基于單片機(jī)和MODEM接口電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與傳輸?shù)囊笠踩找嫣岣?，在電話通?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)普及的今天，最方便最靈活的方法就是采用MODEM（調(diào)制解調(diào)器）并借助于現(xiàn)有的模擬公用電話交換網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過(guò)幾年的研究，筆者開(kāi)發(fā)了一種在單片機(jī)控制下通過(guò)公用電話交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)做載體的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，這種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不受時(shí)間與地域的限制，并可隨時(shí)實(shí)時(shí)追蹤現(xiàn)場(chǎng)資料的變化情況，從而為遠(yuǎn)程故障的診斷和排除提供了便利。

由于目前國(guó)內(nèi)有關(guān)單片機(jī)和MODEM的接口資料很少，所以，本文主要就單片機(jī)和MODEM接口及如何利用AT命令來(lái)控制MODEM 做些介紹。

1 系統(tǒng)組成

圖1 所示為該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成圖，整個(gè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器和監(jiān)控中心兩部分組成，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后打包， 并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)制解調(diào)器MODEM、公用電話網(wǎng)和監(jiān)控中心的MODEM 將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。然后監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)和分析，并根據(jù)需要向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送控制指令，由于監(jiān)控中心采用計(jì)算機(jī)與MODEM 直接相連的方式， 因此硬件接口比較簡(jiǎn)單， 而軟件編寫(xiě)不是本文討論的重點(diǎn)，不再贅述。系統(tǒng)有兩種工作方式：即監(jiān)控中心呼叫現(xiàn)場(chǎng)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)呼叫監(jiān)控中心主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2 MODEM 命令

由于MODEM 是將數(shù)據(jù)通過(guò)公用電話網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送和傳輸?shù)臉蛄?，這里先將MODEM 的功能及用法做一介紹“MODEM 是“調(diào)制解調(diào)器”的英文縮寫(xiě)，所謂調(diào)制，就是將“0”和“1”的數(shù)字信號(hào)變成不同的頻率信號(hào)，調(diào)制到載波頻率上，并利用電話線進(jìn)行模擬信號(hào)的傳送， 解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程， 即將載波頻率上的頻率信號(hào)解調(diào)成與其對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，傳送至終端控制器。

目前，我們?cè)谑袌?chǎng)上所見(jiàn)到的MODEM 都用賀氏兼容的指令集來(lái)管理和設(shè)定MODEM 的各項(xiàng)操作和通訊功能，而一般這些指令皆以AT為前置碼，所以稱(chēng)這些指令為“AT指令”。下面介紹幾個(gè)常見(jiàn)的MODEM 指令，這些指令都以回車(chē)（RETURN）結(jié)尾。

ATA：手動(dòng)應(yīng)答指令，強(qiáng)迫MODEM 摘機(jī)并檢測(cè)載波;

ATE0： 指令不回應(yīng)，即向MODEM 發(fā)送的指令不在終端回顯;

ATV0： MODEM 以數(shù)字形式回應(yīng)信息，即MODEM 收到指令后，以數(shù)字形式返回結(jié)果碼;

AT&F：參數(shù)恢復(fù)為出廠值;

AT&D0：忽略DTR信號(hào);

AT&S0：將DSR信號(hào)設(shè)定為ON;

ATD：發(fā)出撥號(hào)指令;

AT&W0：將MODEM 目前的參數(shù)狀態(tài)存儲(chǔ)在參數(shù)表0 中;

AT&Y0：當(dāng)MODEM 初始上電時(shí)，調(diào)用存儲(chǔ)的參數(shù)表0;

ATZ0： 復(fù)位MODEM 并啟用存儲(chǔ)的第0組參數(shù)表;

AT&Z=X：將電話號(hào)碼X存儲(chǔ)在MODEM 的內(nèi)部存儲(chǔ)器中;

ATDS：撥出MODEM 預(yù)存儲(chǔ)的電話號(hào)碼。

那么，單片機(jī)如何利用這些指令來(lái)操作MODEM呢？下面以發(fā)送指令A(yù)TA為例來(lái)加以說(shuō)明，程序采用C51編寫(xiě)，該程序只給出了相關(guān)的部分，

#include 《 P》

#include 《 P》

#define U8251_C XBYTE［0xfd00］

/* 定義8251 控制/狀態(tài)字地址*/

#define U8251_D XBYTE［0xfc00］

/*定義8251 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址*/

unsigned char code ATA［4］={‘A’，‘T’，‘A’，0x0d};

/*0x0d為回車(chē)（return）控制符*/

void send-code （unsigned char code *send_addr，

unsigned char send_sum）;

/*發(fā)送函數(shù)聲明，形式參數(shù)為發(fā)送

首地址和發(fā)送字符個(gè)數(shù)*/

void main（）

{

……

send_code（ATA，4）; /*發(fā)送ATA應(yīng)答命令*/

……

}

void send_code（unsigned char code *send_addr，

unsigned char send_sum）

{

do{

while（（U8251_c&0x05）！=0x05）;

U8251_D=*send_addr;

send_addr++;

}while（--send_sum）;

}

為了單片機(jī)對(duì)MODEM 的控制和操作，對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的MODEM 做了如下初始化：

AT&FE0V0&D0&S0&Y0&W0

3 接口電路

圖2 為該現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中單片機(jī)和MODEM的接口電路圖， 單片機(jī)選用Winbord（華幫）公司生產(chǎn)的高性能低功耗單片機(jī)W78E52B，它采用80C31內(nèi)核，在指令上與MCS-51完全兼容，內(nèi)含8k的電可擦除MTP ROM（Multiple-Time Programmable ROM）。其內(nèi)部串口能和其它有串口的通訊設(shè)備一起進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（這部分在圖2中沒(méi)畫(huà)出）;

圖2 單片機(jī)和MODEM 的接口電路

考慮到所采集的數(shù)據(jù)較多，故擴(kuò)展了一片8155 作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并兼做并行數(shù)據(jù)采集接口，其內(nèi)部14 位定時(shí)器作為分頻器使用;另擴(kuò)展的一片8251 用來(lái)和MODEM 接口，8251的內(nèi)部工作時(shí)序，發(fā)送器時(shí)鐘和接收器時(shí)鐘需要外部輸入，在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)提供的ALE信號(hào)作為其外部輸入，因而無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)分頻器，由于在單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)， ALE要丟失一個(gè)周期，因而采用圖2所示的方法，可充分利用系統(tǒng)資源，根據(jù)接收時(shí)鐘輸入RXCLK和發(fā)送時(shí)鐘輸入TXCLK的不同，8251 的發(fā)送波特率和接收波特率可以不同，在本系統(tǒng)中，發(fā)送波特率和接收波特率相同，都由8155定時(shí)器分頻輸出TMROUT供給。發(fā)送數(shù)據(jù)可根據(jù)系統(tǒng)要求在主程序中完成，接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)請(qǐng)求輸出RXRDY經(jīng)74LS02反向后接78E52B的中斷輸入INT0，接收數(shù)據(jù)采用中斷方式控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)忽略了DSR信號(hào)， 因而在圖2 中將其直接接地;

RS232 接口電平轉(zhuǎn)換電路采用一片具有五對(duì)輸入和輸出的MSX238，它自帶電荷泵，采用單5伏電源，只用一片便可提供本系統(tǒng)所有RS232電平的驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)換。

4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的功能及原理

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器有兩種工作方式， 即主叫方式和被叫應(yīng)答方式。主叫方式就是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器主動(dòng)呼叫監(jiān)控中心;被叫應(yīng)答方式是在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器收到監(jiān)控中心的呼叫振鈴后響應(yīng)應(yīng)答指令。另外，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器具有遠(yuǎn)程設(shè)置主叫呼叫號(hào)碼的功能，其軟件編制流程圖如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的程序流程圖

4.1 通訊波特率

8251 的通訊波特率取決于RXCLK和TXCLK的時(shí)鐘輸入，在異步方式中，RXCLK，TXCLK可以是波特率，也可以是波特率的16 或64倍。這由8251控制字中的波特率因子來(lái)決定，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)波特率因子為異步X16，即RXCLK，TXCLK是傳輸波特率的16倍。從圖2可以看出，RXCLK，TXCLK由8155 的TMROUT給出， 而8155 的TMRIN為系統(tǒng)時(shí)鐘fosc的1/6，因此選擇波特率的關(guān)鍵就是確定8155定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)。如果將8155 的定時(shí)器設(shè)為連續(xù)方波輸出，那么8155 定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)N和定時(shí)器輸入頻率fTMRIN，輸出頻率fTMROUT的關(guān)系為：fTMROUT=fTMRIN/N，設(shè)8251的分頻系數(shù)為16，則傳輸波特率可有下式計(jì)算：

波特率=fTMROUT/16=fTMRIN/16N=fosc/（6X16N）

本系統(tǒng)選用頻率為11.0592MHz 的晶振，fosc為1.0592MHz， 若8251 采用2400Hz的波特率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，則8155的定時(shí)器常數(shù)N為：

N=11.0592X106/（2400X16X6）=48=30H

按照以上分析，則8155，8251 初始化編程如下：

void initialize rs（void）

{

U8155_IO=0xc0; /*8155命令字初始化*/

U8155_TO=0x30;/*送8155定時(shí)器常數(shù)低字節(jié)*/

U8155_TH=0x40; /*送8155定時(shí)器常數(shù)高字節(jié)*/

U8251_C=0x4e; /* 方式控制字初始化*/

U8251_C=0x37;

}

4.2 遠(yuǎn)程設(shè)置主叫呼叫號(hào)碼

在本系統(tǒng)中，當(dāng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)生越限變化時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器能夠自動(dòng)呼叫監(jiān)控中心，而被呼叫的電話號(hào)碼卻不能夠存儲(chǔ)在程序的ROM中， 原因有兩條：第一：監(jiān)控中心的電話號(hào)碼可能會(huì)變更;第二：不同的用戶被呼叫的電話號(hào)碼不一樣; 而在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器上設(shè)計(jì)一片EEPROM 也不是最好的方案;解決這一問(wèn)題的最佳方法是將此電話號(hào)碼存儲(chǔ)在MODEM 中， 那么如何實(shí)現(xiàn)呢？可用前面提到的AT&Z=X（X為電話號(hào)碼） 命令進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，當(dāng)監(jiān)控中心需要修改這個(gè)電話號(hào)碼時(shí)， 就呼叫現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器，并將此電話號(hào)碼傳輸給數(shù)據(jù)采集器，然后由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)用AT&Z=X（X為電話號(hào)碼）命令將此號(hào)碼存儲(chǔ)在MODEM 中。

4.3 主叫方式

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)生越限變化時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器便利用AT指令A(yù)TDS主動(dòng)撥打存儲(chǔ)在MODEM 中的電話號(hào)碼來(lái)呼叫監(jiān)控中心，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)打包傳送給監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心收到信息包后，系統(tǒng)便可進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，以供值班人員判斷并做出處理。

4.4 被叫方式

當(dāng)監(jiān)控中心需要獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)， 可以主動(dòng)撥號(hào)呼叫現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器， 在圖2中，W78E52 的P1.1在檢測(cè)到預(yù)定次數(shù)的振鈴信號(hào)時(shí)發(fā)出MODEM應(yīng)答指令A(yù)TA，并在延時(shí)等待MODEM 連通以及雙方握手成功后， 由監(jiān)控中心向現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)指令。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器收到指令后將實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心， 以使監(jiān)控中心隨時(shí)中斷對(duì)數(shù)據(jù)接收， 并向現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)出掛機(jī)指令。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器在收到掛機(jī)指令后停止發(fā)送數(shù)據(jù)并掛機(jī)。

4.5 存在問(wèn)題及解決方法

本系統(tǒng)剛開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，8251 的復(fù)位輸入端和CPU的復(fù)位輸入端是連接在一起，這樣設(shè)計(jì)曾出現(xiàn)過(guò)8251不能可靠復(fù)位的問(wèn)題。 后改為靠W78E52的P1.0 給8251發(fā)復(fù)位脈沖，圖2 所示，這樣，就可根據(jù)軟件抗干擾的需要隨時(shí)復(fù)位8251，用C51編寫(xiě)的復(fù)位程序如下：

void reset_8251（void）

{

P1^0=1;

ACC=0;

while（--ACC）;

P1^0=0;

}

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，該系統(tǒng)和MODEM 接口具有電路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果.
來(lái)源；21ic