（控制理论与控制工程专业论文）智能型无主机防爆扩音对讲电话系统的研究.pdf

abs t ract m o s t o f t h e p r e s e n t l y - u s e d t e le p h o n e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s t h e c e n t r a l - s w i t c h i n g o n e w h i c h a d o p t s t h e s t a r t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e and w h o s e u s e r s e t s a r e c o n n e c t e d t o t h e s w i t c h t h r o u g h t h e i r r e s p e c t i v e t e l e p h o n e l i n e s . t h e w h o l e c a l l i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m i s j u s t l i k e t h a t t h e c a l l in g p a rt y c a l l s t h e c a l l e d o n e t h r o u g h d i a l i n g , a n d t h e n t h e c a l l e d p a rt y p i c k s u p t h e t e l e p h o n e a ft e r h e a r i n g t h e r i n g . t h e s y s t e m h a s s u c h d i s a d v ant a g e s a s f o l l o w s : 1 . t h e w i r i n g i n s t a l l a t i o n i s c o m p l e x and t h e e n g i n e e r i n g c o s t i s h i g h 2 . t h e c o s t o f t h e t e l e p h o n e l in e s i s h i g h , w h i l e t h e u t i l i z a t i o n f a c t o r o f t h e m i s l o w . 3 . t h e s y s t e m i s n o t v e ry r e l i a b l e . 4 . t h e d i a l i n g i s s l o w and t h e s y s t e m c an t e n s u r e t h e c a l l i n g p a rt y f a s t and a c c u r a t e ly p u t t h r o u g h t h e c a l l e d o n e w h o i s a s k e d f o r r e c e i v i n g . 5 . t h e b e l l r in g i s s o l o w t h a t t h e w o r k e r s c an t h e a r i n t h e la r g e - s c a l e d w o r k i n g s p a c e w i t h s t r o n g n o i s e . i n ano t h e r w a y , t h e p r e s e n t l y - u s e d t e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m c o m m o n l y h a s n t t h e f u n c t i o n o f e x p l o s i o n - p r o o f . s o m e c e n t r a l - s w i t c h i n g s y s t e m h a s t h e f u n c t i o n o f a m p l i f y i n g c a l l , h o w e v e r , t h e s y s t e m h a s s u c h d i s a d v a n t a g e s a s c a l l i n g t h r o u g h d i a l i n g and s o o n . t h o u g h t h e w ir e l e s s in t e r c o m c an b e u s e d t o r e a l i z e in d u s t r i a l c o m m u n i c a t i o n , y e t i t e x i s t s t h e r e q u i s i t i o n s o f s u c h a s a p p l y i n g f o r f r e q u e n c y p o i n t s and c o m m u n i c a t i n g w i t h o n l y t h e p e o p l e w h o c a r ry i n t e r c o m s . wh a t s m o r e , t h e q u a l i t y o f t h e c o m m u n i c a t i o n b y i n t e r c o m i s n o t i d e a l . t h e w o r k i n g s p a c e i n t h e f i e l d s s u c h a s o i l , c h e m i s t ry , m e t a l lu r g y , c o a l m i n i n g and m e d i c i n e a l w a y s r e q u i r e s a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w h i c h c an m a k e s u r e t h e c a l l i n g p a r ty s h o rt l y and e a s i l y g e t i n t o u c h w it h t h e c a l l e d o n e i n t h e i n fl a m m a b l e and e x p l o s i v e , l a r g e - s c a le d and s t r o n g - n o i s e d w o r k i n g s p a c e . a l l t h e a b o v e s y s t e m s c an t s a t i s 勿t h e r e q u i s i t i o n s , s o a n o v e l t y p e o f i n d u s t r i a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s h o u l d b e d e v e l o p e d . t o a d o p t t h e t e c h n i q u e o f t h e m u l t i - c h a n n e l s s h a r i n g i s a n e ff e c t i v e m e t h o d t o i n c r e as e t h e s y s t e m s c a p a c i t y and t h e u t i l i z a t i o n f a c t o r o f t h e c h a n n e l s . t h e b a s i c p r in c i p l e o f t h e m u l t i - c h a n n e l s s h a r i n g i s t h a t a l l t h e n c h ann e l s c a n b e u s e d b y a l l t h e m u s e r s ( m n ) . wh e n k ( k n ) 。当其中k ( k 3 5 d b ; 天津t业大学硕 上 学位论文 第_章工作原理及设计方案 4 、频率特性:3 0 0 - 4 k 1 i z ; 5 、扩音扬声器最大输出功率:3 5 w ; 6 、通信方式:无主机全双工通信: 7 、送话器:压电式、动圈式、驻极体式和碳粒式等多种; 8 、供电电源:交流 1 1 0 v , 5 0 h z ; 9 、电源功率:4 0 w ; 1 0 、工作坏境:易燃、易爆、大范围、强噪声的生产场所; 1 1 、防爆标志:d 1 i b t 5 ; 1 2 、环境温度:一 1 0 3 9 0c。 2 . 3 . 3 主要工作过程 智能型无主机防爆扩音对讲电 话系统可以实现扩音呼叫和电话对讲功能。 其 工作过程如下: 主叫用户摘机后， 按住扩音对讲话机的扩音按钮，主叫话机就在 扩 音绳路 k( 即 l)上发送扩音开始信令。其余话机接收到扩音开始信令后， 接通各自的扩音电路的供电电 源并将扩音电路与扩音绳路 k 接通，也即启动扩 音电路， 进入扩音状态。 此时，主叫用户可以向被叫用户进行扩音呼叫。当主叫 用户松开扩音按钮、扩音呼叫完毕时，主叫话机先在扩音绳路 k上发送扩音结 束 信令， 同 时 被 按 一 定 的 顺 序 转到 一 空闲 的 通 话 绳 路l p 上， 并 在该 绳 路上 发 送 绳路占用信令， 通知其余话机该通话绳路已被占用， 然后等待被叫用户摘机应答。 其余用户话机检测到主叫用户己经扩音呼叫完毕后， 断开各自的扩音电路的供电 电源，并将扩音电路与扩音绳路 k断开，也即停止扩音。至此，系统完成了扩 音 呼叫 。 当 被 叫 用户 摘 机 后， 被 叫 话 机 先被 分 配 到 最 近 被占 用的 通 话 绳路l q 上。 如果主叫用户和被叫用户不是在同一绳路上， 被叫用户只需按一下扩音对讲话机 的叉簧开关， 被叫话机就将被分配到下一条使用的通话绳路上。 若双方还不在同 一 绳 路上， 被叫 用户 则 应 继 续 按 一 下 叉 簧 开 关， 直 到 双 方 在同 一 通话 绳 路 l , 上 为止。这时，双方就可以通话对讲，实现电话对讲功能。双方通话对讲完毕后， 主 叫 话 机 先 在 通话 绳 路l p 发 送 绳 路 释 放 信 令， 然 后 释 放 通 话 绳路l p e 当 所有的通话绳路都被占 用时， 主叫用户扩音呼叫完毕后，主叫和被叫话机 将被分配到扩音绳路k上，即把扩音绳路k当作通话绳路使用。这时，系统将 禁止所有其他用户的扩音呼叫， 直到扩音绳路被释放。 当占用扩音绳路的用户通 话完毕后， 系统会释放扩音绳路; 当占用扩音绳路的用户未通话完毕但已有通话 绳路被释放，此时在扩音绳路k上通话的用户将被转移到已释放的通话绳路上 通话，这时系统也会释放扩音绳路。 天津下业人学硕 卜 学位论文 第三章扩音对讲话机硬件设0 第三章扩音对讲话机硬件设计 3 . 1 扩音对讲话机硬件组成 智能型无主机防爆扩音对讲话机硬件由a t 8 9 c 5 1 单片机最小系统、 l s 2 8 5 a b 通话电路、 扩音电路、 馈电电源电路、 矩阵开关电路、 绳路信令检测电路、摘挂 机检测电路、扩音呼叫检测电路、 “ 看门狗”电路以及供电电源电路等组成，其 框图如图 3 . 1 所示。 图3 . 1扩音对讲话机硬件组成框图 3 . 2 a t 8 9 c 5 1 单片机最小系统 a t 8 9 c 5 1 单片机最小系统由a t 8 9 c 5 1 单片机及其周围电路组成，是整个扩 音对讲话机硬件的 核心。 它 将根据检测到的摘挂机状态、 扩音呼叫状态和各通话 绳路及扩音绳路状态控制矩阵开关电路动作， 完成呼叫、 扩音及通话对讲等任务 处理。 a t 8 9 c 5 1 是a t 8 9 系列单片机的重要产品之一。a t 8 9 系列单片机是a t me l 公司推出的低功耗、 高性能、 内 含闪电 存储器( f l as h m e m o r y ) 的8 位c m o s 系列 微控制器。 它以a t m e l 高密度不挥发存储技术制造，与工业标准m c s - 5 1 指令 系统和引脚完全兼容12 0 1 . 表3 . 1 所列为a t 8 9 系列单片机的主要产品。 天津丁业人学f ig ; 卜 学位论文 第三章扩音对讲话机硬件设计 表3 . 1 a t 8 9 系列微控制器 )s1.号存储器规模 说明 at8 9 c1 0 511 kx82 . 7 v, 2 0 脚封装 a丁8 9 c2 0 5 12 kx82 . 7 v, 2 0 脚封装 at8 9 c5 14 kx8含4 k 字竹 闪电存储器的8 o c 3 1 a t8 9 l v5 14 kx82 . 7 v ，含4 k 字 竹 闪电存储器的8 0 c 3 1 at8 9 c5 28 kx8 含8 k 字旧 习电 存储器的8 0 c 3 2 a t8 9 l v5 28 kx82 . 7 v ，含8 k 字竹 闪电存储器的8 0 c 3 2 a t8 9 s 8 2 5 28 kx8含8 k 字竹 闪电 存储器及2 k 字节e 2 p r o m的8 0 c 3 2 a t 8 9 c 5 1 具有如下特点: 1 、片内闪电存储器是电可擦除的; 2 、数据不易挥发，可保存1 0 年; 3 、编程/ 擦除速度快，全部4 k字节编程只需3 s .擦除约用 l o m s ; 4 、程序代码或数据可在线写入片内存储器，亦可通过常规的编程器编程; 5 、以静态逻辑设计而成，其时钟频率为 o h z -2 4 mh z 。它不一定要求连续 的时钟定时， 在等待内 部事 件期间，时钟频率可以降至o h z ; 6 、具有两种软件可选择的低功耗运行方式空闲和掉电方式; 7 、具有三种封装形式:p d i p . p q f p / t q f p 及p l c c . a t 8 9 c 5 1 芯片内部具有下列硬件资源: 4 k 字节闪电存储器， 1 2 8 字节 r a m, 犯条1 / o线，两个1 6 位定时/ 计数器，五源两级中断结构， 全双工串行口， 片内 振荡器及时钟电路等。 3 . 3 通话电路 通话电路主要由s g s - t h o m s o n ( 意法半导体有限公司) 生产制造的l s 2 8 5 a b 及其外围电路构成， 实现话音信号的发送、 接收以及侧音消除等功能， 其原理图 如图3 . 2 所示。 栩 天津下 业人学硕 卜 学位论文 第二章 扩高对讲话机硬件设0 i c 1 3 ls 2 8 5 ab i_ 日- 白 a s。 。 曰 生 月u c m % 一 c 9 c 1 3丁 尸 w 1 图3 .2 l s 2 8 5 a b通话电路原理图 3 .3 . 1 l s 2 8 5 a b芯片介绍 1 、概述 l s 2 8 5 a b是1 4 脚d i p塑封电 话用语音电路芯片。该语音电路以惠斯登电桥 电路为基础实现2 / 4 线变换，采用平衡输入，抗千扰性能好。片内含电压调整、 发送、 接收放大器。电压调整电路可根据线路电流的大小调整放大器的增益，以 实现线路语音电 平的自 动控制。 发送、 接收放大器通过平衡电桥接到电话线路上， 以保证足够的侧音损耗。 2 、主要特点 ( 1 )与电话网络的接口电路简单; ( 2 )采用平衡输入，抗干扰性能好; ( 3 )具有2 / 4 线转换功能; ( 4 )具有语音电平增益自 动调整功能; ( 5 ) 低谐波失真; ( 6 )额定工作电压 2 2 v ; ( 7 )工作温度范围一 4 0 - + 7 0 0c o 3 、引脚功能说明 l s 2 8 5 a b的引脚功能如表 3 .2 所示，引脚符号如图3 . 3 所示。 天津工业大学硕 : 学位论文 第三章扩 音对讲话机硬件设i i 表3 .2 l s 2 8 5 a b引脚功能 引脚 1 423, 1 34 657, 89, 1 0 】 1 、1 2 接收 放人 器输 出 端 线 路 阻 抗 调 y 端 电 源 负 正 端 直 流 调 整 a , 交 流 回 路 控 制 端 内 部 电 压 调，lb 器 偏 置 端 空 端 功能 送 话 器 输 入 端 接收 放人 器输 入 端 out r v i n a . i n a i nm ,c i n - .q、j，一ingn入 夕山v的002的闷 1，jqll6月1 out a ad t , v, r e g bi o p s 二 图3 . 3 l s 2 8 5 a b引脚符号图 4 、极限参数 l s 2 8 5 a b的极限参数如表3 . 3 所示。 表 3 . 3 l s 2 8 5 a b的极限参数 线路电压止向电流反向电流耗散功率存储温度范围 2 2 v1 2 0 ma一5 0 ma1 w一5 5 -1 5 0 0 c 5 、内部结构 l s 2 8 5 a b内 部由 接收放大部分、 如图3 .4 所示。 1 3 2 调节部分、发送放大部分及偏置部分组成 41 1 1 2 9 1 0 6 5 3 图3 .4 l s 2 8 5 a b内部结构 ， 勺 1 3 天津丁业人学硕 卜 学位论文 第三章扩音对讲话 机硬件设计 3 . 3 . 2 应用说明 l s 2 8 5 a b的发送放大器是差分放大器，9 脚和 1 0 脚可接动圈式送话器或电 磁式送话器。 发送信号由这两个输入端输入， 经放大后再送入复合管放大器， 放 大后由4 脚输出。 当线路电流增大时，自 动音量调节电路使放大器的放大倍数减 小，从而使送出的信号减弱。反之，则增强。 在2 脚和4 脚之间接一个电阻就使 复合管放大器变成了负反馈放大器，如图3 . 5 所示。因此，调整2 脚和4 脚之间 的电阻就可以调节电 路的阻抗，同时也能调节发送放大器的 放大增益2 7 1 2 8 l 图3 . 5 发送放大器连线图 这个负反馈是电压并联负反馈， 它的输出阻抗低，有可能使话机的交流阻抗 达不到平衡回损的要求。这时可以去掉交流负反馈，以 提高电话机的交流阻抗， 而又不影响它的直流工作状态。其连线如图3 .6 所示。 放大器的输出交流信号经 r 2 和c l 到地，不能经r 1 反馈到放大器的输入端，这样就消除了 交流负反馈。 图3 .6 消除交流负反馈的发送放大器连线图 发送放大器的输入可以是平衡对称输入，也可以是不对称输入。发送放大器 的接法，分别如图3 .7 ( a ) ,图3 .7 ( b ) 、图3 .7( 。 ) 和图3 . 7 ( d ) 所示。 图3 .7 ( a )和图3 .7 ( b )中的电容是抗高频干扰的。图3 . 7 ( c )中的r i 和 c 1 为驻极体送话器提供工作电源。c l 是滤波电容，r 2是驻极体送话器的漏极 天津丁业火学倾1 : 华位论文 第三章v音对讲4 t 机硬件设计 电阻， c 4 是祸合电容。 c 2 是抗高频干扰电容， r 3 和r 4 可以用来调整输入到送 话器输入信号的大小，c 3 是旁路电容。 r 2 日c 4 r 4 r 3 ! 1 3 1 0 3 图3 .7 送话器连接图 受话放大器也是差动放大器，自 动音量控制电路也是利用线路电流的大小来 实现音量自 动控制， 其原理与发送放大器一样。 受话放大器的输出端与受话器的 连接方式，分别如图3 . 8 ( a )和图3 . 8 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图3 名 受话器连接图 图3 .8 ( a )中的电阻r i 和r 2是受话器的匹配电阻。对动圈式受话器，r 1 和r 2 的典型值可取1 0 0 5 2 。改变r l 和r 2 的阻值可以改变受话灵敏度。 图3 .8 ( b ) 中的电阻r 3 是受话灵敏度调节电阻，当增大r 3 的阻值时， 受话 灵敏度降低;反之，则增大。 如果在 l s 2 8 5 a b的第6 脚对地之间接一个滤波电解电容，可以保证稳压器 对交流信号呈高阻。 为了使电话机具有较短的响应时间， 该电解电容的电容量不 应大于2 0 u f ，一般取i o u f 。第5 脚到地的电阻是偏置电阻，改变其阻值，可以 天津工业人学硕 l 学位论文 第三章扩音对讲话 机硬件设计 改变放大器的偏流， 从而改变发送放大器和接收放大器的增益。 该电阻的阻值应 当 在1 5 k k 2 到2 0 k k 2 之间选取2 5 1 侧音是指当话机送话时， 通过自 身电路回送到自 身受话器的话音信号。对于 受话来说， 侧音是一种干扰信号。当侧音太大时， 容易引起说话人心情烦躁和焦 虑不安3 7 1 。因此， 必须进行侧音消除。 消侧音电 路是由 外接阻容元件r i , r 2 , r 3 , r 4 和c 2 组成， 如图3 . 9 所示。 r 3 , r 4 和c 2 组成三元件平衡网络。这是标准的平衡电桥消侧音电路。如果把发送放 大电路用送话器的符号来代替， 线路阻抗用z , ( z . 实际上随线路长度和电缆类型 的不同 而有很 大的 变 化2 6 1 ) 来表示， 平衡网 络 用 乙 。 ( z ,。 一 r 3 + r 4 / / c 2 ) 来表 示， 则可以画出消侧音电路的等效电路， 如图3 . 1 0 所示。电阻r 2 / r l 的比值决定 了输送到线路上的信号大小。调整r 2 , r 3 和r 4 的阻值，当满足 ( 3 - 1 ) 式时可获 得最佳的消侧音效果。 z * 。 / z ， 二 鱼 r, ( 3 - 1 ) c r i r 2 d 图3 . 9 消钡 u 音电路 图3 . 1 0 消侧音电路的等效电路 3 . 4 扩音电路 天津丁 业人学硕 学位论文 第二帝扩 苗对讲话机硬件ix计 扩音电 路由 前级放大电 路 ( 由n e 5 5 3 2 构成) 、 后级放大电 路 ( 傻瓜 1 7 5 ) , 防爆扩音扬声器及工作电 源等组成，完成扩音信号的放大和输出，如图 3 . 1 1所 不 。 在无扩音呼叫时，傻瓜 1 7 5的工作电源是断开的。当有用户扩音呼叫时， a t 8 9 c 5 1 检测到后，马上控制闭合继电器j 1 ，接通傻瓜 1 7 5的工作电源，即启 动扩音电路，进入扩音工作状态。 斗伽 一 觉 厂az 了ic l5n e 553 2 甲c 5 5 扩h 信号 输入 一1盈 v -j |涟图 )一 s p r 9 川 ” 3 i ic 7 4_l串 丁丁丁 i c 、 丁c 3 7 艺柑 j ，了 砂 扩音电路 3 . 5 绳路信令检测电路 绳路信令检测电路主要由光电祸合器t l p 5 2 1 组成，完成绳路信令的接收， 如图3 . 1 2所示。当系统在绳路上发送绳路信令时， t l p 5 2 1 的第 6 . 8引脚将发 生电平跳变。单片机根据此两引脚的电平跳变便可检测到绳路信令。 t l p 5 2 1 光电 祸合器是由g a a s 红外发光二极管和硅光敏三极管组成，其输 出、 输入隔离电压高达2 5 0 0 v( 交流/ 分钟) ， 响应速度在饱和使用时超过l o k b l s , 发光二极管的正常工作电 流为 5 m a ，光敏检测器的集电极一发射极击穿电压可 达 5 5 v. 去绳路 接单片机 图3 . 1 2 绳路信令检测电路 摘挂机检测电路和扩音呼叫检测电路分别完成摘挂机状态和扩音呼叫状态 的检测， 在这里不作介绍。 “ 看门狗”电路完成系统上电复位和程序运行的监控， 至于对其较为详细的介绍请参见第五章。 天津工业人学硕 1 : 学位论文第四章系统软件设计 第四章系统软件设计 4 . 1 p l / m语言 p l / m ( p r o g r a m l a n g u a g e / m i c r o ) 语言 是一种面向 微处理器的结构化程序设 计语言。 它除了具有程序设计快、 可读性好、易于维护和扩充等一般结构化程序 设计语台 所具有的优点外， 还直接面向微处理器的内部结构， 所以用于应用系统 开发， 可以 得到一种不同于传统的用汇编语言 编程的开发方式， 能够极大地提高 应 用 系 统 的 开 发 效 率 18 1 2 11 4 . 1 . 1 p l / m语言的特点 微机开发系统是指开发以微处理器为核心的应用系统的软、 硬件综合开发工 具，目的是解决微处理器应用系统软件及硬件的开发。 因此， 一套完整的微机开 发系统也必须由软件系统及硬件系统组成。 微处理器应用系统的传统开发方式是 用汇编语言编程， 在完成编辑、 编译、 连接及软、 硬件调试后把目 标程序固化进 e p r o m 。在这种开发方式下，软件编程麻烦，维护及调试极为不便，且需花费大 量的时间， 因而不适合用来开发复杂的大型应用系统。 在这种方式下的开发主要 是应用系统软件的开发。 为了 缩短编程时间， 提高开发效率， 便出 现了p l / m , c , b a s i c . l a n d e s等 多种经过改进的、 直接面向微处理器的高级编程语言。 这些高级语合都支持结构 化编程方法。 在经过编辑、 编译、 连接及定位后即可得到所开发的应用程序的目 标代码。 p l / m语言 是 i n t e l公司专门为开发该公司的微处理器而配备的一种高级语 言 。 它比其它高级语言更加面向 微处理器， 用它编译所得到的目 标代码效率及内 存分配水平不亚于熟练程序员用汇编程序编译所得到的目 标代码效率及内存分 配水平。 p l / m 具有如下优点: 1 、具有变量、数组、结构、基址变量 ( 即指针变量)等丰富的数据结构， 而且这些变量都 可以 直接由 编译程序自 动分配于内 部r a m单元及外部 r a m单元 中，并且对内部r a m 单元的位寻址区具有丰富的位操作功能。 2 、编译后的目标代码先初始化堆栈指针及选择寄存器组，然后再进入主程 序，完全不需要人工千预。 天津工业人学硕 学位论文第四章系统软件设计 3 、模块之间的变量除公用变量外，其余变量均可实行覆盖。 4 、编译程序具有四级代码优化功能。 由于上述这些优点，用 p l / m语言编译所得到的目 标程序占用比较少的内部 r a m 单元，具有最优的目 标代码以及最优的实时性能，因而适用于开发复杂的大 型应用系统。同p l / m语言 相比，其它高级语言 在这方面存在许多不足之处。这 主要是因为其它高级语言本身大都是面向编译器， 即使是面向微处理器， 它所面 向的微处理器一般同所开发的应用系统的微处理器型号也不一致， 必须经过改造 以后刁 能面向所开发的应用系统的微处理器， 因而在所得到的目标代码等方面仍 具有自身的特征及局限性。 例如c 5 1 就具有以下 缺点: 1 , r a m 单元开销量大。一般变量均为双字节， 变量分配没有覆盖功能。另外 堆栈使用量也较大。这些都使c p u内部r a m 单元一般满足不了要求。 2 、生成的代码长。这是因为其代码的生成没有经过优化，并且其编译器面 向c p u ， 代码虽无经过面向操作系统的编译器编译所生成的代码所具有的冗长接 口 ( 一般的高级语言的编译器均是面向操作系统) ，但是由于 c语言 程序是由函 数组成， 编译器在生成代码时在每个函数的调用及返回的地方都要安排预处理程 序进行现场保护，从而使代码大为增长。 3 、生成的 代码实时性差。 对具有一定规模、软件结构稍微复杂的应用系统， 一 般 采 用 的 是 扩 展 存 储 模 式( 中 、 大 模 式 ) ， 变 量 位 于 外 部r a m 单 元 中 ， 这 极 大 地限制了运行速度;并且x l 工 n k , x l 工 b , a 8 0 5 1 等都是支持8- 3 2 位多种微处理 器的单一通用编译软件，对 8 位的微处理器并非最优。 4 、编译器使用不方便。编译时，设计人员需要注意选择各种编译开关;连 接时， 需要自己定义各种参数， 稍有不慎将导致错误的结果，而且在数据段、 代 码段及堆栈段等的分配方面需要设计人员详细地了解硬件的配置状况。 所 以 说 ， 作 为 高 级 编 程 语 言 的 p l / m 语 言 具 有 汇 编 语 言 岌 一 般 高 级 编 程 语 言 无可比拟的应用优点，是应用系统开发中的一种极有效的工具。 4 . 1 . 2 p l / m的开发过程及特性分析 p l / m 5 1 语言 是用于m c s - 5 1 系列单片机的一种 p l / m 语言 版本，它除了具有 p l / m 语言的一般优点外，还配备有直接面向m c s - 5 1 单片机内部结构的编译器， 可以 直接用于m c s - 5 1 系列单片机应用系统的开发。 这种系列的单片机开发系统 典型组成如图4 . 1 所示。 a s m 5 1 编程开发方式是传统的开发方式。 这种方式与用p l / m 5 1 语言开发的区 天津丁业大学硕 : 学位论文第四章系统软件is计 别及联系如图4 . 2 所示。 r s - 2 3 2 p c 机键盘显示器 仿 真 电 刻 s i c e 仿 真 49 外设 用户电湃 1 仿真器电源 m c s - 5 1 系列单片机开发系统典型组成 鑫 靡 p l / m 5- 1 o iy -p l / m 5 1 f,r i, f1 ja s n 5 1 湃 程 序 nia s n 5 1 汇 编程 序 l n c e 、 的开 发 工具及其它产品 m p w w ) w e cm m m n - * 一l 图4 . 2 m c s - 5 1 应用程序的开发过程 使用p l / m 5 1 语言开发应用系统程序的典型过程如下: 1 、根据目 标系统的硬件配置情况，用p l / m 5 1 语言 进行程序设计。 2 、把编好的源程序在 p c 机上用 p l / m 5 1 编译系统进行编译、连接、定位及 调试， 排除一切语法错误后， 最后转换成a s c i i 码 ( 工 n t e l 十六进制格式) 文件。 3 、进入m c s - 5 1 单片机仿真运行中的监控状态，启动 p c机与目 标系统间的 通讯， 把步骤2 所得到的十六进制文件送入仿真器， 根据步骤2 中编译、 连接所 得到的p l / m 程序的变量地址份酉 己 信息对目 标系统进行软、硬件调试。重复步骤 1 -3 ，直至软、硬件完全达到要求为止。 4 、把所得到的目 标代码通过编程器固化，然后在脱离仿真器的情况下运行 目 标系统。 与传统的开发方式相比， p l m 5 1 开发方式采用高级语一言 编程代替繁杂的汇编 语言 编程，所以能大大地提高工作效率。 p l / m 5 1 及其编译系统除具有 p l / m高级语言的共同特性外，还具有以下几个 特征: 天津丁业大学硕 一 学位论文 第四章系统软件设计 、具有能够自 动分配内部1 2 8 b r a m 单元的功能，常用变量及数组均优先分 配于内部 r a m单元，不冲突的变量允许覆盖。 2 、堆栈区自 动定位于内部 r a m变量分配的最高区。若内部 r a m单元不够， 也可以人为地定义虚栈。 3 、内部r a m 单元、外部r a m 单元以及e p r o m区可以根据自己的需要分配。 但是，p l / m 5 1 毕竟是一种高级语言，在应用中存在以下缺点: i 、变量传递或算术运算的顺序是，( 变量单元)至 ( 累加器或通用寄存器) 至 ( 变量单元) 。即所有的数值传递都是通过分配的变量单元来实现的，而不能 充分发挥累加器或通用寄存器的直接存取功能。 例如某些运算本可直接通过累加 器或通用寄存器进行，但 p l / m 5 1 却要先分配变量单元，然后传递到累加器或通 用寄存器中进行。 2 、高级语言对两个变量单元不能直接进行x c h d , s w a p , c l r , s e t 等操作。 这些操作只能在其目 标代码中以子程序或宏代换的形式实现， 因此削弱了数据处 理的速度和代码的质量。 3 , p u s h , p o p 等堆栈操作只能在中断服务子程序中编译得到， 而其本身却并 无堆栈操作。 由于以上原因， p l / m 5 1 的代码转换质量与内存分配常常发生矛盾， 这影响了 其数据处理能力。为此，p l / m 5 1的编译系统允许高级语言 程序的目 标代码与汇 编程序的目标代码进行相互连接，这样就可以把那些实时性要求高、占用数据 r a m区大的部分程序及浮点运算部分程序用汇编语a 编写，从而使 p l / m 5 1 语言 更趋完善。 4 . 2 系统程序 系统程序采用p l / m 5 1 语台设计， 遵循程序结构化和功能模块化的设计思想。 整体程序包括三个主要模块: 主程序模块、 t o 中断服务子程序模块和t 1 中断服 务子程序模块。 4 . 3 主程序模块 主程序模块主要完成系统初始化、呼叫处理、扩音处理、应答处理以及其它 任务处理，其程序流程如图4 .3 所示。它主要包括系统初始化、呼叫开始处理、 呼叫结束处理、 通话对讲处理、 扩音开始处理、 扩音结束处理、 应答处理、 挂机 处理以及继电器测试等任务子程序模块。 天津下业人学硕 卜 学位论文 第四章系统软件改计 图4 .3 主程序流程图 4 . 3 . 1 / 系统初始化 系统的复位分为冷启动和热启动。冷启动是指上电复位。 冷启动后片内、外 r a m单元中的内容是随机的，所以 应根据系统的要求， 利用初始化程序将某些 内部r a m或外部r a m单元初始化到某个特定状态，然后再转入正常运行。热 启动是通过硬件复位电路给运行中的单片机的复位端一复位脉冲而实现的。 热启 天津工业人学硕 卜 学位论文 第四章系统软件设计 动后r a m单元中的内容都没有改变。 为了有效地保护系统热启动后的某些数据 资源，以有利于失控的系统能够快速恢复正常， 必须对一部分r a m单元的内容 给予保护，而对另一部分r a m单元的内容则进行初始化。 为了区分两种不同的启动方式，可以采用软件的方式， 也可以采用硬件加软 件配合的方式【 1 7 1 。 用软件区分两种启动方式的初始化程序流程如图4 .4 所示。 初 始化程序中关键的一点是利用单片机复位后 r a m 单元内容不变这一特点，在 r a m单元中指定一个单元作为冷启动标志单元。复位后的初始化程序通过检查 冷启动标志的有无， 从而判定现在进行的是冷启动还是热启动。 冷启动标志设定 为a 5 h ( 1 0 1 0 0 1 0 1 ) 。 图4 . 4 初始化程序流程图 4 . 3 . 2 呼叫处理 呼叫处理主要完成呼叫开始处理、呼叫结束处理和通话对讲处理，其程序流 程如图4 . 5 所示。 4 .3 .3/ 扩音处理 扩音处理主要完成扩音开始处理和扩音结束处理， 其程序流程如图4 . 6 所示。 4 .3 .4 应答处理 应答处理主要完成用户摘机而不呼叫时的任务处理，其程序流程如图4 . 7 所 不 。 天律下业大学硕 丁 学位论文 第四章系统软件设计 其它仟务处理主要完成挂机处理和继电器测试处理等任务。 图4 .5 呼叫处理程序流程图 图4 .6 扩音处理程序流程图 4 .4 t o 中断服务子程序模块 t o 中断服务子程序模块主要完成硬件检测任务， 它主要包括摘挂机检测、 扩 音呼叫检测、 通话绳路信令检测和扩音绳路信令检测等任务子程序模块， 其程序 流程如图4 . 8 所示。 天津t . 业人学硕 i - 学位论文 第四章系统软件 设计 图4 . 7 应答处理程序流程图 中断入 口 保护现场 t o 初值重新赋值 摘挂机检测 扩音呼叫检测 通话绳路信令检测 扩音绳路信令检测 恢复现场 中断返回 图4 . 8 t o 中断服务子程序流程图 4 .5 t i 中断服务子程序模块 天津工业人学硕 学位论文 第四章系统软件 设计 t 1 中断服务子程序模块完成失控后的系统程序的重新复位， 其程序流程如图 4 .9 所示。 中断入口 程序复位执行 图4 .9 t i 中断服务子程序流程图 1呀门j牡料盘 天津丁业大学硕士 学位论文 第五章系统抗十扰措施 第五章系统抗干扰措施 为了 保证智能型无主机防爆扩音对讲电话系统能够在恶劣的工业现场环境 中长时间正常、 可靠地运行， 系统在硬件设计和软件设计方面采取了多种抗干扰 措施。 在硬件方面采取了去祸滤波、 印刷电路板规范化设计及反电势抑制等措施。 在软件方面采取了数字滤波、 重复执行、主动初始化、 数字量输入的封锁、 模块 编号及软件 “ 看门狗” 等方法。 在硬、软件综合方面，设计了系统程序运行监视 系统。至于系统信令传输的可靠性措施将在第六章中叙述。 5 . 1 5 . 1 . 1 干扰及干扰对系统的影响 干扰源 干扰和噪声虽然含义相近，但是二者是有区别的。在模拟电路中，干扰是指 叠加在有用信号之上的噪声; 而在数字电路中， 干扰是指在某值以上的噪声。 对 不影响单片机应用系统正常运行， 在某值以下的噪声不能说是干扰。 噪声的存在 是绝对的， 只能减小而不能完全消除。 干扰的存在是相对的， 在一定条件下可以 完全消除 19 。噪声是产生干扰的原因， 干扰是噪声引 起的结果。 智能型无主机防爆扩音对讲电话系统存在着以下几种干扰源: i 、固有干扰源。固有干扰源是器件本身所固有的干扰因素，主要是由器件 的热噪声及散粒噪声引起。 2 、 人为干扰源。人为干扰源是指由人为的因素直接或间接造成的干扰。如: 继电器触点抖动、 元器件布局及连线引起的电磁藕合、 插接件接触不良、 焊点虚 焊、放大器自 激、电源纹波等。 3 、自 然界的干扰源。自 然界的干扰源主要指由雷电、地磁场、气温、太阳 黑子的变化等造成的干扰。 5 . 1 . 2 干扰窜入系统的渠道 千扰侵入系统的渠道主要有以下几条: 1 、供电系统。随着大工业的迅速发展，电路污染日趋严重，使之成为单片 机应用系统危害最大的干扰渠道。 2 、公共阻抗祸合。公共阻抗藕合干扰是指当两个或两个以上的功能电路的 天津下业大学硕 学位论文 第五章系统抗十扰措施 电流流过公共阻抗时， 在公共阻抗上产生的相互影响。 公共阻抗祸合带来的干扰 在电路中是常见的， 也是在电路设计时要特别注意的问题。电源的内阻产生的干 扰就是公共阻抗祸合干扰的一个突出事例。 任何电流都要流过电源内阻， 如果电 源的内阻很大， 这种相互影响的干扰可能使系统工作失常。因此，降低电源内阻 成为提高单片机应用系统抗干扰能力的重要措施之一。 3 、过程通道。过程通道是指前向接口、后向接口与c p u之间进行信息传输 的路径。山于单片机的主频越来越高，一般来讲，l m长的传输线就要当成长线 来处理。 传输线上的信息多数为脉冲波， 根据长线传输理论， 脉冲波在传输过程 中将要产生延时、畸变、衰变及通道干扰。 4 、空间干扰。空间干扰主要指电磁场在绳路、机壳上的辐射、吸收及调制。 该 干扰可来自 系统的内部和外部。 5 . 1 . 3 干扰对系统的影响 干扰按干扰对系统影响的部位可分为前向通道干扰、 c p u干扰和后向通道千 扰。 1 、前向 通道干扰的影响。单片机输入口 之前的电 路的作用是向c p u传送数 据、 各种状态或控制信号。 如果干扰窜入前向通道， 叠加在数据信号上， 会使处 理后的数据误差加大;叠加在各种状态或控制信号上，会使 c p u输出的控制信 号失常，从而破坏系统的正常运行。 2 , c p u干扰的影响。根据干扰窜入系统的渠道及受到干扰的数据性质的不 同， 对系统的影响可能是数据误差、 控制失灵、 改变程序运行状态或改变某些寄 存器( 如定时器等) 的工作状态等。 它可能造成系统工作紊乱甚至引起死机现象。 3 、后向通道干扰的影响。单片机输出口以后的电路一般都具有较高的信号 电平，不易受到干扰。需要注意的是它对其它功能电路的干扰。 抗干扰的硬件措施 去祸滤波 9口.l .2 二dls 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源干扰。 特别在数字电路中，当电 路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电0 $ 线上产生一个很大的尖峰电流， 形成瞬变的干扰电压。 利用电容、 电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的 干扰。 天津t业大学硕 卜 学位论文 第五章系统抗十扰措施 为了去藕滤波， 可以在印 刷电路板上电源线的输入端并联两个电容， 如图5 . 1 所示。 其中的电解电容是为抑制电 源噪声中的低频分量; 而小电容则是为抑制噪 声中的高 频分 量。 如果 在电 容 的前面再 加上 一 个电 感， 则滤 波效果会 更好(3 4 1 。 若 需要的话， 电感可以自制， 其方法是在一个几十q的金属膜电阻上用漆包线朝一 个方向缠绕 ( 可多层) ，然后再把漆包线的两端分别焊在电阻的引脚上。 为了 进一步提高输入直流电 源的质量，在电路设计中，在每个集成电路芯片 的直流电源输入端都接有o . l u 的小电容进行去祸滤波。 印刷电路板 图5 . 1 电源去藕滤波电路 5 . 2 . 2 印刷电路板设计 在印刷电路板中，任意两条导线的数学模型如图5 . 2 所示。这里 r表示单线的电阻; l 表示单线的电感; c表示线间的分布电容; r n 表示线间的绝缘电阻; m表示线间的互感。 r l c 牛日r n 图5 . 2 任意两条导线的数学模型 因此，印刷电路板设计、 布线及地线系统对系统抗干扰性能有着不可忽视的 影响 1 9 1 。 尽 管有时 原 理电 路正 确无 误， 仅因为印 刷电 路板设 计、 布线或接地不妥 可能使整个系统无法正常运行。 1 、印刷电路