毕业设计（论文）-基于DTMF远程控制系统.doc

邵阳学院毕业设计(论文)前 言随着现代通信、电子技术和计算机技术的不断创新和发展，为人类社会的发展和生产带来了极大的便利，同时如何现代的科学技术去改善人类的生活，使人们的生活更加的舒适、方便。又因现在的电话网络遍布城乡各地，从而产生一种利用公共电话网的dtmf远程控制设计的构想，实现对各种家用设备远程遥控。dtmf远程控制装置是以at89c51为单片机作为控制核心，mt8870为dtmf信号接收电路，在系统程序控制下实现功能，它由振铃信号检测、摘挂机控制、双音频解码、语音提示及电器控制五大部分组成。dtmf远程控制系统于家庭，无人场所，工业现场等。由于该系统的设计，是利用现有的电话网络资源与集成现代电子技术、通信技术、微处理技术与遥控技术于一体，它为出门在外旅游的人们，因总惦记家里的安危，想不用回家就可以开关家里的电器设备，造成有人在家的假象，保证家里的安全、也可为工作了一天的人们提早准备了浴水，使你尽情释放一天的疲劳；提早准备了香喷喷的饭菜；提早打开空调，一进门便能享受清凉的的世界，为人们省去了多少的麻烦，带来了多少的便利。同时又由于采用的基于公共电话网新型的遥控方式，而常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。因此也存在距离问题，应用范围有限。基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。因此它比起这一些的常规的遥控方式显示出了一定不可比拟优越性。它不需占用了一定的频率资源，也不会造成电磁干扰以及电磁污染，又突破常见的遥控方式的空间界限，可跨越省市，甚至跨越国家。又由于本装置采用电话线网络作为媒介及并接在电话机的两端，且不占据电话线的资源，又充分地利用了电话这一种己经比较成熟的双工通信方式，通过电话的语音提示的信息，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。1 dtmf远程控制系统1.1 系统组成1.1.1 系统的体系结构电话线振铃检测模块电器驱动模块模拟摘机挂机电路dtmf译码模块微处理器数据线语音提示模块图1-1基于dtmf远程控制装置图dtmf远程控制系统是由单片机构成主控部分，主要进行信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号及发出相应的控制信号，并完成对于各种信息的采集；接口电路提供单片机与电话外线的接口。其中包括铃流检测、摘挂机控制、忙音检测、双音频dtmf识别，及语音提示电路。如下面图1-1所示：1.1.2 系统工作原理该系统并接于家用电话的两端，不会影响到电话机的正常使用。当用户拨打本地电话机号码，由通过市局交换机向电话机发出振铃信号，振铃模块检测有铃流进来，首先检测振铃的次数达到5次（次数通过软件进行设计）后，单片机控制实现模拟摘机，并驱动语音电路提示请输入密码。并通过单片机进行核对，如果该密码正确，则在语音的提示下输入该要控制家用电器的命令键。dtmf信号通过双音多频解码器解码后，由微处理器提起数据后去控制该家用设备。当用户输入 “#”键，自动实现挂机，从而完成一次远程控制。当且摘机后，在30秒内没有输入，电话回自动挂机。信号音检测采用软硬件相结合的方法来实现对拨号后线路状态的识别。1.1.3 技术指标1）额定电压：ac220v2）输入电压允许波动范围：85110ac3）充许高度：海拨不超过2000m4）环境温度：-40+505）空气湿度：不大于85（25）6）接口标准：符合dtmf电话拨号技术条件1.2 产品使用说明本系统使用非常方便，下面就总体操作过程做一下简单的介绍。首先用户把本装置的信号线并联在电话线的两端，插上电源线，打开电源开关，本装置自动复位，就能正常工作了。当你处在异地想控制远处的用电设备时，只要拨打相应的电话号码，就可以实现对异地的电器的控制。接下来可以分几步进行：1）首先拨打用户设备所处的电话号码。2）如果电话振铃声超过5次，而无人接听时，系统自动摘机，继而发出了“欢迎使用家用器远程控制装置”，并回送提示音提示输入密码，并以#字号结束。3） 如果用户在三次之内，当三次之内，用户不能正确地输入密码，系统自动挂机。 系统将自动挂机。4） 当用户输入正确的密码后，就可以在语音的提示下进行其它的相关操作。用户操作完成，按“#”键结束，完成一次的远程操作。而已经开启的电器将保持其开启的状态，直到下一次的“通话”控制使其关闭。本装置使用起来简单易学，而且功能强大。2 系统工作原理系统的原理图如下图2-1所示，系统由振铃信号检测、双音频接受电路、语音提示电路、摘、挂机控制电路、家用电器启动电路五大部分组成，采用以at89c51作为核心控制器件，mt8870为dtmf信号的接收电路，在系统程序的控制下实现功成名能。该系统由振铃信号检测、摘、挂机控制、双音频解码、语音提示及电器控制五大电路部分组成。它适用于家庭、商店等无人的场所、还可以用于工业控制现场。以电话作为媒介， 通过电话线完成对设备的远程操作。系统的工作原理如下：由于该系统的并接在家用电话的两端，且不影响到电话机的正常工作，因此出门在外的人，可以通过拨打家中的电话号码，交换机向家中电话机发送振铃信号，当有振铃信号进来的时候，该系统的振铃检测电路接受到铃流信号时，微控制器的定时/计数器t1开始计数，当计数的次数达到5次时，计数器溢出向cpu申请中断，当cpu响应中断请求后，置p2.6口低电平，启动模拟摘、挂机电路，实现自动摘机。接通线路后,cpu置p1.6口低电平，选中语音芯片，而后微处理器模拟spi总线工作方式向isd4004发出控制命令，从而启动语音提示电路，（该电路主要由isd4004、lm386和外围电路组成，语音信号通过变压器。）发出“请输入密码”这一提示信息，提示用户输入密码，用户输入的密码通过电话线接口电路，再通过解码芯片mt8870及一些外围元器件组成的解码电路，将双音频信号转化为相应的二进制号码，从该芯片的q1q4端口传送到at89c51的p1.0p1.3口进行密码检验，如果密码不正确，语音信号会提示用户“密码不正确，请从新输入密码”。当密码检验正确后，再由语音信号提示用户输入要控制的设备代号。当用户操作成功后，再由语音提示用户是否继续操作，用户可以根椐自己的需求，进行下一步的操作，如不需要，既可挂机结束任何操作。图2-1 基于dtmf远程控制系统工作原理图图2-1 dtmf远程控制工作原理图3 电路设计3.1 振铃模块电路设计如下图3.1所示，该电路是以光耦合器件为核心组成的，当有铃流信号进来，此信号通过光耦合器件，给发光二极管一个电压，从而使光耦合器件工作，再经过一个反向器输出标准的方波信号，可供主控部分的检测。图3.1 振铃检测电路3.1.1 电路的设计思想 由于在电话线上没有摘机之前，电话线的两端是4860v的直流电压信号，当电话线上无振铃信号时，该系统不会工作。当一有铃流信号进来，程控交换机送来的是253hz的正弦交流电压，其pp为9015v，信号以1秒送，4秒断的形式发送，振铃检测可以有多种形式，但是最常用的是采取光耦合器件来实现的，由于它的优点在于可以使输入与输出在电气（电源、地线）上完全绝缘，具有很高的抗干扰性。而在该电路当中，它作为一个开关器件和信号隔离的作用。同时具有很高的耐压值可达到5001000v，以及价格便宜，设计简单，工作可靠等优点。只要在软件部分进行振铃次数的检测，设置在一定次数的振铃后再摘机提高了系统的稳定性。3.1.2 元件的选取及说明1）隔直电容c1的选取：隔直电容c1是电解电容，用于过滤直流，滤出低频信号，而且振铃信号的电压还比较高，在这里采用1耐压100v的钽或铝解电容。2）电阻r1的选取：电阻r1是起限流作用，保证光耦合器器件的正常工作，因为电线的阻值少到一定值，便会在电话环路内形成动作电流（程控电话交换机检测到环路电流突变大于30ma,即认为用户己摘机），会影响电话线路的正常工作。所以取33k。3）稳压二极管d1的选取：稳压二极管d1的采用主要考虑到对光耦进行保护而设计的。它反相并接于光耦的两端，当信号的正半周期加在光耦的两端使其导通，当负半周期时，使光耦截止，可经此该二极管续流，从而保护光耦不会电压过大而损坏，这样就要求光耦要有良好的耐压性能。此处取1n4003。4）光耦u1的选取：由于它是一种光电信号的耦合器件，它是一种将发光二极管和光敏三极管封在一起。通过光信号耦合，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都挡回在输入回路的一侧。具有较高的电气隔离和抗干扰能力，对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力。速度高、价格低、接口简单、体积小、寿命长等优点。选取型号为til系列的p621。5）电阻/电容r2/c2的选取：电阻r2电容c2共同组成滤波电路。主要是滤除振铃信号中的低次谐波。使信号到开关三极管的基极可以得到较好的方波信号，从而可以使以后输出的信号加到at89c51的定时/计数器t0。 6）反相器的选取：用来检测振铃信号的光耦在导通和截止时，光耦三极管的集电极（输出端）电平并不是确定的数值，如果此输出信号传给主控单元，势必使主控单元无法识别，影响其正常工作。为了解决这一问题，采用了在光耦的集电极加一反相器的办法。反相器输出的波形有很大的改善，基本上是方波信号，本电路采用了开关三极管等组成，信号三极管的集电极引出，优化了电路设计，使其工作更加可靠。3.2 摘、挂机电路设计根据国家有关标准规定，不论任何电话机，摘机状态的直流电阻应300，有r键的电子电话机的摘机状态直流电阻应350。在挂机状态下，其漏电流5ua。因为程控电话交换机检测到电话线回路电流突变为大于30ma时，即认为用户己摘机。当回路电流小于30ma时认为电话己挂机，即与系统通讯结束。图3.2 摘、挂机电路图3.2.1 电路的设计思想如下图所示，在未摘机之前，p2.6端为高电平，该电路处于末工作状态，当振钤检测电路检测到五次振钤时，p2.6输出低电平，q2管导通，从而使得q1的基极变为低电平也使q1导通，q1的集电极经电阻r3和发光二极管组成回路，形成大约300的电阻电流为30ma的恒流源，使回路电流变大，控制电路向交换机发出模拟摘机的信号，交换机响应摘机信号，完成电话线路接通。整个电路完成自动模拟摘机过程。3.2.2 元件的选取及说明1） 极性保护电路d1的选取：当程控交换机确认有摘机信号时,送来的是直流信号,但是电话线哪一端为正,哪一端为负,为了解决这一问题，电话机中都装有极性保护电路，这样做可以使不确定的极性变成确定的极性，经其变换后再与电路的其它部分相连，起到了必要的保护作用。本电路选取的4个二极管的型号为1n4004。2） 高压三极管q1及开关管q2的选取: 接在电话线路中的三极管一般都选择高耐压的三极管，该电路也考虑到电话线上的电压有时可能会出现很高的情况，所以选用了高压三极管。从程控交换技术手册可以了解，摘机时电话线两端的电压为811v左右，环路阻抗要小于2k（600时比较合适），环路电流要在30ma左右。三极管q1的主要作用就是充当恒流源，需选用pnp型的三极管。本电路选取的是2n5401。而三极管q2的作用起到开关的作用,当加高电平时,处于饱和导通状态,当低电平时,处于截止状态.本电路取出2n55513.3 dtmf接收电路3.3.1 dtmf信号dtmf双音多频信号是目前在按键电话(固定电话、移动电话)、程控交换机及无线通信设备中广泛应用的一种信号。它是一组由高频信号与低频信号叠加而成的组合信号,ccitt和我国国家标准都规定了电话键盘按键与双音多频信号的对应关系，如表1所示。在表中显示,电话键盘上的任何一个键都由两个都互不为谐波关系的频率组成，因此每一个按键对应的一组频率都能够唯一地被辨认出来。 每个号码所对应的两个频率互不为整数比。高频率群中的最高频率1633hz为备用频率，这样就变为7中取二的方式，只有12个号码。这12个号码代表阿拉伯数字“0”“9”以及符号“*”和“#”，通常这12个号码足够用了。其中符号“*”、“#”用于表示特殊功能，如“重发”、“暂停”等。如按“5”时高频群频率1336hz与低频群频率770hz同时输出。采用十六键时高频群频率1633hz系备用频率，（a）（d）预定为数据通信等其它功能。表1 mt8870数字编码表flowfhighkeytoeq4 q3 q2 q169712091100016971336210010697147731001177012094101007701336510101770147761011085212097101118521336811000852147791100194112090110109411336*110119411477#111006971633a111017701633b111108521633c111119411633d10000any0zzzz3.3.2 dtmf解码芯片mt8870 dtmf信号接收器又称为dtmf解码器，它的功能是把dtmf信号变换为二进制数字信号。利用这些数字信号借助逻辑电路进行控制，在程控电话系统中它往往接在交换机中。目前双音多频产品多属于cmos 集成产品，国际上一些主要器件产品厂商或公司均有代表性的dtmf接收器。如mitel公司mt8870、m8870、mh88305与mk5091等。这些dtmf产品集成度高、体积小、抗干扰能力强，并且中间传输的是两个音频信号，最后输出的是二进制编码信号，便于与微型计算机接口。 本系统选取的mt8870是mitel公司生产的dtmf信号接收器，是coms大规模集成电路芯片， mt8870的内部集频带分离滤波器与数字解码功能为一体，滤波部分用开关电容技术，分成高频群及低频群滤波器，解码器使用数字计数器技术检测把全部16个dtmf音调解码成四位二进制码。由于它内部有差动放大器、时钟振荡器和锁存三态总线接口，所以减少了该集成电路外部器件的数目。其它内部结构见附录。3.3.3 mt8870 各引脚功能简介1）mt8870 各引脚的的分布情况如有图3.3.3所示。2）引脚功能如下：in+：为运算放大器同相输入端；in-：为运算放大器反相输入端；图3.3.3 mt8870的引脚分布gs：为增益选择，它为内部运算放大器的输出端与前端连接反馈电阻提供通道；vref：为基准电压输出端，标准值vdd/2用来给内部运放输入端加偏置；inh、pwdn：为内部连接端，大多接到vss。osc1、2：分别为时钟输入端及时钟输出端，这两脚之间接一个3.579545mhz的石英晶体组成内部振荡电路。vss：为负电源输入端，大多数情况该端接公共地。toe：为三态输出使能输入端，该端为逻辑高时使能q0-q3有输出。q1-q4：为三态数据输出端，当toe为使能时，提供与最接近接收到的有效音调对相对应的四位二进制码。std：为延时导引输出端，当一个被收到的音调对已被寄存并且锁存器的输出已被校正时，该端为逻辑高，当st/gt端电压降到低于vrs时，该端转换为逻辑低。est：为早期导引输出端，表示有效音调频率的检测。一旦数字算法检测到一个有效的音调对（信号状态），该端就出现高电平，信号状态的任何减小将导致est转换为逻辑低。st/gt：为导引输入/保护时间输出。它是一个双向端，std检测出一个大于vtst的电压，器件寄存所检测到的音调对并校正锁存器输出；std端检测出一个小于vtst 的电压，器件自由地接收一个新的音调对。gt输出的作用是重复外部导引时间常数。vdd：为正电源输入端，规定vdd 为5v。3.3.4 mt8870芯片与单片机的接口电路1）mt8870与at89c51单片机的接口图2）中央处理器at89c51简介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。 at89c51的特点 at89c51具有以下几个特点：at89c51与mcs-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；1288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。 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mcs-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。图3.3.4 at89c51芯片引脚分布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,与8751/87c51的12v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（2.7v6v），全静态工作，工作频率宽在0hz24mhz之间，比8751/87c51等51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。 at89c51引脚功能at89c51单片机40引脚分布如右图3.3.4。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,与8751/87c51的12v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（2.7v6v），全静态工作，工作频率宽在0hz24mhz之间，比8751/87c51等51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。表2 p3口的第二功能3）mt8870是双直插式dtmf信号接收处理专用集成电路。 mt8870电路的基本特性是实现dtmf信号分离滤波和译码功能，输出相应的16种dtmf频率组合的4位并行二进制码（如表1所示）。电路输出的二进制码q1q4由数据输出允许端toe控制。toe为高电平时，q1-q4输出与当前输入的dtmf信号相对应的二进制码；低电平时，q1q4端呈高阻状态。运放和r2、r4、c1组成一反相放大器，对输入的dtmf信号进行隔离放大，其增益k=r2/r5，改变r2的值可变增益的大小，但增益不宜过大，一般k值取为15，输入的dtmf信号的幅度应在27.5883mv之间。4端为vref为基准电压输出端，取值vdd/2=2.5v。 （详细连接方法，见图3.3.5，mt8870与单片机的接口技术） 图3.3.5 mt8870与单片机的连接图 输入的dtmf信号经mt8870解调后，在std端产生一个控制输出信号，该信号输出端与单片机at89c51的外部中断输入端int1相连，当该信号发生由1到0的跳变时，中断标志ie1（中断安排为下降沿触发方式），设置中断标志为1，当at89c51响应中断后，产生一个rd信号，经相反之后使mt8870的toe端产生一个高电平脉冲信号，该信号使mt8870的数据输出端q1q4由原来的高阻状态变为与当前输入的双音频信号相对应的二进制编码信号，at89c51通过p1口将该二进制数读入并保存在数据ram区。3.4 语音提示电路设计基于dtmf远程控制系统利用语音提示电路实现用户和系统之间的交流。用户在语音的提示下进行操作。首先存储若干段系统提示音，由单片机判断用户输入的信息，在对语音提示电路进行寻址,播放相应的提示音，提示用户进行下一步操作。3.4.1 isd4004芯片介绍1）isd4004性能isd4004是美国isd公司制造的一种新款语音芯片。与isd其它系列语音产品不同的是，isd4004是一种微控制器“从”设备，而“主”控制器可以是内置有spi兼容接口的微控制器，也可以用i/o仿真spi通信协议。该芯片的所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（spi或microwire）送入。它采用了“多级存储”等专利技术。该系列的特点是录音时间长。它的片内含大容量的flash memory(2840k),一片电路就能实现最长达16分钟的录放音。根据存储时间不同，同一系列的型号芯片的性能也有不同，表3所示。表3 isd4004系列型号与性能对照表isd4004系列工作电压为3v，单片录放时间为816分钟，音质好，适用于移动电话及其它便携式电子产品中。其工作电流的典型值为：放音时，icc=25ma；录音时，icc=30ma；静态电流只有1a。存储语音信息能保留100年，可录放语音10万次。通过串行外设接口spi与单片机连接，可实现对语音芯片更加灵活的寻址和控制，同时减少芯片的引出端数，提高了芯片的使用灵活性。由于声音录放采用了chip-corded 专利技术,即声音无须a/d转换和压缩就可直接存储,不存在a/d转换误差,在一个记录位(bit)可存储多达250级声音信号,相当于通常a/d技术记录容量的8倍。片内集成了晶体振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、声音功率放大器等,只需很少的外围器件,就可构成一个完整的声音录放系统。其内部结构见附录。2）isd4004芯片引脚功能描述 isd4004芯片的引脚图如右图3.4.1所示 isd4004芯片的引脚说明如下：vcca,vccd：供电电源端3v，而且为了使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。模拟、数字信号电源正端。图3.4.1 isd4004引脚分布vssa,vssd：接地线端。芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。anain+：录音信号同相输入端，输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰值32mv,耦合电容和本端的3k电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰值16mv。anain-：录音信号反相输入端，信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰值16mv。aud out：音频输出端，可驱动5k的负载。mosi：串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供isd输入。miso：串行输出端，isd未选中时,本端呈高阻状态。sclk：时钟输入端，由主控制器产生,用于同步mosi和miso的数据传输。数据在sclk上升沿锁存到isd,在下降沿移出isd。int: 中断输出端，本端为漏极开路输出。isd在任何操作(包括快进)中检测到eom或ovf时,本端变低并保持。中断状态在下一个spi周期开始时清除。中断状态也可用rint指令读取。ovf标志指示isd的录、放操作已到达存储器的末尾。eom标志只在放音中检测到内部的eom标志时,此状态位才置1。rac：行地址时钟，漏极开路输出。每个rac周期表示isd存储器的操作进行了一行(isd4004系列中的存贮器共2400line)。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,rac的218.75s的高电平,31.25s为低电平。该端可用于存储管理技术。xclk：外部时钟输入端，不用时必须接地。autcap：自动静噪端，用于当没有信号时自动减少噪音。大信号不衰减时，静音衰减6db。3）isd4004与spi总线的接口技术数据传输有串行和并行数据传输两种方式。长期以来，并行数据传输以其高速度而十分广泛的应用于各种设备，如cpu、ram和打印机等；串行数据传输仅在远距离数据上占据一定优势。随着集成电路制造工艺的发展，器件的速度大为提高，串行传输的速度的限制，因此出现了大量带串行外围接口的集成电路。这些芯片与并行接口芯片相比，具有引脚少，芯片体积小，接口线少等优点，它的应用范围也越来越广泛。由于isd4004通过spi接口传送数据，spi总线即（serial peripheral interface串行外设接口）是motorola公司推出的一种串行扩展接口,是全双工同步通信口。它可以使mcu与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。如外围设置flashram、网络控制器、lcd显示驱动器、a/d转换器和mcu等。 spi总线组成spi接口一般使用4条线：串行时钟线（sck）、主机输入/从机输出数据线miso、主机输出/从机输入数据线most和低电平有效的从机选择线ss(有的spi接口芯片带有中断信号线int、有的spi接口芯片没有主机输出/从机输入数据线mosi)。由于spi系统总线一共只需34位数据线和控制即可实现与具有spi总线接口功能的各种i/o器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、816位地址线、23位控制线，因此，采用spi总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和i/o口线，提高设计的可靠性。spi组成的系统如下图所示。主控器sclkmisomosi器件1器件2cs1cs2图3.4.2 spi系统组成原理图图3.4.2 spi组成的系统利用spi总线可在软件的控制下构成各种系统。如1个主mcu和几个从mcu、几个从mcu相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主mcu和1个或几个从i/o设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用1个mcu作为控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位（msb）在前，低位（lsb）在后。spi总线接口系统的典型结构如上图所示。当一个主控机通过spi与几种不同的串行i/o芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过mcu的i/o端口输出线来实现。但应特别注意这些串行i/o芯片的输入输出特性：首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。否则mcu的miso端只能连接1个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因此只有在此芯片允许时，sck脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，sck对芯片无影响。若没有允许控制端，则应在外围用门电路对sck进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在spi总线上连接1个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。因此可以利用片选线实现多机通信或扩展多片spi芯片，在启动一次传送时由主机产生8个脉冲传给从机作为同步时钟，数据由串行数据输出端移出，由串行数据输入端移入，其典型的时序图如下图3.4.3所示。图3.4.3 isd4004工作时序图由于isd4004提供了spi的串行接口，因此用户可以通过单片机实现对该芯片的操作、工作模式设置及寻址，从而完成之间的数据交换。为了能够正确地交换数据，spi串行外设接口必须遵循一定的数据传输协议。该协议具体如下：ss（1） 所有串行数据传输从ss端下降沿开始。 端在传送工程中应一直保持低电平，在指令间为高电平； （2） 时钟信号在上升沿时锁存输入数据，时钟信号在下降沿时输出数据；ss（3） 录/放音操作起始于 变低，并通过miso给isd器件输入操作码和地址，具体的操作码如下表3所表示；（4） 操作码有五位，地址码十一位；（5） 每个操作（包括信息快速检索）结束，出现eom标志或溢出时，将产生一次中断。当下一个spi周期开始时，此中断被清除，信息快速检索允许用户跳过信息，直到遇到eom标志，内部地址指针加1；（6） 中断数据从isd器件的miso端输出的同时，控制码及地址信号也从mosi 端输入。读出中断数据和启动一个新的操作； （7） 运行位（run）置1启动操作，置0时结束操作可在同一个spi周期内完成；（8） 所有操作都在端上升沿开始执行的。表3 isd4004 spi接口指令表spi接口的控制位 spi的接口控制位如下图3.4.4所示ovfeom p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 0 0 0c4 c3 c2 c1 c0 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0misomosimessage cueing(mc)ignore address bit(iab)power up(pu)play/record(p/r)rum图3.4.4 spi端口控制位mosi主设备输出,从设备输入miso主设备输入,从设备输出；ovf溢出标志；eom信号结束。iab：忽略地址控制位。iab=1时 ，忽略地址寄存器a10a0位；iab=0时，使用a10a0位操作，即当iab置0时录放音操作从地址a9a0开始，为了能够连续录放音，iab应在一行结束之前置1。否则，isd芯片将在同一个语音段重复操作。这个特点在语音提示类产品中非常有用。同时，行地址时钟端与iab配合使用进行存储管理。mc：使信息检索。mc=1时，使能信息检索；mc=0时，取消信息检索。pu：上/断电选择。pu=1时，上电；pu=0时，断电。p/： 录/放音选择。p/ =1时，放音；p/=0时，录音。 run： 启动停止操作。run=1时，启动；run=0时，停止。 p10p0：行地址寄存器输出。a10a0：输入地址寄存器。 isd4004与单片机的接口技术由于isd4004是在单片机的控制下实现工作，因此单片机必须实现模拟spi总线的工作方式，同时对isd4004工作状态进行查询（如操作是否达到某一地址的末尾、存储器是否溢出）可以选用单片机的6个io口分别与isd4004的miso、mosi、intcscsintsclk、 和rac、 相连，其中 是用作器件的片选信号，miso、mosi、sclk、 用于和单片机的数据通信，控制isd4004的语音提示播放及查询等功能。如下图3.4.5为isd4004语音芯片与单片机的连接情况。图3.4.5 isd4004语音芯片与单片机的连接图4 系统程序设计4.1 系统流程图系统流程图如下图图4.1初始化start振铃声5次到了？摘机、开0中断调用语音子程序1密码输完了？n密码正确？调用语音子程序3输入被控设备编号？查询设备是否on？调用语音子程序4输入控制码？输出驱动调用语音子程序6继续控制？调用语音子程序5nn调用语音子程序2挂机调用语音子程序7挂机nnyyyyny4.图4.1.1系统流程图4.2 各功能模块软件设计4.2.1 解码电路数据提取程序关于mt8870芯片的各引脚的功能和相关的解码电路在前一章的硬件电路己经介绍，其工作时序图如图4.2.1，其芯片的内部结构见附录。只有当芯片的反相的输入端有音频信号的进来时，经过一段时间延时以后，在这一时间是系统的传输延时时间，其内部的数字检测算法，检测到音频信号时，est端就出现高电平，随后st/gt经过了一段电容充电的上升时间，这时，st/gt端的检测出大于该芯片的内部参考电位vtst时，st/gt马上跳变为高电平，这时再经过编码、转换、锁存在内部的寄存器后，这时std端变为高电平，且是随st/gt端的电压低于vtst就变为低电平，也表明了该芯片的解码工作己经结束。所以我们利用std的下跳变作为单片机外部中断int1的信号源，当std有下降沿到达时，产生外部中断。其解码以后的中断服务子程序（数据接收程序）如下，同时toe端是内部芯片三态门的使能控制端，为高电平有效。表明允许接收数据。图4.2.1 mt8870的工作时序图421 mt8870的工作时序图解码中断服务程序：mt8870: setb toe mov p1,#0fh mov a,p1 anl a,#0fh mov r0,a cjne a,code#,back setb signal# clr ex0back : inc r0push a reti4.2.2 isd4004的地址分段特性和单片机寻址isd4004芯片尽管提供了地址输入线，但它的内部各信息段的地址却无法直接读出。通常情况下只能使用isd器件提供的不许要知道地址的操作模式，这无法满足复杂或实时操作使用的要求。为实现这些应用，最好使用地址的直接操作。isd分段地址不是通常意义上的字节地址单元，而是信息的基本组成单位，isd4004的内部有2840k字节的flash memory存储单元，总共可以规划为2400行。每个地址单元指向其中的一行，具有2400个地址单元。isd4004的录放时间为960s，因此它的分辨率为400ms。isd器件可以进行多段录放操作，每一段称为一个信息段。一个信息段由起始地址指针（msp）指定、记录数据和信息结束标志（eom）三部分组成。一个信息段占用一行或多行存储空间，可以包含多个地址单元；一个地址单元最多只能作为一个独立的段。因此，isd4004最多可以分为2400段。isd系列芯片可由开发人员或用户任意录制、播放需要的一段或几段语音等。在听觉表达中最复杂的就是语音的组合，它是将用户预存的多段语音选择顺序连续播放，将字或词素组合成一句话、甚至一段话播放出来，从而实现最准确、定量的语义表达，例如“欢迎使用家电远程控制系统，请输入密码，以#号结束。”、“对不起，你的输入有误，再见。”等。 isd4004是采用模拟存取技术集成的可反复录放的960秒语音芯片，掉电后语音不丢失，最大可分2400段，最小每段语音长度为400ms，每段语音都可由地址线控制输出，每400ms为一个地址，由a0-a10的地址线控制。用户录制的语音每一段结束后芯片自动设有段结束标志（eom），芯片录满后设有溢出标志（ovf）。如果用单片机等控制电路按某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志（eom）即自动停止放音，单片机收到段结束标志（eom）就开始触发下一段语音的起始地址，如此控制，即可以将很多、不同段的语音组合在一起成一句话放音出来，实现语音的自动组合。 这种控制方式有较强的通用性和方便性，它不需要事先规定每段语音的时间长度、总段数，甚至不需要知道每段语音在isd4004芯片上的具体地址，只要用户记住录入语音的段顺序即可控制各段语音的自由组合。 首先，单片机89c51控制isd4004语音芯片从头至尾放音一遍，它会将语音芯片中的每一段语音的起始地址都记录下来，即完成了芯片搜索操作。然后，用户可按照rs232标准串口协议向单片机的rxd端发送合成指令，单片机即将合成命令翻译成对应的语音芯片中各段语音的起始地址并控制语音芯片发出需要的语音，一段结束后立刻又播发需要的下一段，如此将一句话合成“说”完。在单片机的tdx端将作为忙信号端使用，当有语音输出时该端将保持低电平，空闲时为高电平。单片机遵循标准5v的rs232串口协议方式（tdx、rdx双线，串口方式一、无校验），协议如下：串口速率： 4800 bit/s引导码：aa aa静音延迟0.5秒：dd （在一句话中停顿一会，起逗号作用）句结束放音存储码：ff ff （立刻语音合成放音）tdx端放音忙信号：低电平有效 （ 空闲为高电平，语音合成放音期间变为低电平输出。）数据码：码址与语音段位序号对应，如00为第一段，01为第二段，02为第三段，.每句话最多100段。4.2.3 单片机控制语音芯片内部地址的获取根据isd器件的地址形成和分段特性，我们可以连续录入多段信息，不用考虑各段的地址；录制完毕之后，在播放过程中根据器件的输出信号，确定各段的起始地址和结束地址。在使用中，我们利用89c51的内部定时器进行计时，使用了外部中断捕捉eom跳变信号。为提高计时的精度，使用了自动重载的工作模式，定时器在每个定时周期结束之后立即重新装入初值开始计时。使每个定时周期之间没有隔离。在这种模式下，定时器是8位工作状态，最大计时周期不到0.6ms，为产生400ms的定时周期，采用多次定时产生一个周期的方法。每个定时周期设定为0.5ms，800次产生一个400ms的周期。播放遇到eom标记，eom引脚信号变底持续50ms之后变高；isd器件的播放一直到eom由低电平回到高电平。由于89c51外部中断的触发信号是高电平到低电平的跳变。每次播放之前，开放定时和外部中断。开始播放时，启动定时器。播放结束时，引发外部中断，停止定时器计时。在此之前，每个400ms地址计数器值加1，一直到播放结束为止。此时，地址计数器当前值与起始值之差值就是该段所占用的地址单元数；从而在起始的基础上计算出结束地址。isd4004的录放音控制实现都是利用软件使单片机的i/o口模拟spi的工作通信协议，在指令的控制下，实现16分钟录放音。其中程序和和流程见附录。4.2.4 单片机的spi口的模拟系统初始化片选产生时钟下降沿，使isd器件输出一位数据保存数据产生时钟上升沿，isd器件输入一位数据传输完成？返回产生时钟上升沿，isd器件输入一位数据yn 图4.2.4 spi接口模拟流程图由于at89c51单片机不具有spi接口，因此我们必须用软件来模拟spi接口通信协议。具体做法是：用四个普通i/o口分别与isd器件的miso 、mosi、sclk和ss端相连，其中与sclk相连的i/o口负责提供时钟脉冲。所有的串行数据传送从ss脚下降沿开始，在传送过程中ss端一直保持低电平，指令期间为高电平。始终上升沿数据输入isd，时钟下降沿数据从isd输出。用软件模拟spi接口时，时序一定要正确。at89c51单片机的指令执行时间为1us(12mhz晶振时)，而isd4004芯片的spi时在ns级的，所以用nop指令满足大部分时延的要求。其流程图如上图4.2.4所示.4.2.5 系统程序 下面为总的具体主程序流程和程序部分。见附录。5 产品制作与调试5.1 产品的制作5.1.1 pcb板的设计流程由于制作样品的是单面板，下面给出pcb板制作的总体流程。开始原理图绘制生成网络表文件电气测试定义板框各类参数设置载入网络表和元器件封装元件布局布线规则设定自动布线手动调整输出图表结束图5.1.1 pcb设计流程图5.1.2 dtmf远程控制装置的pcb设计1）原理图绘制 产生原理图：在进入protel 99后，建立一个数据库文件如取名为mydesign.ddb。然后进入该数据库，打开文件夹documents，打开编辑栏。在该编辑栏的空白处单击鼠标右键从弹出的