单片机技术在无绳电话中的应用

　　引　言
   　　无绳电话CT（Cordless telephone）是连接市内交换网用户端的低功率双工无线电话。一般无绳电话具备普通电话的所有功能，如重拨、暂停、挂断、免提、记忆等。但由于无绳电话手座机之间为无线接续，这又决定了它具有一些普通电话所不具备的特点，如信道转换、身份 识别等。
   　　国外主要发达国家均投入大量人力、物力积极进行无绳电话的开发研制，并迅速投入商用，短短十几年内已由CT-0发展到CT-3；从模拟发展到数字；从室内发展到室外公用；由单区制发展到多区制，且可进行越区交换、漫游通信等。多频道扫描无绳电话（CT-1），国外 发达国家80年代中期就开始商用，并得到迅猛发展。
   
   　　1　系统框图及原理
   　　CT-1系统通常由一个座机和一个手机组成，座机与手机之间使用多频道接续方式建立无线 信号连接，工作方式为异频双工。
   　　现国际规定的无绳电话手座机发射频率为48/45 MHz，共10个信道，由于外界电磁干扰，可能某些信道通讯效果不佳，使用者在使用过程中可以通过信道转换来选择最佳通道。身份识别功能在无绳电话中非常重要，早期的无绳电话由于没采用单片机控制，常常造成电话被盗打，而在单片机系统中，只要采取手座机设定密码就可以较好的解决这个问题。本系统采用 16位密码，密码个数达64 K，从而使系统安全性大大提高。
   　　对照座机系统框图（图1），可知座机MCU涉及的主要功能是：（1）接收控制码。该控制码由手机MCU发出，经手机调制、发射，座机接收鉴频后经过滤波、整形处理输入座机MCU。（2）发送控制码。该控制码由座机MCU输出，经座机调制、发射给手机接收。（3）双锁相回路（DPLL） 控制。对锁相回路进行初始化、传送锁相数据（决定系统射频频点）、实现射频信道选择功能。（4）双音频产生器。实际上为MCU中一个DTMF（双音多频）子程序。作为民用产品，要求大批量、低成本、高质量，需要采取各种措施降低成本。事实上已有成熟的、本身带有硬件DTMF 发生器的单片机产品，但售价较高。而采用软件产生DTMF信号，则可以采用普通的通用MCU 实现同样功能。（5）振铃检测。检测是否有铃流从市话网内传来。（6）继电器控制。用于控制线路摘机和脉冲拨号。（7）其他信号发生及信号控制。诸如信道号显示控制、发射电路电源控制、发送回路和接收回路音频闭音控制、脉冲/双音多频拨号方式转换控制等。
   　　手机系统框图和座机类似，不同之处在于手机特有的一些模块。其MCU涉及的主要功能除对应上述座机的1，2，3项外，还包括手机电源控制、键盘扫描控制、手机振铃信号发生、各种LED控制（通话指示、低压指示）、充电检测、电池低压检测等。
   
   　　
   　　图1　座机方框图
   
   　　本文简要说明手、座机都具有的两个模块。一个是语音处理网络，该网络包括音频滤波器和压扩器两部分，前者通常由运放（如LM324）组成二阶低通网络，后者采用TA3 1101集成块；另一个为DPLL双锁相回路，本文采用MC145162集成块，该集成块为通用可编程 双锁相环，主要用于CT-1产品。
   
   　　2　单片机COP840C简介
   　　和一般工业控制系统不 同，无绳电话系统作为民用产品要求低成本，而作为移动通信产品又要求功耗小、工作电压低。作者采用了美国国家半导体公司（NS）的COP840C单片机，它具有成本低（适合民用产品） 、功耗小（适合手持机）等特点。下面对其作简要介绍。
   　　COP840C为NS公司生产的8位微控制 器，其主要特性为：8位CMOS处理器；低功耗、全静态；I/O和寄存器被映射到数据内存地址空间；2 KROM，128 ByteRAM和23个I/O口；可变、软件可重设置I/O；16位通用时钟，带一个相关的16位自动重装载/捕捉寄存器；时钟工作三种模式：①PWM；②外事件记数；③ 独立的捕获寄存器；三个中断源：外中断、时钟中断和软件陷阱中断。详细性能，可参看NS 公司相关手册。
   
   　　3　接口电路
   
   　　作为民用通讯产品的无绳电话无论是接口电路还是整个系统设计都与一般工业控制系统有很大差别。其差别主要体现在：（1）接口电路并不复杂也不允许复杂，特别是作为移动通讯手机，其体积、重量、耗电等都有着严格的要求，所以接口设计力求简洁。（2）由于整个电路系统是模、数混合系统，所以在有些场合对信号处理如信令的整形、 滤波要求特别严格。
   　　3.1　手机电路
   　　接收机电源控制。通常手机都是采用扫描式接收方式以省电，即电源间歇式通断，电源通断 比常用1∶3-1∶5。如通200 ms，然后切断600 ms，采用这种接收方式可大大提高待机时间 ，可做到手机守候时间达3～5天（270 mA时可充电电池组）。由于只是简单的开关作用，用普通PNP型三极管作为开关管即可。这种简单控制用得很多，如控制各种LED指示灯、控制发送 回路、接收回路闭音（闭音二极管）、发射电路电源控制等。
   　　电池电压低检测，以便及时告警提醒用户充电。电路上用了专用集成电路KIA7834，当电源 电压低于3.4 V时，KIA7834的3脚输出低电平，一方面通知CPU，同时控制低压指示灯亮。
   　　接收信令处理电路。如前所述，在本系统中，信令的整形、滤波电路尤为重要。本文利用了 鉴频集成块本身内含的运放。通常也用LM324运放做成二阶滤波器，以适应无绳电话亚音频 信令的要求。
   　　3.2　座机电路
   　　相对而言，座机接口电路较复杂。首先在接收信令输入端。从鉴频集成块输出的信令，经过由LM324组成的二阶无限增益多路反馈有源低通滤波器，其截止频率为400 Hz左右。然后进入LM324组成的整形电路，实质为一个比较器，其输出经限幅电路输入CPU，在调试过程中，滤波器参数应随信令波特率不同而相应调整，才能达到满意的通讯效果。
   　　CPU通过控制74L S164，控制8段LED显示器，产生目前手座机通讯用信道号。MCU的28脚是继电器控制线，控制信号经三极管倒相后，控制继电器的通、断、来达到线路摘机、座机使用指示灯亮及脉冲拨号，而在有线电话中，摘机功能是由专用开关（簧片）控制，脉冲拨号功能是由专用集成块 产生。
   　　CPU软件法产生的双音多频信号为数字信号，可以采用分立元件D/A转换法。D/A转换之后应接二阶有源滤波，然后通过变压器传送到市话线路中。该滤波器也必须在样机阶段仔细调试，以使DTMF信号的各种指标满足国标要求。对于来电铃流检测，采用光耦器件作为传输元件 ，当线路上有铃流进入时，CPU检测到低电平。
   　　在本系统中，抗干扰能力相当重要。系统中有高频、低频、模拟和数字信号，各种干扰都会影响系统的工作。主要采取以下措施：（1）高频隔离，给高频部分加上屏蔽罩，尤其是发射部分。（2）电源部分分级、分模块滤波，尽量减少不同功能块之间的串扰。（3）电路板设计注 意布局，特别注意高频低频的隔离以及模拟数字的隔离。
   
   　　4　软件设计
   
   　　座机程序主流程如图2，手机与其类似不赘述。由于篇幅关系，不可能列出其各个模块的详 细流程。下面主要介绍其中座机DTMF模块的设计思想及程序。该模块流程图如图3。
   
   　　
            图2　 座机程序主流程
   
   　　
            图3 　DTMF模块流程图
   
   　　DTMF 简介。它采用一对音频信号标志一个数据的方式，一对音频分别从高频音频组和低频音频组 中送取，其音频-数据对应关系国际规定如表1所示。
   
   　　表1　音频-数据对应关系
   
   
   　　DTMF模块的设计思想主要是：在CPU RO M中设置数据表来模拟各个音频信号（包括低频群和高频群各个频点信号），当程序判断要输出某DTMF信号时，先找到该DTMF信号对应的高、低音频对应的数据，然后将其算术组合，合成值从L口的L0～L5管脚输出，通过一个D/A阻抗网络之后得到DTMF信号，DTMF信号输出持续 时间为100 ms，而合成值每118 μs改变一次。CPU定时器用于100 ms信号宽度的计数，到10 0 ms产生中断以中止DTMF信号输出。
   　　下面详细介绍该DTMF模块的原理、流程。该模块分为 两个子模块：KBDEC，DTMFLP。前者用于DTMF键盘译码，后者用于双音频产生。
   　　KBDEC子模 块把低为真DTMF键盘输入进行译码，转换成相应的一个DTMF码Code l，其二进制形式为0000 RRCC，其中RR，CC分别代表四个行值和四个列值。
   　　DTMFLP模块。首先利用Code l，通过查ROM数据表Table 1，得到四个与DTMF键有关的值，这四个值分别表示高、低音频ROM数据表Table 2的大小和相关起始地址，利用这四个值，每隔 117.33 μs，从ROM数据表Table 2中取出高、低音频正弦波频率值，算术组合之后输出到L 口之L0-L5脚，通过外接阻抗阶梯网络后得到相应DTMF信号。高、低音频对应Table 2中的数 据有不同的基准值，高频基准值为16，低频基准值为13，其差值16-13=3是为满足DTMF信号 要求而必需的：高频群高于低频群2 dB以补偿传输损耗。
   　　Table 2数据表的产生。117.33 μs的倍数对于DTMF信号中的八个频率成分而言，均可达到很好的近似。以1 336 Hz为例：在Table 2中存有其三个周期共19个样点，则其合成信号周 期为［19×117．33　μs］/3 1 　345．73　Hz，和1 336 Hz相比 ，相对该差为+0.73%，在国标DTMF误差范围以内。至于如何确定各个音频在Table 2中的周期数及样点数，由于ROM容量限制，不可能在ROM中放入太多数据，所以设定周期数不大于10 ，再设定误差最大值比如0.8%，则用穷举法编一个简单的高组语言程序就可。根据各个音频 在Table 2中的周期数及样点数就可以计算出Table 2数据，实际上在计算时为得到最好的近 似，有所谓“正弦波面积准则”。
   
   　　5　结　论
   
   　　本单片机系统采用COP840C实现 了无绳电话各种控制、通信功能，并采用软件法产生DTMF信号，降低了系统成本，同时还具有工作可靠性好、耗电少、待机时间长（达72 h）等特点。采用该单片机系统的无绳电话产品 已投入批量生产。
   
   　　作者简介：王晓　男，硕士研究生，1970年6月生。
   　　作者单位：王晓　沈振宇　南京大学电子科学与工程系　南京，210093
   　　参考文献
   　　1　张　航，等。第二代无绳电话系统--CT2.北京：人民邮电出版社，1 993.25～28
   　　2　Harold S Stone.微型计算机接口。北京：清华大学出版社，1985.29～34