊流程圖如圖3。

圖2　 座機(jī)程序主流程

圖3 　DTMF模塊流程圖

DTMF 簡(jiǎn)介。它采用一對(duì)音頻信號(hào)標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)的方式，一對(duì)音頻分別從高頻音頻組和低頻音頻組 中送取，其音頻-數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系國(guó)際規(guī)定如表1所示。

表1　音頻-數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

DTMF模塊的設(shè)計(jì)思想主要是：在CPU RO M中設(shè)置數(shù)據(jù)表來模擬各個(gè)音頻信號(hào)（包括低頻群和高頻群各個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)），當(dāng)程序判斷要輸出某DTMF信號(hào)時(shí)，先找到該DTMF信號(hào)對(duì)應(yīng)的高、低音頻對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后將其算術(shù)組合，合成值從L口的L0～L5管腳輸出，通過一個(gè)D/A阻抗網(wǎng)絡(luò)之后得到DTMF信號(hào)，DTMF信號(hào)輸出持續(xù) 時(shí)間為100 ms，而合成值每118 μs改變一次。CPU定時(shí)器用于100 ms信號(hào)寬度的計(jì)數(shù)，到10 0 ms產(chǎn)生中斷以中止DTMF信號(hào)輸出。

下面詳細(xì)介紹該DTMF模塊的原理、流程。該模塊分為 兩個(gè)子模塊：KBDEC，DTMFLP。前者用于DTMF鍵盤譯碼，后者用于雙音頻產(chǎn)生。

KBDEC子模 塊把低為真DTMF鍵盤輸入進(jìn)行譯碼，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的一個(gè)DTMF碼Code l，其二進(jìn)制形式為0000 RRCC，其中RR，CC分別代表四個(gè)行值和四個(gè)列值。

DTMFLP模塊。首先利用Code l，通過查ROM數(shù)據(jù)表Table 1，得到四個(gè)與DTMF鍵有關(guān)的值，這四個(gè)值分別表示高、低音頻ROM數(shù)據(jù)表Table 2的大小和相關(guān)起始地址，利用這四個(gè)值，每隔 117.33 μs，從ROM數(shù)據(jù)表Table 2中取出高、低音頻正弦波頻率值，算術(shù)組合之后輸出到L 口之L0-L5腳，通過外接阻抗階梯網(wǎng)絡(luò)后得到相應(yīng)DTMF信號(hào)。高、低音頻對(duì)應(yīng)Table 2中的數(shù) 據(jù)有不同的基準(zhǔn)值，高頻基準(zhǔn)值為16，低頻基準(zhǔn)值為13，其差值16-13=3是為滿足DTMF信號(hào) 要求而必需的：高頻群高于低頻群2 dB以補(bǔ)償傳輸損耗。

Table 2數(shù)據(jù)表的產(chǎn)生。117.33 μs的倍數(shù)對(duì)于DTMF信號(hào)中的八個(gè)頻率成分而言，均可達(dá)到很好的近似。以1 336 Hz為例：在Table 2中存有其三個(gè)周期共19個(gè)樣點(diǎn)，則其合成信號(hào)周 期為［19×117．33　μs］/31 　345．73　Hz，和1 336 Hz相比 ，相對(duì)該差為+0.73%，在國(guó)標(biāo)DTMF誤差范圍以內(nèi)。至于如何確定各個(gè)音頻在Table 2中的周期數(shù)及樣點(diǎn)數(shù)，由于ROM容量限制，不可能在ROM中放入太多數(shù)據(jù)，所以設(shè)定周期數(shù)不大于10 ，再設(shè)定誤差最大值比如0.8%，則用窮舉法編一個(gè)簡(jiǎn)單的高組語言程序就可。根據(jù)各個(gè)音頻 在Table 2中的周期數(shù)及樣點(diǎn)數(shù)就可以計(jì)算出Table 2數(shù)據(jù)，實(shí)際上在計(jì)算時(shí)為得到最好的近 似，有所謂“正弦波面積準(zhǔn)則”。

5　結(jié)　論

本單片機(jī)系統(tǒng)采用COP840C實(shí)現(xiàn) 了無繩電話各種控制、通信功能，并采用軟件法產(chǎn)生DTMF信號(hào)，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)還具有工作可靠性好、耗電少、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)（達(dá)72 h）等特點(diǎn)。