立项申请书代写
科技计划项目申报书代写
社会科学基金项目申请书代写
教学研究项目立项申请代写
科技查新合同报告代写
软课题研究报告代写
医学专题报告代写
课题项目验收书代写
课题论证代写
课题项目开题报告代写
科研课题申请书(合同书)代写
调研课题代写
项目结项报告书代写
国家基金标书写作攻略
青年科学基金项目
自然科学基金申请手册
代写教改课题结题报告
医学科研课题设计论文
教育科研立项课题申报
科研课题基金申请书
课题开题报告撰写方法
·医学论文 ·哲学政法
·护理保健 ·内科临床
·外科骨科 ·儿科妇科
·心血管病 ·案例范本
·艺术体育 ·建筑工程
·中学教育 ·高等教育
·理工科学 ·经济管理
·基础医学 ·其它方向

机构:猎文工作室
电话:0760-86388801
传真:0760-86388520
手机:13380876598
邮箱:741287446@qq.com
地址:中山大学附属中山医院
网址: www.lw777.com
QQ:741287446
微信二维码

业务联系
案例范本
DTMF生成算法的研究与设计
添加时间: 2021/6/21 18:40:35 来源: 作者: 点击数:399

  

摘要  …………………………………………………………………………  1

引言  …………………………………………………………………………  2

1.  DTMF信号介绍   ………………………………………………………    3

1.1  DTMF信号特性  ……………………………………………………………   3

1.2  DTMF信号的应用 …………………………………………………………   4

2.  系统硬件设计  …………………………………………………………       5

2.1  系统硬件的总体实现   ……………………………………………… 5

2.2  中央控制器——AT89C51   …………………………………………  6

  2.3  数摸转换器——DAC0832   …………………………………………  8

  2.4  单片机与键盘的接口电路……………………………………………  10

  2.5  AT89C51DACO832的接口电路…………………………………  10

  2.6  RC低通滤波器      ………………………………………………   11

3.  系统软件设计 ……………………………………………………………      11

  3.1  系统程序设计   ………………………………………………………………  12

3.2  单片机与键盘接口程序设计  ……………………………………………… 12

3.3  DTMF信号产生程序设计  …………………………………………………  14    

3.4  单片机与D/A接口程序设计   ……………………………………………  18

4.  系统有效性验证…………………………………………………………       19

4.1  DTMF信号频率误差分析……………………………………………………  19

4.2  DTMF信号接收系统的结构…………………………………………………  20

4.2.1  MT8870的介绍…………………………………………………………  20

4.2.2  DTMF信号接收系统的硬件结构……………………………………  21

4.2.3  接收系统的程序设计…………………………………………………   22

5. 结束语  …………………………………………………………………    22

6. 附录   ……………………………………………………………………… 23

7. 参考文献  ………………………………………………………………   35

8. 致谢语    ………………………………………………………………   35

 

       

摘要

     本课题最主要的特点在于用单片机来产生DTMF信号,而不是通过专用的DTMF产生芯片,具有实际应用的意义。本文首先介绍了DTMF信号及其应用,然后详细介绍了基于单片机的DTMF信号合成的硬件及其软件系统,重点阐述了用单片机产生DTMF信号的算法,先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据,然后制作一个表格,CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据,经DAC转换后产生正弦波。最后对单片机产生的DTMF信号的误差进行了分析,并介绍了有MT8870组成的DTMF解码系统的硬件和软件。

关键词: DTMF; 单片机; MT8870;正弦波;

 

             

                                                                            

 

DTMF(Dual Tone Multi Frequency)信号是音频电话的拨号信号。由美国AT&T贝尔实验室研制, 双音多频信号编码技术易于识别,抗干扰能力强,发号速度快,且比用modem进行远程传输的方法更为经济实用,因此这种拨号方法取代了传统的脉冲拨号。

电话中的双音多频信号有两种用途:一是用于双音多频信号的拨号,去控制交换机接通被叫的用户电话机;二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作,如播放留言,语音信箱。这些都离不开DTMF信号的产生。

目前,大多数的DTMF信号的产生都是采用专用芯片MT5087MT8880等,这种方法信号编码产生速度快但有很大的局限性,如果音频信号频率的改变应用于别的系统时,专用芯片就发挥不了作用了,其次是要实现用户多路双音多频信号发送比较困难。

基于单片机的DTMF信号合成的系统可以克服硬件电路的缺点,容易实现多路DTMF信号,节约系统成本,使双音多频信号的应用领域更广泛。

用单片机来产生DTMF信号主要方法有通过脉宽调制、增量调制生成双音多频信号或先通过编写计算正弦函数的子程序,然后调用函数把计算得到的数据经DAC转换后产生DTMF信号。

本课题采用的方法是先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据,然后制作一个表格,CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据,经DAC转换后产生正弦波。由于前者需要编写复杂的计算正弦波函数的程序,占用相当的程序存储空间,计算时间长,降低了CPU的效率,很难保证正弦波频率的精度。查表程序非常简单,占用硬件资源也非常少,频率精度和谐波系数取决于采样周期和表格的大小。只要采样周期足够小和表格足够大,就可保证正弦波的精度。

1. DTMF信号介绍

1.1  DTMF信号的特性

DTMF是由组(fb)和高频组(fa)两组频率信号构成,每个数字信号由低频组和高频组的任意一个叠加而成。根据CCITT的建议,DTMF的编译码定义如表1所示,

可用下式表示

f(t)A_{a}sin(2 f_{a}t)+A_{b}sin(2 f_{b}t))

式中两项分别表示低、高音群的值,AbAa分别表示低音群和高音群的样值量化基线,而且两者幅值比为K=Ab /Aa (0.7<K<0.9)。同时规定,对应于表1中的标称频率在发送时,DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5%,每位数字的信号极限时长应该大于40ms,而接收设备对2%的偏差应能可靠地接收,对30ms40ms时长的信号可以正常地接收。

与单音编码不同,DTMF 信号是采用8 中取2 的方式,从高低两个音组中各取一个音频复合而成来代表0 - 9 十个号码和其他功能码,再加上这8 个音频信号的各频率间不存在谐波关系,大大减少了虚假信号的干扰,因而DTMF 信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强

1.2  DTMF信号的应用

DTMF 信号即双音多频信号,最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号。如图1

主叫用户摘机按键拨号后,电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路,交换机中的微机识别被叫电话号码后,接通主被叫用户实现双方通话。

DTMF信号还用于自动控制系统,如果把DTMF的发送电路用于主控系统,接受电路用于被控系统,就可以方便地组成有线或无线通信系统,如图2所示,其通道数视需要而定,16通道以内每通道只需编一位号码即可,若需要更多通道,则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。

2.系统硬件设计

2.1 系统硬件的总体实现  

为使产生的DTMF信号频率误差尽可能小,我们对该系统的硬件电路作了精心设计。图3是基于单片机的DTMF信号的合成的硬件图:

                                3 系统的硬件图  

该系统的硬件设计按实现的功能来分,可分为以下3个部分。单片机与键盘的接口电路,实现按键信号的产生的功能,AT89C51根据读进来的键码来实现相应的键功能向P0口发按键对应的DTMF信号,数摸转换器与单片机的接口电路主要来实现把P0口发出的数字信号转换为模拟信号,最后通过RC低通滤波器把信号中的高频成分滤去。其中,AT89C51单片机是整个电路的核心,它控制其他模块来完成各种复杂的操作。

在本章下面几个小节中将根据图3的硬件设计电路,对各个模块电路进行详细的设计与分析。

2.2 中央控制器——AT89C51

   AT89C51是由美国Atmel 公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机之一。

2.2.1  AT89C51的特点

    AT89C51具有以下几个特点:

·AT89C51MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;

·片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;

·全静态工作,工作范围:0Hz24MHz

·三级程序存储器加密;

·128×8位内部RAM

·32位双向输入输出线;

·两个十六位定时器/计数器

·五个中断源,两级中断优先级;

·一个全双工的异步串行口;

·间歇和掉电两种工作方式。

2.2.2  AT89C51的功能描述

AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重复写入/擦除1000次,数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本。只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒,仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,8751/87C5112V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽(2.7V~6V),全静态工作,工作频率宽在0Hz24MHz之间,比8751/87C5151系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

2.2.3  AT89C51引脚功能

AT89C51单片机为40引脚芯片见附录1

1. 口线:P0P1P2P3共四个八位口。

§ P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存信号用ALE

§ P1口是专门供用户使用的I/O,是准双向口。

§ P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。

§ P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表2所示。

2.控制口线:PSEN(片外选取控制)ALE(地址锁存控制)EA(片外存储器选择)RESET(复位控制);

3.电源及时钟:VCCVSSXTAL1XTAL2 操作方法。

2.2.4 操作方法

1.程序存储器加密。AT89C51芯片程序存储器有三级硬件加密,能够有效地保证系统不被仿制和软件不被复制,加密等级设置见附录2

2.工作模式。AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。

掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停止振动,CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位掉电模式可被终止。

2.3 数摸转换器——DAC0832

  在电子技术的很多应用场合往往需要把数字量转换成模拟量,称为数 / 模转换器(D / A转换器,简称DAC)。完成这种转换的线路有多种,特别是单片大规模集成D / A转换器问世,为实现上述的转换提供了极大的方便。使用者可借助于手册提供的器件性能指标及典型应用电路,即可正确使用这些器件。本系统将采用大规模集成电路DAC0832实现D / A转换

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数 / 模转换器。图4DAC0832的逻辑框图及引脚排列。

4  DAC0832单片D/A转换器逻辑框图和引脚排列

器件的核心部分采用倒T型电阻网络的8D / A转换器,它是由倒TR2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。

DAC0832各引脚含义如下:CS为片选信号,CSILE(输入寄存器允许信号)合起来可对写信号WR1是否起作用进行控制。WR1写信号用以将8位数字量D7D6D5…输入并锁存于DAC0832内部的输入寄存器中,WR写信号与传送控制信号XFER同时有效,则将输入寄存器的数字量再传送到8D/A寄存器锁存起来。这时8D/A转换器就开始工作。IOUT1IOUT2为输出电流,其中IOUT1D/A寄存器内容为全1时输出电流为最大;当D/A寄存器内容为零时输出电流为0IOUT2为一常数与IOUT1之差,即IOUT1+IOUT2=常数。AGNDDGND分别为模拟量地和数字量地,它们应共地。VREF精度尽可能高一些。V是电源电压,其值可在+5V+15VR为反馈电阻,由于片内已具备反馈电阻,故可以与外接运算放大器的输出端短接。

DAC0832输出的是电流,要转换为电压,还必须经过一个外接的运算放大器,电路如图5所示。

                  5 电流转换为电压电路

5中 接地为低电平,ILE为高电平,DAC0832处于直通的工作状态。输入数字量(D0~D7)通过输入锁存器,数据寄存器直接传送到DAC,输出相应模拟量。运放的输出电压为

     )

由上式可见,输出电压VO 与输入的数字量成正比,这就实现了从数字量到模拟量的转换。

2.4 单片机与键盘的接口电路

6是单片机与键盘的接口电路。单片机的串行口在方式0下工作,作为同步移位寄存器使用,这时以RXD端作为数据移位的出口,而TXD端提供移位时钟脉冲。在无键按下的情况下p1.0,p1.1读进来的是高电平,当有键按下时,p1.0或p1.1端将会变为低电平。

6 单片机与键盘的接口电路

2.5 AT89C51与DACO832的接口电路

7是AT89C51与DACO832的接口电路。在这里P0口是做为输入口使用的,由于通路中已有输出锁存器,因此数据输出可以与外设直接相连,无需再加数据锁存器电路。但是由于输出电路是漏极开路电路,必须外接上拉电阻才能有高电平输出。DAC0832是处于直通状态,P3.6把第一写信号,第二写信号,数据传送信号拉为低电平。

7  AT89C51与DACO832的接口电路

2.6  RC低通滤波器

   由于从DAC0832出来的DTMF信号含有丰富的高频成分,信号波形是阶梯型的需要经过一个低通滤波器,使信号变得光滑与准确。图8是简单的RC低通滤波器。

          8  RC低通滤波器

由图8我们可以知道:

ωc=1/(RC)称为截止角频率,相应地fc=ωc/(2π)=1/(2πRC)称为截止频率。构成DTMF信号的8个音频的最高频率1633(由表1可知),因此,我选择了6.8k的电阻和0.01uf的电容,使截止频率为2341hz

3.系统软件设计

系统的软件设计主要分为单片机与键盘接口程序,DTMF信号产生程序设计,单片机与D/A接口程序设计。下面,就整体设计以及每个单元功能模块分别进行详细说明。

3.1 系统程序设计

9是系统的程序流程图。

9 系统的程序流程图

3.2 单片机与键盘接口程序设计

10单片机与键盘程序流程图

10是键程序流程图,主要分为键扫描,去抖动,键码计算,等待键释放等。

3.2.1 键扫描

如图11所示,键盘的行线一端经电阻接+5V电源,另一端接单片机的输入口线。各列线的一端接单片机的输出口线,另一端悬空。为判定有没有键被按下,可先经输出口向所有列线输出低电平,然后再输入各行线的状态。若行线状态皆为高电平,则表明无键按下;若行线状态中有低电平,则表明有键被按下。接下来就要确定被按键的位置。先使输出端口输出0FEH,然后输入行线状态,测试行线状态中是否有低电平的。如果没有低电平,再输出0FDH,当出现行线有低电平时,则闭合键找到,此次扫描结束。

3.2.2 去抖动

当扫描表明有键被按下之后,紧接着应进行去抖动处理。因为常用键盘的键实际上就是一个机械开关结构,当被按下的时,由于机械触点的弹性及电压突跳等原因,在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。一般为510ms。为保证键扫描的正确,需进行抖动处理。在这里我采用了软件延时的方法,延时时间为10ms

3.2.3 键码计算

被按下来的键确定下来后,接下来的工作是计算闭合键的键码,因为有了键码,才好通过转移指令把程序执行转移到闭合键所对应的功能子程序中。下面是计算键码的公式:

键码=行首号+列号

3.2.4 等待键释放

等待键释放是为了保证键的一次闭合仅进行一次处理,这里我是通过等待来实现的。

3.3产生DTMF信号的程序设计

3.3.1 函数y=C*sin(ωt)C的数据表分析

正弦函数y=C*sin(ωt)的波形如图12CPU对不同时间所对应的相位进行计算得出相应的数据,经D A C 转换后产生正弦波;也可先通过计算得出一个周期的数据,制作一个表格,CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据,经DAC转换后产生正弦波。但前者需要编写复杂的计算正弦波函数的程序,占用相当的程序存储空间,计算时间长,降低了CPU的效率,很难保证正弦波频率的精度。查表程序非常简单,占用硬件资源也非常少,频率精度和谐波系数取决于采样周期和表格的大小。查表方法产生正弦波先计算出正弦波一个周期的数据,作为产生波形的数据表。采样周期足够小和表格足够大,就可保证正弦波的精度。为了数据表足够大,尽量占用较小的程序存储空间,实际只需制作0°到90<, SPAN style="FONT-FAMILY: 宋体; FONT-SIZE: 10.5pt; mso-spacerun: 'yes'; mso-font-kerning: 1.0000pt">°的数据表格,经过简单的运算即可得到一个周期的数据,又可减少3/4数据表存储空间。Y=C*sin(ωt)对应的电信号为交流信号,须经电平提升为直流电才能满足CPU的输出特性,函数Y=C*sin(ωt)C符合要求。对该函数经数学分析或图形观察,会得出以下结论:

1)相位为0°~90°时,计算出的数据分布为由0C。用0°到90°的数据表,经DA转换后可产生函数Y=C*sin(ωt)0°到90°范围内的波形。每次读出的数据加C,经DA转换后可产生函数Y=C*sin(ωt)C0°到90°范围内的波形。

                                          

12 y=63*sin(t)的波形

2)相位为90°~180°时,于0°~90°的图形左右对称,通过相反的方向,即由后向前读0°到90°的数据表,每次读出的数据加C,经DA转换后可产生该函数在90°到180°范围内的波形。

3)相位为180°~270°时,于0°~90°的图形上下对称,对应数据绝对值相等,符号相反。读数据表的方向与0°~90°相同,每次读出的数据符号取反再加C,经DA转换后可产生该函数在180°到270°范围内的波形。

4)相位为270°~360°时,于180°~270°的图形左右对称,通过相反的方向,即由后向前读0°到90°的数据表,每次读出的数据符号取反再加C,经DA转换后可产生该函数在270°到360°范围内的波形。

3.3.2 函数Y=C*sin(ωt)C的频率计算

Y=C*sin(ωt)C的相位由0°起,每增加一个单位(即角度增量)计算出一个数据,如δ=1°,共可得到360个数据,由此制作一个大小为包含360个数据的数据表。角度增量δ决定了数据表的大小,一个周期数据表的大小为360/δ。实际只需制作0°到90°的数据表,大小为S=90/δ,由于起点也是一个数据,表格实际大小比S1个单元。CPU每隔恒定的时间间隔(即采样周期Tc),由数据表的第一个数据起,按特定的步长N,读下一个数据,送DA转换器。N=1时每读一个数据,表格指针前进一步,即读出相邻的下一个数据,表格大小/步长=S/N=90步后,即可产生函数1/4周期的波形,4S/N=360步后,即可产生一个周期的波形。如采样周期Tc=10μs,得:周期=360Tc,频率=1/360Tc=278HzCPU由第一个数据起,N=2时每读一个数据,表格指针前进两步,即间隔一个数据读一个数据,4S/N=360/2=180步后即可产生一个周期的波形周期=180Tc,频率=1/180Tc=556Hz。同理,由第一个数据起,按不同的步长N读下一个数据,4S/N步后即可产生函数一个周期的波形,周期= 4TcS / N,频率=N/4TcS。表格大小S=90/δ、步长N和采样周期Tc决定了频率,即频率f= N/4TcS =Nδ/ 360 Tc。由指定的频率反过来推得步长N= 360fTc/δ。

根据香侬定理,正弦波一个周期内的采样次数必须大于2,才可反应原函数的频率特性,一般要求采样次数要大于5。对一个特定频率的正弦函数,合理选择步长N和采样周期Tc,很易满足这一条件。

3.3.3  DTMF波形振幅的计算

函数Y=C*sin(ωt),振幅为C,对应交流电信号的峰峰值为2C。为满足CPU的输出特性,电平提升为直流电后的函数为Y=C*sin(ωt)C,最大值为2C,最小值为0DTMF信号是由两个频率不同、幅度相同的正弦波叠加而成,YDTMF=C*sin(ω1t)+C*sin(ω2t)2C,它的最大值是4C,最小值为0。而8DA转换电路所能表达的最大值为28-1=255n位转换电路所能表达的最大值为2n-1 DTMF信号的最大值4C不能超过2n-1。所以振幅C ≤(2n-1/4,取整为C=2n-2-18DA转换时的振幅C=26-1=63

3.3.4  DTMF波形的计算

在高频群和低频群中分别产生一种频率的正弦波,两个正弦波矢量相加后得到DTMF信号。由于电路的角度增量δ、表格的大小S和采样周期Tc为同一固定参数,只能通过改变步长N的方法来实现频率的变化。程序中设置独立的高频群表格指针和低频群表格指针,独立的高频群步长寄存器和低频群步长寄存器,以及产生采样周期Tc的延时子程序或定时中断程序。没有内嵌定时器的CPU可用延时子程序,具有内嵌定时器的CPU可用简单的定时中断程序。每隔一个采样周期Tc,指针计数器分别按各自不同的步长计数。当表格指针超过数据表的任何一个端点时,需改变读表方向,表格指针增量计数改为减量计数,减量计数改为增量计数。读出由两个指针指定的数据后再分别加C,电平提升为直流电后,两个数据相加得到DTMF信号的数据。CPU连续地读出数据,经DA转换后产生对应频率的DTMF信号的波形。改变步长寄存器,可产生16种不同频率组合的DTMF信号的波形。

3.3.5  产生DTMF信号的流程图

在本系统中我取表格的长度S=144,采样周期Tc=65us, δ=0.625N= 360fTc/δ可得八个频率对应的步长见表3

13是产生一个特定频率的正弦信号的流程图。

                 13 产生一个特定频率正弦波的流程图

DTMF信号是有两个特定频率的正弦波叠加而成的,图14是产生DTMF信号的流程图。

14   产生DTMF信, 号的流程图

3.4  单片机与D/A接口程序设计

关于我们  |  诚聘英才  |  联系我们  |  友情链接
版权所有:@2007-2009 中山猎文工作室 电话:0760-86388801 QQ:51643725
地址:中山大学附属中山医院 邮编:528402 皖ICP备12010335号-5
  • 国家自然科学基金体育立项分析
  • 国家社科基金选题参考—应用经济学、管
  • 广州市中医药和中西医结合科技项目申报
  • 改善歼八II战斗机‘低速性能’的方法