雙音多頻(DTMF)編解碼通信具有抗干擾強、低成本、遠距離的特點。本文提出基于DTMF遠程通信的逆變電源系統(tǒng)。介紹DTMF收發(fā)控制器MT8880和三相PWM發(fā)生器SA8282的結(jié)構(gòu)特性，由MT8880與單片機80C51和SA8282及IPM組成的基于DTMF技術(shù)的逆變電源，具有低成本高可靠遠程數(shù)據(jù)通信的功能，形成遠程遙測遙控逆變電源，擴大了逆變電源的應用范圍。

0 引言
在遠程測控系統(tǒng)中(或遠程多機控制系統(tǒng)中)可利用雙音多頻(dual tone multi frequency，DTMF)編碼技術(shù)通過電話網(wǎng)進行低成本數(shù)據(jù)傳輸。DTMF是由一組低音頻信號和一組高音頻信號以一定方式組合構(gòu)成，每組音頻信號各有4個音頻信號，而每種組合有一個高音頻信號和一個低音頻信號，共16種組合。主要用于電話撥號信息傳輸，具有很強的抗干擾能力，MT8880是DTMF型編解碼于一體的通信控制器專用芯片，具有收發(fā)功能，可實現(xiàn)DTMF遠距離數(shù)據(jù)傳輸。
逆變器是構(gòu)成交流不間斷電源(UPS)及交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，可獨立構(gòu)成系統(tǒng)成為變頻電源裝置，MITEL公司的推出的新型全數(shù)字化三相SPWM發(fā)生器SA8282，輸出頻率寬、精度高，可與微處理器接口，能完成外圍控制功能和保護功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設計。將單片機、SA8282和MT8880芯片結(jié)合起來設計成基于DTMF技術(shù)的逆變電源，具有低成本、高可靠遠程數(shù)據(jù)通信的功能，形成遠程遙測遙控逆變電源，擴大了逆變電源的應用領(lǐng)域。
本文介紹一種基于DTMF技術(shù)的逆變電源的設計，由AT80C51單片機、SA8282波形發(fā)生器和MT8880 DTMF及交直交主電路構(gòu)成。SA8282和MT8880僅需要少量的外圍硬件而無需復雜的軟件編程，使得本系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制方便、系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

1 基于MT8880-DTMF數(shù)據(jù)遠程通信的逆變電源系統(tǒng)組成
基于MT8880-DTMF數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪孀冸娫聪到y(tǒng)是通過電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h程遙測遙控系統(tǒng)，由前端和后端組成，前、后端通過MT8880控制器進行DTMF編、解碼傳輸和接收，如圖1所示。其中前端為逆變電源及數(shù)據(jù)傳輸單元，后端為主控顯示單元。前端以單片機80C51為核心，以SA8282波形發(fā)生器及7MBP75RA120的IPM功率模塊作為逆變電源的主要構(gòu)件，通過MT8880進行DTMF編碼經(jīng)普通電纜線(電話線)長距離傳輸?shù)胶蠖说腗T8880進行接收解碼處理。后端主控單元由單片機80C51、MT8880和按鍵、顯示屏等組成，MT8880對接收的DTMF信號解碼為BCD碼送單片機80C51進行處理、顯示。后端主控單元將命令字通過MT8880傳輸?shù)角岸?，實現(xiàn)前、后端雙工遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2 MT8880-DTMF的特性與收／發(fā)設計
根據(jù)CCITT的建議，DTMF的編譯碼定義如表1所示，每個數(shù)字信號由低頻組和高頻組兩組頻率信號任意組合構(gòu)成，是采用八中取二的方式來構(gòu)成一個音頻信號，由虛假信號的干擾，所以應用特別廣泛。DTMF數(shù)字信號的表達式為：
 

上式中兩項分別表示低、高音群的值，A和B分別表示低音群和高音群的樣值量化基線。CCITT規(guī)定的表1中標程頻率在發(fā)送時，DTMF信號的頻率誤差不得超過1．8％，每位數(shù)字的信號極限時長大于40ms，而接收設備對2％的偏差能可靠地接收，對30～40ms的信號時長可以正常地接收。

2．1 MT8880的特性
MITEL公司采用ISO-CMOS工藝制造的MT8880C是帶有呼叫處理濾波器的單片DTMS收發(fā)器，具有低功耗、高穩(wěn)定性的特點。整合了收發(fā)功能的MT8880C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一個帶有可變增益的內(nèi)部放大器的高性能接收器和一個帶有脈沖計數(shù)器的發(fā)射器，接收部分采用DTMF信號接收器MT8870的工業(yè)制造標準；發(fā)送部分采用開關(guān)電容進行D／A轉(zhuǎn)換。MT8880C具有標準的微處理器總線與MCS-51系列單片機直接接口。 MT8880的內(nèi)部寄存器包括1個狀態(tài)寄存器、2個數(shù)據(jù)寄存器和2個控制寄存器。內(nèi)部寄存器提供一個群模式，在雙音頻群模式下DTMF信號按精確的時序被發(fā)送出去，MT8880通過微處理器控制選擇內(nèi)部呼叫處理濾波器呼叫音頻信號。管腳定義為，IN+、IN-：運放輸入；GS：Gain Slee-t，運放輸出端；REF：參考電壓；Vss電源負極；OSC2：時鐘輸出；OSC2：DTMF時鐘／振蕩器輸入，采用3．579545MHz的時鐘；R／W：讀寫控制；CS：片選；RSO：寄存器選擇；CK：系統(tǒng)時鐘輸入；IRQ／CP：中斷請求／呼叫處理，向CPU發(fā)中斷申請。當選擇了呼叫處理模式時，輸入信號線上有呼叫信號時輸出就發(fā)出與之相應的方式信號；D0～D3：數(shù)據(jù)線；Est：滯后前輸出。當檢測到有效音頻對時，就變?yōu)楦唠娖剑盘枟l件不滿足時又立刻返回低電平；St／Gt：滯后輸出／保護后輸出。當電壓高于VTST時，保存檢測到的音頻對，同時更新輸出鎖存器內(nèi)容。當電壓低于VTST時，芯片就可重新接收新的音頻對。Gt的輸出對滯后時間常數(shù)有影響，它的狀態(tài)是Est和加到St的電壓的函數(shù)；VDD：電源正極。

2．2 MT8880與單片機接口及收／發(fā)設計
MT8880與單片機80C51接口及收／發(fā)設計如圖3所示。MT8880的D0～D3與80C51的P1．0～P1．3相連，80C51的P1．4～P1．7分別與MT8880的CK、RSO、CS和R／W相連，MT8880的中斷申請IRQ連接到80C51的INT0端。

當MT8880作為DTMF接收器時，DTMF信號送到MT8880的IN+和IN-端，經(jīng)運算放大器放大并濾除信號的撥號音頻率，然后送到兩組六階開關(guān)電容式帶通濾波器，分離出低頻組和高頻組信號。通過數(shù)字計算方式檢出DTMF信號的頻率，并通過譯碼器按表1譯成4位二進制碼，存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中，在需要時被送到數(shù)據(jù)總線D0～D3上。此時狀態(tài)寄存器中的延時控標識位b3復位，狀態(tài)寄存器中的接收數(shù)據(jù)寄存器滿標識位b2復位。若MT8880設置為中斷工作方式，那么當標識位b3復位時，IRQL由高電平變?yōu)榈碗娖?，向CPU發(fā)出中斷申請，當CPU響應中斷，讀出寄存器中的數(shù)據(jù)后，IRQL返回高電平。
當MT8880作為DTMF發(fā)送器時，數(shù)據(jù)總線D0～D3上4位二進制碼被鎖存在發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，發(fā)送的DTMF信號頻率由3．579545MHz的晶振分頻產(chǎn)生。分頻器從基準頻率中分離出8個不同頻率的正弦波，行列計數(shù)器根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，以八中取二的方式分離出一個高頻信號和一個低頻信號，經(jīng)開關(guān)電容作D／A轉(zhuǎn)換，在加法器中合成DTMF信號，并從TONE端輸出。
MT8880每接收一個外部信號IROL由高變低一次，IRQL接80C51的中斷INT0(P3．2)，單片機在中斷期間將數(shù)據(jù)D0～D3從MT8880讀入內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，中斷服務后，IRQL由低變高，開始接收下一個信號(設計時應注意中斷時間小于撥號內(nèi)部數(shù)字時間間隔)。當對外發(fā)布命令時，80C51將內(nèi)部數(shù)據(jù)D0～D3傳送到P0口，然后再從P0口傳送到MT8880的D0～D3，數(shù)據(jù)在MT8880中經(jīng)雙音頻調(diào)制后從TONE腳輸出DTMF信號。
MT8880的OSC1、OSC2接3．55MHz晶振，EST和St／Gt端外接RC積分電路，使解碼數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個延時，讓CPU可正確讀取數(shù)據(jù)。

 

3 基于MT8880遠程通信的逆變電源及其主電路設計
基于MT8880的數(shù)據(jù)遠程通信的逆變電源的前端系統(tǒng)組成如圖4所示。由電壓型逆變電源和DTMF MT8880遠程通信等兩大部分組成，包括單片機80C51與LED、按鍵的接口、80C51與SA8282波形發(fā)生器的接口和80C51與DTMF通信控制器MT8880的接口，以及SA8282控制的7MBP75RA120 IPM功率模塊作為逆變電源的主電路等4大接口設計。

其中電壓型逆變電源分為主電路和控制器兩部分。主電路采用交直交(AC／DC／AC)電源型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流器、中間濾波器、逆變器和隔離變壓器構(gòu)成。輸入功率級采用簡單可靠的三相橋式不可控整流器，將電網(wǎng)交流電整流成直流，經(jīng)中間濾波器濾波獲得平滑的直流電壓，逆變器開關(guān)采用富士公司的40KHz兩單元IGBT7MBP75RA120IPM功率模塊三組(六只)組成三相H橋式電路。逆變電源的輸入、輸出之間為實現(xiàn)電氣隔離和滿足輸出電壓幅度的要求，在逆變電源中必須有變壓器，對于三相變頻電源采用在輸出端接入變壓器△／Y進行隔離變壓，以減小電源的體積和重量。
由單片機AT89C51、SPWM發(fā)生器SA8282、驅(qū)動器HLA02B和檢測數(shù)據(jù)采集電路ADC0809以及保護電路、顯示電路等組成，完成控制和驅(qū)動輸出兩大功能。

4 基于MT8880的逆變電源系統(tǒng)程序與數(shù)據(jù)傳輸程序設計
基于MT8880數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪孀冸娫辞岸讼到y(tǒng)程序包括主程序和中斷程序，80C51通過初始化MT8880內(nèi)部寄存器后實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，基于DTMF的數(shù)據(jù)交換包括收、發(fā)數(shù)據(jù)傳輸控制，其中主程序完成初始化、按鍵監(jiān)控和顯示部分。中斷程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?，如圖5所示。

4．1 MT8880的初始化程序
在系統(tǒng)的加電、復位和控制中，要對MT8880的寄存器進行初始化。MT8880內(nèi)部有接收數(shù)據(jù)暫存寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)暫存寄存器、收發(fā)控制寄存器CRA和CRB、收發(fā)器狀態(tài)寄存器等5個重要寄存器，如圖2所示。其中接收數(shù)據(jù)暫存寄存器用于存放最后一次接收到的有效數(shù)據(jù)值，是只讀寄存器；發(fā)送數(shù)據(jù)暫存寄存器中的數(shù)據(jù)決定發(fā)送的雙音頻信號頻率組成，只能向發(fā)送數(shù)據(jù)暫存寄存器中寫入數(shù)據(jù)；而收發(fā)控制寄存器CRA和CRB占用同一個地址，輪流使用，對CRB的操作是通過CRA中一個特定位的置位操作來實現(xiàn)，CRA和CKB的功能以及狀態(tài)寄存器的功能參考文獻。在對MT8880的初始化過程中，單片機使MT8880的RSO=0和R／W=0時，對發(fā)送數(shù)據(jù)暫存器進行寫操作；在RSO=0和R／W=1時，對接收數(shù)據(jù)暫存器進行讀操作；當RSO=1和R／W=0時，對控制寄存器的CRA／CRB進行寫操作：當RSO=1和R／W=1時，對狀態(tài)寄存器進行讀操作。單片機對MT8880初始化程序為：

4．2 基于DTMF傳輸?shù)臄?shù)據(jù)收發(fā)程序設計
單片機控制MT8880的數(shù)據(jù)接收程序

5 結(jié)束語
MT8880集中DTMF信號的收發(fā)功能于一體，實現(xiàn)DTMF信號的編碼與解碼和數(shù)據(jù)傳輸，大大簡化了設計的復雜性。采用簡單而廉價的DTMF方式進行數(shù)據(jù)采集遠程傳輸，可廣泛得應用于遙控遙測方面，比如遠距離自動抄收用戶室內(nèi)的水表、電表、煤氣表的新型裝置，以及大型加油站多臺加油自動計量收費裝置和大型塔吊自動稱重裝置等。
MT8880高可靠性的DTMF編解碼數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與單片機控制的逆變電源相結(jié)合，形成低成本高可靠具有遠程數(shù)據(jù)通信功能的逆變電源，擴大了逆變電源的應用范圍，使DTMF技術(shù)更加廣泛地應用于現(xiàn)代測控領(lǐng)域。如果將逆變電源作為變頻電源，用于交流電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)時，形成具有遠程數(shù)據(jù)通信功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，則只需改變對SA8282初始化控制字的設定，就能方便地改變輸出交流電的頻率和工作電壓，省去大量的編程工作，還能做到實時控制。由于波形為純正弦波，減少諧波影響，提高工作效率。