（机械设计及理论专业论文）智能家居服务器监控系统的研究.pdf

摘要 随着生活水平的提高，居民对住宅的功能、质量提出了更高的要求，住宅质 量的内涵从单纯的施工质量向全方位的功能质量转变，因而智能住宅成为现代化 住宅的发展趋势。智能化住宅以其安全舒适、信息通畅、服务完善而深受住户的 喜爱。因此研究并开发出适合人们要求的智能化产品具有很重要的意义。 本课题开发的智能家居服务器是建立在单片机平台上的一套完整的家庭智能 化控制系统的解决方案。包括对现代家庭各种功能单元的状态检测、参数记录、 状态判别、自动控制等过程，这些控制过程将被集中在一起，既可以进行本地控 制，还可以按人们的需求实现远程控制。 在集中控制方面，可以完成家电的集中控制、自动抄表和家庭安防报警等功 能，即家居服务器通过与各个功能模块间的通信来进行统一的控制与管理，以便 完成相应的功能。 在远程控制方面，可以让人们即使出门在外也可以及时了解家中的情况。家 居服务器可以采用带有语音提示功能的电话远程控制、通过i n t e r n e t 的远程控制 等多种方案。本文主要介绍前一种的具体设计。 关键词：智能住宅；家居服务器；远程控制；本地控制 束鳋非警，? 帮霹豢 勿垒交叠蕾 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo ft h es t a n d a r do f l i v i n g ，p e o p l ep u tf o r w a r dt h eh i g h e rr e q u e s t t ot h er e s i d e n t i a lf u n c t i o n ，q u a n t i t y t h em e a n i n go fr e s i d e n c eq u a n t i t yc h a n g e sf r o m s i n g l e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y t oa l l d i r e c t i o n sf u n c t i o n q u a n t i t y , s oi n t e l l i g e n t h o u s e b e c o m e st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h em o d e m h o u s e p e o p l el i k et h ei n t e l l i g e n t h o u s eb e c a u s ei t sf u n c t i o n so fs e c u r i t y 、c o m f o r t 、e x p e d i t ei n f o r m a t i o na n dp e r f e c t s e r v e t h e r e f o r et h e r ei sv e r yi m p o r t a n ts e n s ei fa l li n t e l l e c t u a l i z e dp r o d u c tw h i c hc a n m e e tt h ed e m a n do f p e o p l e i ss t u d i e da n dd e v e l o p e d o u r i n t e l l i g e n th o u s e s e r v ei sa w a y f o ri n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o lb a s e do n s i n g l e c h i p i th a sm a n yp r o c e s s e si n c l u d i n g s t a t ed e t e c t i o n 、p a r a m e t e rr e c o r d 、s t a t e d i s t i n g u i s h i n g 、a u t o m a t i c c o n t r o la n ds oo n ，a n dt h e s e p r o c e s s e sw i l l b ec o n c e n t r a t e d t o g e t h e r t h e ym a y n o to n l yc a r r yo u tt h en a t i v ec o n t r o lb u ta l s ot or e a l i z el o n gr a n g e c o n t r 0 1 i no n e p o i n tc o n t r o la th o m e ，o u rs e r v ec a np e r f o r mt h r e ef u n c t i o n si n c l u d i n gt h e d o m e s t i ce l e c t r i cm o n i t o r i n g 、a u t o m a t i cr e a d i n go ft h r e em e t e r sd a t a 、t h es e c u r ea l a r m ， a n ds oo n t h es e r v ec a nc o m m u n i c a t ew i t ha p i e c ef u n c t i o nc e l l st or e a l i z ec o n t r o la n d m a n a g e m e n t i nr e m o t ec o n t r o l ，p e o p l ec a nk n o wt h es t a t u so fh o m et h r o u g hi t s e r v em a y a d o p tt h ec o n t r o lb a s e do nt e l e p h o n ew h i c hh a st h ef u n c t i o no fs o u n dh i n t a n dt h e r e m o t ec o n t r o lb a s e do ni n t e m e t t h i sp a p e rw i l lc o n c e n t r a t eo nt h ef i r s tw a yo f r e m o t ec o n t r o i k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n th o u s e ；h o m es e r v e ；r e m o t ec o n t r o l ；o n e - p o i n tc o n t r o l 1 绪论 1 1 国内外研究现状及发展趋势 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制 技术、信息技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。 这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量， 智能住宅也正是在这种形势下应运而生的。 智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最为迅猛的。继美国之后，欧洲、 日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展1 1 1 5 5 】。例如欧洲一个叫i n t e g e r 的组织于 1 9 9 8 年建造了一座智能建筑，它包括环保、节能、智能控制等许多特色。德国弗劳恩霍夫研 究会与1 l 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现了电子化和网络 化。在我国智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快，全国已建立了一些具有 一定智能化功能的住宅和住宅小区。 所谓的智能住宅是将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通 过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性 管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调口”。这些功能都是通过家居服务器来实 现的，家居服务器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提供各种服务功能，并能和住宅以 外的外部世界相连接。所以说家居服务器是智能住宅的核心，也有人将它比喻成人的大脑。 由此可见，家居服务器在智能住宅中的重要地位。 1 1 1 国外发展现状 在国外，智能家居常被称为“s m a r th o m e ”。目前，世界上许多计算机、通信、家电行 业的巨人都认识到它的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。c i s c o 、i n t e l 、n o r t e l 、m o t o r o l a 、 l u c e n t 、3 c o m 、i b m 、e r i c s s o n 和松下等公司都已开始建立智能信息家电和智能家居公司。 根据美国一家权威市场调查机构预计，到2 0 0 3 年，建设网络化家庭所带来的市场总值将高 达4 5 0 0 亿美元，其中3 7 0 0 亿美元是智能信息家电硬件产品的价值，其余是软件和技术支持 服务的费用【2 2 j 。 目前己出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有： ( 1 ) 美国的x - - i o 系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现各 种功能，目前在国内应用极少。这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广 的条件。首先它是基于美国的电力线环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次， 它的功能虽然强大，但是针对西方消费者的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；最后， 也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房地产商和普通消费者难以接受的。 ( 2 ) 德国的e i b 系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制器方式实现各种控制功能， 目前在国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另一方面，由于它需 要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所 难以承受的，所以一直无法打开国内市场。 ( 3 ) 新加坡8 x 系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用x l o 的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8 x 系统最大优势在 于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但 在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先，8 x 采用的预埋总线方式决定了它 的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力；其次，8 x 集中控 错4 的方式降低了用户的可选择性，前期投入成本较高，而这正是房地产商最为关，b 的问翘5 3 1 。 1 1 2 国内的发展现状 在我国。智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快，全国已建立了一些具有 一定智能化功能的住宅和住宅小区。 “七五”国家重点科技攻关项目“智能化办公大楼可行性研究”，标志着我国智能建筑领 域研究发展拉开了序幕。1 9 9 0 年北京的发展大厦被认为是我国智能大厦的雏形。随后，我国 智能建筑的研究、开发与实践开始深入，市场也逐渐形成。智能住宅在我国的初次出现是在 1 9 9 7 年。在建设部“9 7 跨世纪住宅小区方案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委 员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，开了全国智能住宅小区之先河。1 9 9 9 年，建设部 勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程。示 范工程的目标是，在合理控制造价和执行国家建设标准的基础上，采用现代信息技术、网络 集成技术，通过精密设计、择优集成、精密施工，达到提高住宅使用功能、推进住宅质量换 代、促进住宅产业现代化的目标。同时通过示范，摸索出一套适合各地建设，并各具特色的 住宅小区智能化技术示范工程建设的设计、集成、施工等方面的经验，以点带面，在全国有 计划地全面推广。该示范工程的f 式启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发 展阶段【1 7 舢】。 近几年，国内已有不少荦位和个人开发出各种类似于住宅智能控制的产品，但都因没有 实用化而夭折。市场上较为成熟的国产智能住宅设备大致可分为安防报警系统、三表抄送系 统、可视对讲系统等产品，由于功能单一，在可靠性、系统性、开放性等方面都面i 缶着市场 挑战，难以满足消费者不断增加的功能需求。 1 1 3 发展趋势 人类已进入2 l 世纪，在高度物质文明的今天，追求环境绿色化、生活信息化已形成时尚， 安全、舒适、方便、现代成为2 1 世纪居家生活的象征。日益更新的现代科技的力量，打破了 传统的时空界限，借助计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生活方式， 科技正以超乎想象的速度更深刻地影响到人类的思维模式和生存状态【叮0 】。 住宅作为人类生存的物质基础，必将受到信息技术的冲击和影响，传统住宅所提供的条 件已不能满足现代社会发展及对其使用功能和工作环境的更高要求，未来住宅应是高科技与 传统技术的有机融合体：不仅功能齐全、居住舒适、使用方便、而且安全节能，有益人类健 康和自然生态环境。 智能住宅是我国住宅技术创新的必然趋势。2 0 世纪8 0 年代，信息技术飞速发展，特别 是计算机互联网( i n t e f i n 哪技术、计算机集成制造技术( c i l s ) 更是发展惊人，人类从此开始 进入知识经济时代。从智能建筑的发展进程看，它经历了单一专用系统、多功能系统、部分 集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每个阶段都是技术创新的成果。 智能住宅建设是我国可持续发展的需要。我国人口众多，地大而物不博，以快速竭尽自 然资源和恶化生态环境为代价的粗放型产业经济发展模式已不能满足知识经济时代的要求。 我国于1 9 9 4 年发表了中国2 1 世纪议程，提出了我国入居环境可持续发展的总方向。在保 持住宅产业高速增长的前提下，实现资源的综合利用和环境质量的不断改善，就是实现住宅 产业可持续发展。建成后的智能住宅能满足以下一系列要求：人居环境的所有社会功能首先 着眼于现实与未来的平衡，在可持续发展方面起先导和示范作用：节约能源，节省建材和配 套器材等消耗型资源，以人为本。创造人与环境的和谐空问1 3 6 惭l 。 总之，建设智能化住宅具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进一步提高 居民水平和生活质量具有非常重要的意义嘲。可见，智能化住宅具有非常广阔的发展前景。 作为智能住宅的核心系统智能家居服务器，它的设计功能的完善将推动智能住宅的 发展，使住宅向着智能化、节能化、环保化的趋势发展。 1 ，2 课题的目的和意义 随着信息技术的高速发展及人们生活水平的不断提高，人们已不满足于简单的温饱，对 东北林业大学硕士学位论文 居住环境的安全性、舒适性、方便性、健康性、经济性等各方面都有更高层次的追求。而且 计算机、电话机、传真机等许多信息工具走进了千家万户，还有一些已知或未知的新的技术 和产品，例如可视电话、v o d ( 有线电视点播) 等也将陆续进入各个家庭。家庭已经成为信 息商速公路的一个重要节点，家庭办公也不再是人们的梦想。相形之下，传统的住宅功能已 明显不适应信息化社会的发展需要 2 ”。因此，本课题的目的就是研究一种集中控制装置即智 能家居服务器，使普通住宅具有智能住宅的功能。 智能住宅可以提供的服务： ( 1 ) 家庭安保；原有的家庭防护系统( 如金属防盗门，防盗网) 存在不符合防火要求， 有碍市容等缺点而无法满足家庭对安全的需求，智能住宅利用各种报警探测器的信息采集， 如门磁、紧急按钮、红外探测、煤气探测、消防探测等，能有效的起到安全防范作用； ( 2 ) 三表抄送：传统的三表抄送浪费人力资源且容易被坏人冒充工作人员作案，智能住 宅利用先进的采集和传输手段进行三表抄送，完全避免了上述缺点： ( 3 ) 家电控制：对电灯、空调、电视等家用电器进行控制； ( 4 ) 远程监控及遥控功能：既可对家中的状况进行监视又可以通过电话或网络对其进行 控制【1 3 ，4 9 l 。 现代社会，商品经济竞争日益激烈；工作节奏不断加快。对于全身心投入竞争的人们， 家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。 通过设计的家居服务器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷又 省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的运行，达到 人工模拟大自然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身i 临大自然的美好境地。加 大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心地投入工作 【2 3 3 1 1 。 住宅的智能化控制的开发与建设是2 l 世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大力普及和 应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障， 实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智 能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活 空间有着非常重要的意义。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 确立智能家居服务器的功能首先根据国内外智能住宅及智能小区的发展现状和国 内外同类产品的特点，根据我国住宅自身的特性和人们的实际需要确立了本系统所能实现的 基本功能。 ( 2 ) 确定智能家居服务器的总体结构根据系统所要实现的功能，确定智能家居服务器 的总体结构，其中包括硬件实现和软件的构成。主要宗旨是构造基于单片机平台的家居服务 器的完整解决方案。 ( 3 ) 实现家居服务器的本地即集中控制功能集中控制是基于单片机的控制系统，它通 过各种传感器、探测器可以实现对现代家庭各种功能单元的状态检测、参数记录和集中控制 等的过程。 ( 4 ) 实现基于电话的远程控制功能借助于电话线路的普及性和信号传输的可靠性， 通过电话线实现远程控制。此方法是一种方便、有效的实现手段。 ( 5 ) 设计基于i n t e r n e t 的远程控制系统利用单片机驱动以太网网卡来接收和发送信 息以实现服务器的远程控制。 我在本课题中主要完成设计服务器的集中控制部分和基于电话的远程控制部分，通过对 系统总体结构、硬件电路及软件的设计，基本完成了家居服务器的集中控制功能和电话远程 控制功能。具体实现方法将在下面的章节中详细介绍。 2 系统总体方案设计 2 1 系统的总体方案 智能家居服务器监控系统的开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国 住宅的实际情况以及人们的需要来确定的。 本课题研究的智能家居服务器主要实现远程控制和集中控制的功能。集中控制功能主要 包括家电的本地集中控制、三表数据的采集、存储及显示、本地报警等，它主要是通过控制 模块、数据采集模块和报警模块来完成的：远程控制功能的实现可采用基于电话按键的控制 和基于i n t e r n e 的控制两种控制手段，它主要实现接收报警信号并向物业中心和用户报告、 接收用户呼叫并可以根据用户的指令来操纵家电设备、将采集到的三表数据向有关部门传送 等功能，使人们身在外地就可了解家中的各种状态。 其系统示意图如图2 1 所示： 旱跏旱嗍 !z 战础 燃气报警器烟雾报警器 图2 - 1 系统示意图 电话 音响 2 2 远程控制方案 远程用户可以通过电话进行控制，也可以通过i n t e r n e t 进行远程控制。 通过i n t e 刚e t 的远程控制其实现较为复杂，但是，它可以将家庭网络与i n t e r n e t 连接 起来，使家庭网络享受到i n t e r n e t 中的信息服务，它是一种真正意义上的网络化。 基于已有的电话网络实现的远程控制是网络控制中一种简单、廉价的控制方式。利用电 话的远程控制主要通过按键传送控制信息，通过语音提示返回相应的信息或进行操作的提 示。家居服务器通过对按键信息的解释形成相应的控制信息，并传送给家里的各控制单元， 从而实现远程控制。电话按键控制方式实现简单，控制灵活方便。 本课题的电话远程控制系统主要是利用双音频编解码芯片m t 8 8 8 0 实现了一种简单的电 话按键远程遥控系统，利用i s d 公司的语音芯片为其提供良好的语音界面。系统主要由振铃 检测电路、模拟摘挂机电路、m 椰信号收发电路、语音电路等组成，其系统组成框图如图 2 2 所示。本文将在第三章对电话远程控制部分的具体设计进行详细介绍。 电 话 线 2 3 集中控制方案 图2 - 2 电话远程控制系统框图 智能家居服务器的目的就是改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空 间。便利性来源于两个方面，它既包括具备远程控制的功能，也包括在家庭内部对于各单元 的集中管理功能。集中管理的概念在于可以在家庭中的某一位置实现对于家庭中任意位置的 设备的控制和参数设定，例如可以在客厅看电视的同时打开家中的热水器，打开微波炉，同 时让洗衣机开始工作。集中控制功能免去了完成这些工作所需的四处奔走，满足了人们舒适、 东北林业大学硕士学位论文 便利的生活需要。 本课题所研究的家居服务器的集中控制功能主要通过家电控制模块、数据采集模块、报 警模块等来实现的。其框图如图2 3 所示： 图2 - 3 集中控制功能实现框图 数据采集模块主要完成对各表的电脉冲信号进行采集、存储。物业中心在需要抄收表的 数据时，只要拨通某用户的电话发出抄表命令，数据就可以通过电话远程控制系统转换成 d t m f 信号，传到物业中心完成抄表任务。 报警接收模块主要完成家庭的安全防范。安全防范主要包括防盗报警、防煤气泄漏报警、 防火灾报警等，为住户提供室内的安全保障。当发生警情时，报警模块发出报警信号。若无 人在家，电话远程控制系统接收到信号后自动拨电话给住宅监控中心和用户，以语音形式报 告警情。 家电控制模块主要完成对家电设备进行集中控制。另外，用户还可以通过电话拨通住宅 中的电话，根据语音提示对家电设备进行远程遥控。 3 电话远程控制系统设计 3 1 引言 随着人们生活水平的提高，电话基本上已经得到了普及。由于电话线路良好的可靠性， 使得电话成为进行数据传递的常用媒质之一。通过电话传送简单的控制指令，实现一些设备 的简单控制，无疑将为人们的生产生活带来很大的方便。在办公室开启家中的热水器：回家 途中将家里的空调器打开并调节到适宜的温度；远在异地时关掉家中所有的电器设备，打开 家中的防火、防盗的报警系统。只需拨通家里的电话，按几下电话按键就可以完成全部的控 制工作，对于用户来讲，无疑具有巨大的诱惑力圈。正是基于这种目的，本文应用双音多频 编解码器g f 8 8 8 0 瞄j 3 5 0 和语音芯片i s d l 4 2 0 1 5 , 5 1 6 2 1 实现了电话远程控制的功能。此系统主要由 振铃检测电路、模拟摘挂机电路、d t m f 信号收发电路、语音电路等组成。该控制系统具有结 构简单，使用方便等一系列优点。 3 2 电话远程控制系统硬件设计 3 2 1 振铃检测电路 公用电话系统中，为了防止电迁移侵蚀铜线，电源采用负电压，电压一般在为一2 4 v 到一6 0 v 的直流。振铃信号一般是幅值在2 4 v 到7 5 v ，频率在2 0 到6 0 h z 的正弦波。振铃信号叠加在 直流馈电上传输，要检测振铃信号必须从直流馈电上提取交流信号，利用电容隔直流通交流 的特性把直流信号过滤掉，得到交流信号 4 4 1 。由于接个线路上电压比较高，所以电容的电压 标值要比较大，通常采用l u f 2 5 0 v 的电容。得到交流信号后还必须进行整流、分压处理得 到合适的电位。在本设计中我们采用了s g s 公司生产的l s l 2 4 0 振铃信号产生器来进行振铃 的检测，此芯片具有如下基本特性：产生频率可调的双音频振铃信号；外接元件控制输出信 号频率和转换速率；可由用户线交流振铃信号经桥式整流馈电。它的内部有桥式整流电路、 二极管和稳压管，交流信号经过全桥整流后变为直流信号，在经过稳压把电压保持在5 v 以 内以便单片机能进行处理，为使电路可靠有效的去除干扰，我们将输出信号接光耦后在接至 单片机处理。 图3 - i 为振铃检测电路】。l s l 2 4 0 的1 、8 脚外接电话输入线，5 引脚接至光耦的输入 端，其输出信号控制光耦的通断，7 引脚外接滤波电容c 3 ，2 引脚为内部桥式整流后的电源 地。振铃信号经5 端输出控制光耦的通断，以便进行计数。当线路没有振铃时，振铃检测电 路没有交流电源通过，振铃检测电路没有电压输出，即输出为低电平。当线路上有振铃信号 东北林业大学硕士学位论文 时，经隔直流电容c 2 和限流电组r 5 后，信号加在l s l 2 4 0 的输入端，振铃检测电路有交流 电源通过，因此输出为高电平。此高电平信号使光耦导通，送计数脉冲到计数器4 0 1 7 。 检测振铃次数就是利用这个信号与计数器4 0 1 7 配合，计数器的输出端经开关接至单片 机的外部中断，由于单片机的边沿触发是下降沿触发，所以把电路的输出用反向器转变后接 到单片机的外部中断引脚。开关的作用是确定振铃振多少次才向单片机输出振铃入信号，这 样单片机在规定的响铃次数后响应中断，以便于系统控制摘挂机电路进行相应操作。 3 2 2 模拟摘挂机电路 圉3 - 振铃检测电路 m 3 2 为模拟摘挂机控制电路。它主要包括过压保护电路、极性保护电路、电压变换电 路。 过压保护电路：在电话线线路上加入了一个压敏电阻v _ r ，它的作用是当它两端的电压 大于其工作电压时呈短路状态，从而使后级电路不会因受到高压而毁坏。当加到它两端的电 压小于其工作电压，压敏电阻呈开路状态，对后级电路的工作没有任何影响。在本设计中， 压敏电阻的工作电压为1 6 0 v 。 极性保护电路：由于在电话线上传输的是交流信号，为了使信号的极性固定，在电路中 加入了电桥，进行整流。另外，有的交换机可提供的工作电流为5 0 i n a 或者1 2 0 f f l a ，因此，极 性保护电路中的二极管反向耐压必须大于1 8 0 v ，所以我们在设计中选用了i n 4 0 0 7 - 电压变换电路：电话线上传输的信号的电压为4 8 6 0 v 。而后端电路上的电压不超过 2 v 。 因此在电路中加入了变压器，对电压进行变换。 电话信号经过过压保护电路、极性变换电路后接至光耦的输入端，当电话处于挂机状态 时电话线处于开路状态，电话信号不能进入，电话信号是否进入受光耦的另一输入端信号控 制，此信号引自单片机的p 1 2 脚。当单片机发出摘机命令时，该信号线上为高电平，使电话 信号通过光耦经放大接至变压器，完成模拟摘机。 3 2 3d t m f 编解码电路 3 2 3 1d t 忻拨码原理 图3 - 2 摘挂机控制电路 电话机拨码方式有两种，即脉冲拨码和双音频拨码，现在的电话机多数是双音频电话。 双音多频( d t m f ) 是指用两个特定的单音信号的组合来代表数字或功能。两个单音频的频率 不同，所代表的数字和功能也不同。双音多频拨码方式中有1 6 个按键，对应有8 种不同的单 音信号，因其采用的频率有8 种，所以称为多频。双音频拨码方式具有拨号速度快，误码率 低等优点，这是脉冲拨码方式所不能比拟的。根据国际电话电报咨询委员会( c c i t t ) 和我 国的标准规定双音频信号由8 个频率组合，分为高低频两组，其中6 9 7 、7 7 0 、8 5 2 、9 4 1 为低 频组，1 2 0 9 、1 3 3 6 、1 4 7 7 、1 6 3 3 为高频组。采用8 中取2 的原则，即从高频组和低频组各取一 个频率组合起来代表一个按键，这样的组合方式一共有1 6 种，分别代表0 9 、“车”、“# ”和a d 共计1 6 个按键的信息，如表3 1 所示： 东北林业大学硕士学位论文 表3 1 双音频按键编码 高频组 低频八 1 2 0 9 h z1 3 3 6 h z1 4 7 7 h z1 6 3 3 h z 6 9 7 h z123a 7 7 0 h z456b 8 5 2 h z789c 9 4 1 h z 女 o#d 3 2 3 2m t 8 8 8 0 芯片简述 d t m f 信号的编码以及解码是采用 1 8 8 8 0 芯片来实现的。m t 8 8 8 0 芯片是加拿大m i t e l 公司生 产的集成度高、功耗低、功能强的集成电路芯片。其主要广1 功能是完成双音多频( d r r 肝) 信号的发送与接收。除此之 i m n + j - ：2 t 0 9 卜 - - v s t d ，o d t 外，还可以发送哪信号的高频组及低频组中的每一种单r 譬习4 31 1 7 8 卜 - - e d o s t 频，可以是突发方式发送，也可以是连续方式发送，还可。嚣j ：1 1 6 5 卜- d d 2 i 以接收及识别通信线路中的信号音( 包括拨号音、忙音、t o o s n c e 2 j - - 8 7 ：4 3 e g p 回铃音) 。这些功能的选定及工作模式的确定都是由软件程魁c 塑s - - 习9 l o：卜_ - - c r s k o 序来控制的。此芯片可广泛地应用于有线、无线通信网及l - 一 计算机通信网的终端设备中。其引脚图如图3 3 所示。 1 图3 - 3m t 8 8 8 0 引脚图 m t 8 8 8 0 的工作原理： 发送d t m f 信号时，被发送的信号从数据总线d 0 d 3 经数据总线缓冲器( d d b ) 送到发送 数据寄存器，发送的娜信号频率由3 5 8 姗z 的晶振分频产生。分频器首先从基准频率分离 出8 个不同频率的正弦波，行列计数器根据发送数据寄存器中的数据，以8 取2 方式分离出一 个高频信号和一个低频信号，经开关电容作d a 转换，在加法器中合成d t m f 信号，在音频突 发开门控制( t b g c ) 和控制逻辑作用下，p , 8 脚( t o n e ) 发送出去。 接收d t m f 信号时，d t m f 信号经由i m 和i n 一输入，经过运算放大并且滤除信号中的拨号音 频率，然后发送到双音滤波器，分离出低频组和高频组信号。通过数字计数的方式检出d t m f 信号的频率，并且通过译码器译成四位二进制码。四位二进制编码被锁存在接收数据寄存器 中，此时状态寄存器中的延时控审4 识别位复位，状态寄存器中的接收数据寄存器满标识位置 位，对外来说，当寄存器中的延时控制识别位复位时莉c p 由高电平变为低电平。如果用 而c p 作为单片机的中断信号，j 面由高电平变为低电平，向c p u 发出中断申请，当c p u 响 应中断，读出寄存器中的数据后，腰q 返回高电平。 m t 8 8 8 0 的工作方式： m t 8 8 8 0 通过微处理器接口由r s o 、w r 、r d 、d o - - d 3 选择内部寄存器，以控制电路的工 作模式。它有5 个寄存器：发送数据寄存器( t d r ) 、接收数据寄存器( r d r ) 、状态寄存器( s r ) 、 控制寄存器a ( c r a ) 和控制寄存器b ( c r b ) 。接收数据寄存器用于存放最后一次接收到的有 效值，是一个只读寄存器；发送数据寄存器中的数据决定要发送的双音频信号的频率组成， 我们只能向发送数据寄存器中写入数据。收发控制寄存器有c r a 和c r b ，它们占用同一个地 址，轮流使用。对c r b 的操作是通过c r a 中某一个特定位的置位操作来实现，因此在程序的 开始和加电、系统复位时，在软件上要对控制寄存器进行初始化，进行工作模式及有关功能 的选择。状态寄存器( s r ) 的内容是随芯片所处的工作状态自行产生。查询s r 中有关比特 位的内容可知芯片的工作状态。舸8 8 8 8 有多种工作方式，它们分别为： ( 1 ) d t m f 方式：发送和接收d t m f 信号。输入数据经发送数据寄存器控带l 可编程行、列 计数器、d a 变换器，合成需要发送的d t 盯信号。或d t m f 信号经拨号音抑制、分离带通滤波 器等译成相应的41 ：t 特码，经接收数据寄存器至数据总线。 ( 2 ) 呼叫处理( c a l l ) 模式：电路可以检测电话呼叫过程的各种信号音，只要信号频 率落在3 2 0 5 l o 唧z 频率范围内，片内呼叫处理器便可滤出。经限幅得到的方波由豫q c p 端 输出，以用于判断呼叫的性质和类别。若无信号滤出，贝, i j l r q c p 端输出为低电平。 ( 3 ) 突发( b u r s t ) 模式：在d t 雌模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为 5 l l m s ，在c a l l 模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时问各为1 0 2 4 - l m s ，此时电路 只可发送d t m f 信号，但不能接收。 ( 4 ) 单双音产生( s d ) 模式：电路可产生单音或啪信号，用于测试和监测。 ( 5 ) 测试( t e s t ) 模式：使电路从d t m f 接收部分得到延迟监测信号，并从m a c p 端输 出。 ( 6 ) 中断模式：此模式下若选择d t m f 状态，当姗信号被接收或出现在监测时间内， 或准备发送更多数据( 突发模式下) ，则腰q c p 端下拉至低电平a 3 2 3 3 编解码电路设计 1 v f i 8 8 8 0 编解码电路如图3 4 所示，它主要由接收部分、发送部分、控制部分以及与单片 机接口部分四个主要部分组成。 ( 1 ) d t m f 接收部分由c 8 、r 1 8 、r 2 1 一 t 成，我们采用的是单端输入。由于放大器的增益 a = r ，r f r 2 1 r 1 8 ，所以我们可以通过调反馈电阻r 2 l 的值来调放大器的增益，在电路具体设 计中我们将电路参数取值为c = o o l u f 、r 1 8 = l o o k q 、r 2 1 = l o o kq ，因此输入信号增益为： a = r 2 r 1 8 = 1 。d t m f 信号从输入端进入，经过放大、滤波、分离、译码一系列过程后，最终 被锁存在接收数据寄存器中，这使状态寄存器中的相应位置位，使侬q c p 变为低电平，向 c p u 发出中断申请。 ( 2 ) d t m f 发送部分由c l l 、c 1 2 、r 2 4 和晶振组成，其中晶振为3 5 8 m h z 的晶体振荡器， 负责产生全部1 6 种标准双音信号。当微处理器要发送数据时，由单片机向发送数据缓冲器 写入符合d t m f 编码格式的数据，产生标准的双音频信号，该信号由g r 8 8 8 0 的引脚8 ( t o n e ) 输出。 ( 3 ) 控制部分由r 2 5 、c 1 3 构成。为了可靠接收，要检测有效信号的持续时间，e s t 信号 驱动外接r 2 5 、c 1 3 积分电路，c 1 3 放电，有效时问t 柏e s t 维持高电平。e s t 端为初始控制输 出端，我们在设计中在该端外接一发光二极管，这样当电路检测出一有效的d t 盯信号对时， e s t 为高电平，此时灯亮。 ( 4 ) m t 8 8 8 0 与单片机接口部分，图中的p o o p 0 3 、p 2 0 、r e a d i 、w r i t e # 直接引自单片 机，侬q c p 引向单片机的外部中断i n t 0 。p o o p 0 3 为舸8 8 8 0 控制e r r 陋信号发送和d t m f 译码 的4 位数据输入输出；r s o 为寄存器选择输入，它可以直接引自单片机的口线或地址线，在 本文中将它接至单片机的p 2 0 ，r s o 与r w 一起选舯8 8 8 0 的内部寄存器；单片机的r d 与w r 经与非门4 0 9 3 后接至c l k 2 端，作为m t 8 8 8 0 的系统时钟：因为m 8 8 8 0 的r w 端使用同一条信号 线，而单片机的r d 和w r 用两条线，所以必须经接口转换电路转换，我们采用将单片机i 构r d 与w r 引向d 触发器7 4 7 4 ，以控制d 触发器提供抑8 8 8 0 的r w 信号；c s 为9 1 8 8 8 0 的片选信号， 由3 8 译码器y 4 引出，在本文中其片选地址为9 x x x h 。 1 4 + 根据上述接口电路，当要发送d t m f 信号时，静党往控制寄存器c r a 中写入# o d l ，往( ：r b 中 写入# 0 ，将m t 8 8 8 0 设置为d t m f 发送模式，然后即可判断状态寄存器s r 中的b l 位控制往数据总 线上发送d t 师信号的编码。要接收d t m f 信号时，首先向控制寄存器c r a 中写入# o c i ，向c r b 中 写入# 0 ，将m t 8 8 8 0 设置为d t m f 接收模式，然后即可判断状态寄存器s r 中的b 2 位以通过数据总 线接收d t m f 信号的编码。 要判断信号音时，首先向控制寄存器c p - a 中写入控制字# o f ，向c r b 中写入# o ，将 , f r 8 8 8 0 设嚣为信号音判断模式( c a l l 模式) ，然后对侬q c p 端输出的信号进行计数，因为拨号音为 4 5 0 h z 连续信号，忙音为0 3 5 s 通0 3 5 s 断，回铃音为l s 通4 s 断，所以计数时间5 s ，如果计数 值大于1 7 9 2 为拨号音，计数值1 0 2 4 1 7 9 1 为忙音，2 5 6 1 0 2 3 为回铃音，小于2 5 5 贝u 为无信号 音。 3 2 4 语音电路 语音电路主要用于语音报警对给用户以语音形式的报警，在远程控制中语音提示用户如 何进行操作。语音只要事先录制好，在需要时即可播放出来，所以要选取一个可以存储语音 信号的芯片。目前应用的语音芯片有很多种，其中包括i s d l 4 0 0 、i s d 2 5 0 0 、i s d 3 3 0 0 、i s d 4 0 0 4 系列等。由于i s d l 4 0 0 系列语音芯片是一种使用方便。易于开发，适于与单片机接口的高保 真、耗电小的语音芯片，而且价位较后几种的价位要低，因此在本课题中采用了i s d l 4 0 0 系 列中的i s d l 4 2 0 语音芯片，通过适当处理与单片机共同组成电话远程控制系统的语音界面。 3 2 4 1i s d l 4 2 0 芯片简述 芯片i s d l 4 2 0 的引脚如图3 - 5 所示。芯片具有1 2 8 k 可编程电擦除只读存储器( e e p r o m ) 内部还包含时钟振荡器，无需外加晶振即可工作；内置 输入、输出放大器，具有自动增益调整功能：有8 个地2 址输入端，可支持分段录、放音，最多能分1 6 0 段，完 二 全可以适应一般的语音提示场合的要求。这类语音录放 譬 电路的最大特点是采用了直接模拟量存储技术，完成语嚣 音的录入、存储以及分段调出，无需经过a d 、d a 转换，警m 数字压缩和语音合成等复杂的数字量信息处理及变换环 ”+ 节，因而可以较好的保留模拟量中的有效成分，减少失 图3 - 5i s d l 4 2 0 引脚图 真，提高录放音质量。它使用方便，无需专用的语音开发系统，由麦克风录入存储；可随意 改写删除；有多种信息取址方式可供用户选择；分段灵活；芯片抗干扰能力强；5 伏单电源 基冀洳静塾 东北林业大学硕士学位论文 供电，录放状态一结束就自动进入节电模式其静态电流仅0 5 u a ：语音存储在不挥发的存 储单元中，可录放语音1 0 万次，存储语音至少可保留1 0 年；外围电路简单，体积小，由最 少的外围元件就能构成一个完整的优质录放电路。 下面结合其时序来介绍它的工作过程： 录音过程时序如图3 6 所示，当r b c 变为低电平时开始录音操作，在经过t l e d i 时间后， r e c l e d 脚输出低电平，将驱动一个l e d 显示表示正在录音。这时通过麦克在a 0 a 7 所指定的 语音段录下要录的信息。在录音过程中r e c 必须保持为低电平。当r e c 变高电平时，录音操 作结束，录制完毕后在结柬处会记录一个结束标志，这样在分段放音时会结束放音。 意春 矗煳 啪 懿琳 j 。r 一 c k l 。_ k 一t l 啮 一 r 厂 嚼l 1 叫 k p “ + j 目叫 啾 、v 脚协枷协黼 ，j 叩嗍吲n 一一 l i l 。i d h l j - 一 一t i 一- 一1 南 放音过程时序如图3 7 所示，在放音过程中r e c 必须始终保持高电平，且r e c l e d 在放音 期间有结束标志e o m 的功能。如图i s d l 4 2 0 有两种放音方式：触发放音p l a v e 和电平放音 麟砸y 1 匹 丽弋二二功r 一 丽 、4 ， ：囊至驻蛙 舢p _ | 1 似1 i i i i 饥m 州怔忙竹w m ，- 西 一i | 一h叫- 一t 一“叫。： 一 ； 瓣l i 地- 谢 当此管脚上检测到低电平跳变时，将开始放音操作，遇到结束标志e o m 或存储器的尾部， 放音将停止，结束放音后器件自动进入掉电等待模式。在放音过程中将p l a y e 变高不会终止 p l a y l 电平放音： 当此管脚的信号由高电平变为低时，将开始放音操作。p l a y l 变为高电平，遇到结束标 志e o m 或存储器的尾部，放音将停止，结束放音后器件自动进入掉电等待模式。 注：在放音中，如果遇到结束标志或到达存储器尾部，如果p l a y l 或p i 删e 仍保持为低 电平，器件将进入掉电等待模式，内部时钟和时序停止。 i s d l 4 2 0 内部具备有多种操作模式并能以最少的元件实现较多的功能，操作模式的选择 使用地址管脚来实现，但实际的地址在i s d l 4 2 0 的有效地址外部。当地址的最高两位a 7 、a 6 为高电平时，其余的地址位将成为状态标志位而不再是地址位。因此操作模式和寻址模式不 能兼容也就是说不能同时使用。 操作模式可由微控制器实现，也可由硬件实现。使用操作模式有两点注意： ( 1 ) 所有操作最初都是从0 地址，即从存储空间的起始端开始。后续操作根据所选用 的模式可从其它的地址开始。此外，a 4 模式中，当电路由录转为放时