基于Atmega8及MSM7512的嵌入式Modem設計

摘要：介紹了一種基于AVR單片機Atmega8和調制解調芯片MSM7512設計的嵌入式Modem，詳細地闡述了Modem的硬件及軟件設計方法。在設計中，鑒于單片機串口資源匱乏的問題，采用單片機上I/O模擬UART口的技術予以解決。上位機軟件用Delphi語言編寫，通過嵌入式Modem實現(xiàn)了計算機與遠方設備之間的數(shù)據(jù)傳送。 關鍵詞：嵌入式Modem Atmega8 MSM7512B 模擬串口 隨著經濟的發(fā)展，遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用日益廣泛。其核心部分是遠程信息交換，即系統(tǒng)需要在地域分布廣泛的設備之間進行信息的交換及協(xié)調工作。對于某些采集點分散、傳輸量不大、對速度要求又不高的信息交換系統(tǒng)，目前有兩種解決方案：一是采用Internet或現(xiàn)場總線技術，該方案鋪設網絡的費用高，維護量大；二是利用現(xiàn)有的電話網通過Modem進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣不僅可以擺脫伎的分布式總線系統(tǒng)繁瑣的布線、中繼、放大以及運行過程中維護量大等問題，而且系統(tǒng)擴展極為方便，基本不受設備地域的限制，該方案靈活實用且成本低廉。圖1嵌入式Modem主要由單片機（或DSP）和調制解調芯片構成。與通用Modem相比，嵌入式Modem具有體積小、易維護、外圍電路簡單、成本低廉等特點。在企業(yè)或住宅區(qū)中的遠程監(jiān)控系統(tǒng)使用嵌入式Modem，能夠節(jié)約大量的人力和財力，大大提高自動水平，因此具有較廣闊的應用前景。本文介紹一種基于Atmel公司AVR系列單片機Atmega8和OKI公司調制解調芯片MSM7512的嵌入式Modem。 1 嵌入式Modem的硬件設計 系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，上位機與PC機，下位機是遠方的嵌入式Modem和設備。PC機是數(shù)據(jù)終端，通過嵌入式Modem與遠方終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；嵌入式Modem以Atmega8為中心，控制MSM7512芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，通過外圍電路實現(xiàn)振鈴檢測、摘機、顯示信息、呼叫遠方Modem等，它以RS232接口標準與上位機相連。 1．1 Atmega8單片機簡介 AVR單片機是美國Ateml公司生產的具有雙結構的RISC單片機系列，具有較短的指令周期和較快的運行速度。Atmega8是基于2002年推出的一款新型AVR高檔單片機，工作在16MHz時能達到16MIPS。該芯片內部集成了8K字節(jié)Flash、1K字節(jié)內部SRAM及512字節(jié)的E2PROM，具有豐富強大的硬件接口電路（32個通用寄存器，23個通用可編程I/O口，三個計數(shù)器，三個PWM通道，一個I2C的總線接口，一個USART接口，一個SPI接口，6通道的10位ADC及2通道的8位ADC），并且支持在線編程（ISP）和在應用程序（IAP）。由于采用了小引腳封裝（PDIP28和TQFP/MLF32）形式，所以其價格僅與低檔單片機相當，因此Atmgea8是一款性價比很高的8位單片機。 1．2 MSM7512簡介 MSM7512是日本OKI公司生產的一種價格低廉、功耗低、性能良好的調制解調芯片。該芯片滿足ITU-TV.23協(xié)議標準，由單電源（3～5V）供電，采用FSK半雙工調制解調方式，通信速率為1200bps，低功耗（典型值僅25mW），穩(wěn)定性好，具有片內回音消除電路，模擬輸出可直接連入PSTN；并具有TTL接口，其FSK輸出信號可直接驅動600Ω的通信電路，外圍電路簡單，可方便地與數(shù)字系統(tǒng)及計算機系統(tǒng)相連，廣泛應用于嵌入式Modem、數(shù)據(jù)傳輸和家庭安防系統(tǒng)中。圖2為該芯片的功能框圖。圖2MSM7512有四種工作模式，由MOD1、MOD2端口進行控制。當MOD1=0、MOD2=0時，MSM7512工作于調制模式，XD輸入為“0”或“1”的數(shù)字信號，AO端則對應輸出頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號；當MOD1=1、MOD2=0時，MSM7512工作于解調模式，A輸入頻率為“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信號，RD則對應輸出解調后的“0”或“1”數(shù)字信號；當MOD1=0、MOD2=1時，MSM7512工作于環(huán)路自測模式，用于檢測芯片工作是否正常；當MOD1=1、MOD2=1時，MSM7512工作于節(jié)電模式，此時MSM7512功耗僅為0.1mW，其它模式一般功耗為25mW。在本設計中所使用的工作模式是FSK調制發(fā)送及接收模式。 在硬件設計中需要著重考慮的問題是：MSM7512是一塊串行調制解調芯片，與單片機通過串口相連，而單片機上的USART串口也需要與上位機進行串行通信，但Atmega8只有這一個串口，就出現(xiàn)了串口資源不足的問題。如果僅僅為增加一個串口而使用可編程串行通信接口芯片8251，無疑會增加設計的復雜性和成本。而利用Atmega8的兩個I/O口編程模擬一個UART串口的功能（即模擬串口），可以很好地解決這個問題。這將在軟件設計部分具體介紹。 1．3 振鈴檢測和撥號電路 振鈴檢測與撥號電路如圖3所示。它的工作原理很簡單，在此不再多述。圖32 嵌入式Modem的軟件設計 軟件部分的設計包括上、下位機通信協(xié)議的制訂、上位機程序和單片機程序的編寫。其中上位機程序以Delphi為開發(fā)工具，單片機程序用ANSIC C編寫。 2．1 上位機與下位機通信協(xié)議的制訂 上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)交換必須遵循一定的通信協(xié)議，通信雙方才能按照該協(xié)議解析所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。就本設計而言，一臺PC機要對應多個下位機，屬于主從式結構。所制訂的通信協(xié)議為： 前導碼目的地址源地址數(shù)據(jù)幀CRC校驗碼前導碼使通信雙方保持同步，目的地址和源地址就是各設備所對應的電話號碼，當PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送目的地址給所有下位機，如果某個從機被上位機尋址，它將接收主機接下來發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，而其它的從機則將忽略數(shù)據(jù)幀；當PC機接收數(shù)據(jù)時，同樣地，下位機先發(fā)送源地址再發(fā)數(shù)據(jù)幀給上位機。同樣時，下位機先發(fā)送源地址再發(fā)數(shù)據(jù)幀給上位機。CRC校驗碼是為了防止傳輸出錯而設計的。為設計方便，規(guī)定數(shù)據(jù)幀為32位，其中功能碼為4位，參數(shù)為28位。功能碼為0000時，參數(shù)表示的是設備傳輸數(shù)據(jù)；功能碼為1111時，參數(shù)表示設備自檢數(shù)據(jù)。圖42．2 上位機軟件的編寫 上位機是一個數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的終端，上位機軟件的功能是：選擇并發(fā)送要呼叫的電話號碼；使計算機與嵌入式Modem能夠通過RS232接口標準收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Delphi是一種易學易用的面向對象的程序設計工具，因而采用它來編寫上位機程序。在上位機程序中要能夠對計算機串行口的硬件進行操作。然而Delphi本身不提供串行通信組件，因此需要調用Windows API函數(shù)建立一個串行通信組件Tcomm來對串口硬件實現(xiàn)控制，進而使用該組件完成串行通信功能。在設計中還需要使用其它一些組件如Button、Memo、RadioGroup等來完成軟件界面的設計。2．3 單片機程序設計 根據(jù)設計中單片機的任務設置一個全局變量TransOrReceFlag(規(guī)定值為0時，表示Modem處于接收狀態(tài)；為1時，Modem處于發(fā)送狀態(tài))，主程序根據(jù)它的值跳轉到相應的子程序中。下面分別介紹子程序的編寫過程。 嵌入式Modem發(fā)送數(shù)據(jù)：上位機按照通信協(xié)議通過串口向Atmega8先后發(fā)送目的地址（電話號碼）和數(shù)據(jù)幀。單片機在USART接收完成中斷服務程序中，將MSM7512設置為調制模式并使MSM7512與電話線連通，再控制雙音多頻信號發(fā)生器HT9200產生目的地址所對應的DTMF信號，送入MSM7512的外部信號輸入端EAI，經內部放大后從AO輸出端向電話線上發(fā)送所呼叫的電話號碼，待與遠方Modem建立起聯(lián)系后，就可以通過模擬串口向MSM7512傳送接下來所收到的數(shù)據(jù)幀。 嵌入式Modem接收數(shù)據(jù)：Atmega8外部計數(shù)口T1上有下降沿出現(xiàn)時，表明電話線上有振鈴信號，可能有遠方Modem要求和本地Modem進行數(shù)據(jù)傳輸。為防止誤撥，規(guī)定了振鈴信號需要連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)。當達到計數(shù)設定值時，單片機確認有遠方Modem要進行數(shù)據(jù)傳輸，于是將MSM7512設置為調解模式，接通電話線，再通過模擬串口接收MSM7512傳來的數(shù)據(jù)，經USART把數(shù)據(jù)傳給上位機。 單片機程序中一個重要的部分是模擬UART串口的實現(xiàn)部分。在設計中用定時/計數(shù)器0產生合適的波特率，使接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)符合異步串行通信數(shù)據(jù)幀的格式；一個普通I/O口作為TXD’，外部中斷0口T0作為RXD’；在內存中開辟一塊緩沖區(qū)模擬串口的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩沖器。規(guī)定模擬串口中數(shù)據(jù)幀為1起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，波特率為9600bps。下面就接收和發(fā)送兩個過程介紹模擬串口的實現(xiàn)。 模擬串口接收數(shù)據(jù)：串行通信中數(shù)據(jù)幀都是從一個下降沿開始的。當T0口上有下降沿出現(xiàn)并觸發(fā)中斷時，表明MSM7512已經接收到遠方傳來的數(shù)據(jù)，單片機需要對所接收到的數(shù)據(jù)進行采樣。在中斷服務程序中初始化數(shù)據(jù)位計數(shù)器和定時/計數(shù)器0，設定其第一次定時時間為1.5位，因為從起始位需要延時1.5位才能進行數(shù)據(jù)位D0的采樣（1.5位=1起始位+0.5D0位），如圖4所示。接下來的8次采樣的間隔一樣，所以在定時器第一次計時溢出后，在每次溢出中斷服務程序中重新裝載的定時時間均為1位。采樣后將所得數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)再送給上位機。圖5是模擬串口接收數(shù)據(jù)的程序流程圖。 模擬串口發(fā)送數(shù)據(jù)：與接收數(shù)據(jù)過程相比，發(fā)送數(shù)據(jù)要簡單些。因為不需要采樣，幀中所有位的時間長度是一樣的，所以定時/計數(shù)器0的定時時間為固定值，即1位的時間。送出的第一位數(shù)據(jù)是起始位，通過接收方準備接收數(shù)據(jù)，然后從最低有效位LSB支最高有效位MSB，數(shù)據(jù)被一位一位地移出，在最末的是停止位（即邏輯1），用來讓接收方區(qū)分發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。 由于在上位機程序中集成了選擇發(fā)送電話號碼的功能，所以本文所介紹的嵌入式Modem能夠靈活方便地與遠方設備進行數(shù)據(jù)傳輸。它還具有體積小、外圍電路簡單、易維護、成本低廉等特點，具有較大的應用價值。