基于AVR單片機的串口轉(zhuǎn)FSK的通信模塊設(shè)計

隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交互應(yīng)用業(yè)務(wù)給人類生活帶來更多的便利，信息終端表現(xiàn)出巨大的市場潛力。但是由于終端用戶環(huán)境不同，用戶信息交互方式可能不同，目前常用的有IP方式、FSK方式以及無線通信方式等。為了能夠提高終端市場競爭力，減少系統(tǒng)開發(fā)成本投入，通信模塊與終端程序獨立設(shè)計是較為理想的解決方案。本文采用ATmega48芯片及CMX865芯片實現(xiàn)FSK通信模塊，基于此模塊，用戶與業(yè)務(wù)平臺之間進行FSK信息交互，相對于終端來說就是簡單的串口通信。

1　ATmega48介紹

　　ATmega48是基于AVR增強型RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的8位CMOS微控制器。微控制器具有可控制的上電復(fù)位和可編程的掉電檢測電路、經(jīng)過標(biāo)定的片內(nèi)RC振蕩器、片內(nèi)外18個中斷源和5種休眠模式。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega48的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，運行速度比普通的單片機高出10倍，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　其片內(nèi)集成了4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、256字節(jié)的EEPROM、512字節(jié)的SRAM。其外設(shè)具有可編程的串行USART接口、可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；存在2個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時／計數(shù)器和1個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時／計數(shù)器、具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器等。ATmega48/88/168芯片硬件電路可以完全兼容，完全可以根據(jù)軟件實際需求靈活選擇AVR芯片，極大地方便系統(tǒng)的開發(fā)與研制。

2　CMX865簡介

　　CMX865是CML公司新出的一款DTMF編/解碼器/FSK調(diào)制解調(diào)器復(fù)合IC芯片，它采用單個高速串行總線控制，與大多數(shù)串行接口兼容。CMX865的主要特征是：

◆ 供電電壓2.7~5.5 V，低功耗操作模式；
◆ 支持V.23、Bell202 FSK 1200 bps編碼/解碼；
◆ 集成高可靠性DTMF編碼器/解碼器；
◆ 集成振鈴檢測功能，支持語音探測功能。

3　硬件設(shè)計

　　圖1為串口轉(zhuǎn)FSK通信模塊電路。系統(tǒng)主要以AVR單片機ATmega48芯片和CMX865調(diào)制/解調(diào)芯片為硬件架構(gòu)，ATmega48芯片利用CBUS總線對CMX865芯片進行控制操作，實現(xiàn)FSK通信。CMX865芯片的IRQN終端與CPU芯片的外部中斷0（INT0）相連，確保軟件可以采用中斷方式接收/發(fā)送FSK數(shù)據(jù)。CMX865芯片的時鐘信號、片選信號、響應(yīng)應(yīng)答數(shù)據(jù)信號、接收控制數(shù)據(jù)信號分別與ATmega48芯片的普通I/O接口引腳相連，CPU可以通過模擬口線方式對CMX865芯片進行控制。

圖1　串口轉(zhuǎn)FSK通信模塊電路

　　圖1還提供了基本的FSK接收/發(fā)送數(shù)據(jù)接口電路和振鈴檢測電路。在FSK發(fā)送電路中，CMX865芯片TXA（15引腳）處外接電阻的目的是匹配芯片接口對線路的交流阻抗。在FSK接收電路中，CMX865芯片RXAFB（9引腳）與RXAN（10引腳）之間的電容以及隔離變壓器之間電容設(shè)計的目的是濾除高頻噪聲；通過調(diào)節(jié)接收電路中兩個電阻R1、R2的阻值即可改變接收端提供給CMX865芯片信號的幅度。在振鈴檢測電路中，IC1是光電耦合器，不振鈴時光電三極管截止，RING為高電平；振鈴時，振鈴信號經(jīng)過電容耦合及穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，振鈴電壓使IC1內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光，照射到光電三極管的基極上導(dǎo)致光電三極管導(dǎo)通，RING為低電平，通過ATmega48引腳檢測到低電平的振鈴信號。

4　軟件實現(xiàn)

　　ATmega48芯片具有4 KB內(nèi)部Flash和512字節(jié)的片內(nèi)SRAM，軟件實現(xiàn)需考慮資源分配問題，特別是SRAM使用情況。由于程序涉及串口通信、DTMF通信和FSK通信3種情況，理論上需要開辟6個緩沖區(qū)。如果這樣，每一個緩沖區(qū)的大小顯然不能確保達到實際通信數(shù)據(jù)量的需求。結(jié)合FSK通信特點，DTMF數(shù)據(jù)傳輸與FSK數(shù)據(jù)傳輸不可能同時發(fā)生，因此FSK與DTMF可共用相同緩沖區(qū)。同樣串口接收與FSK發(fā)送、串口發(fā)送與FSK接收都不會同時發(fā)生，這樣通信只需要開辟兩個緩沖區(qū)就可以確保模塊正常通信，考慮實際業(yè)務(wù)平臺數(shù)據(jù)量情況，軟件設(shè)計中為FSK接收開辟255字節(jié)緩沖區(qū)復(fù)用；FSK發(fā)送開辟45字節(jié)緩沖區(qū)復(fù)用。

4.1　主程序?qū)崿F(xiàn)流程


圖2　主程序流程

　　通信模塊主程序包括：CPU初始化、CMX865初始化、初始化建鏈、串口通信和FSK通信子程序等。主程序流程如圖2所示。初始化建鏈環(huán)節(jié)是模塊正常工作的基礎(chǔ)，通過初始化建鏈操作，信息終端可以根據(jù)線路環(huán)境以及平臺超時機制對通信模塊參數(shù)進行設(shè)置，確保通信的穩(wěn)定性。通信主流程循環(huán)執(zhí)行3個子功能函數(shù)：線路狀態(tài)處理函數(shù)、串口數(shù)據(jù)解析與處理函數(shù)、鏈路保持函數(shù)。線路狀態(tài)處理函數(shù)設(shè)計了3種線路狀態(tài)，即初始狀態(tài)、空閑狀態(tài)和摘機狀態(tài)；正常工作時僅在空閑狀態(tài)和摘機狀態(tài)之間切換。其中在空閑狀態(tài)檢測振鈴、根據(jù)狀態(tài)位執(zhí)行摘機、DTMF撥號等操作；在摘機狀態(tài)根據(jù)狀態(tài)位執(zhí)行FSK收發(fā)、脫線檢測、掛機控制等操作。串口數(shù)據(jù)解析與處理函數(shù)包含串口數(shù)據(jù)按命令集解析、對解析命令進行應(yīng)答和狀態(tài)置位處理部分。這樣線路狀態(tài)處理函數(shù)和串口數(shù)據(jù)解析與處理函數(shù)通過狀態(tài)置位標(biāo)志緊密連接起來。FSK數(shù)據(jù)采用中斷方式直接接收，接收完畢后在摘機狀態(tài)下直接通過串口發(fā)送給信息終端。由于串口發(fā)送應(yīng)用相對單一，為簡單處理串口發(fā)送采用即時應(yīng)答處理方式，分散在通信主流程各子功能函數(shù)中實現(xiàn)，提高了通信效率。通過鏈路保持函數(shù)判斷串口通信是否異常，通信模塊周期性地向信息終端發(fā)送鏈路保持命令，如果3次重發(fā)均未收到終端應(yīng)答命令，通信模塊將自動鎖閉線路，重新執(zhí)行初始化建鏈操作，實現(xiàn)串口異常的處理。

4.2　對外串口通信協(xié)議

　　模塊采用標(biāo)準(zhǔn)串口通信，波特率為19 200 bps，10位異步方式。定義串口通信數(shù)據(jù)包格式為：0x1E+命令+校驗和反碼（對命令的校驗和反碼），其中部分命令以變長方式發(fā)送。串口通信主要命令有：模塊初始化、鏈路保持、DTMF接收/發(fā)送、FSK接收/發(fā)送、振鈴、掛機等，命令具體格式和描述此處不加詳述。模塊初始化上電后由通信模塊自動發(fā)起，直到正確接收到終端應(yīng)答初始化命令后，通信模塊才建鏈成功。信息終端初始化應(yīng)答命令主要提供FSK通信模塊參數(shù)配置信息。上電后如果FSK模塊未收到終端初始化應(yīng)答信息，則周期性地（每2 s）發(fā)送一次初始化建鏈命令，直到成功為止；模塊FSK通信過程中周期性地向終端發(fā)送鏈路保持命令，如果未收到終端應(yīng)答信息，則斷開FSK鏈接重新開始模塊初始化。

4.3　串口通信實現(xiàn)

AVR單片機串口通信往往采用SPI通信方式[78]，通信模塊串口通信采用UART0控制/狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)。串口通信子程序主要由串口發(fā)送/接收中斷子程序、串口接收命令解析子程序和串口組包發(fā)送子程序3部分組成。其中串口中斷接收程序為：

#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:19
void uart0_rx_isr (void){// UDR0數(shù)據(jù)寄存器，aHostRxBuf串口接收/FSK發(fā)送復(fù)用緩沖區(qū)，iHostRxWr接收數(shù)據(jù)指針
aHostRxBuf [ iHostRxWr ++ ] = UDR0;
}
串口中斷發(fā)送程序：
#pragma interrupt_handler uart0_tx_isr:21
void uart0_tx_isr (void){
if (g_ucUartSendNum) { //數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完畢
UDR0 = aHostTxBuf [g_ucUartSendAddss];
g_ucUartSendNum--;
g_ucUartSendAddss++;
if (g_ucUartSendNum==0){ //字節(jié)發(fā)送完畢地址歸零
g_ucUartSendAddss = 0;
UCSR0B = ~0x28; //UCSR0B UART0控制/狀態(tài)寄存器
}
}
}

　　具體執(zhí)行串口數(shù)據(jù)發(fā)送時，需要提供發(fā)送數(shù)據(jù)長度、發(fā)送起始地址、置UCSR0B寄存器值（UCSR0B |= 0x28）。串口接收命令解析子程序按照對外串口通信協(xié)議解析串口命令，并根據(jù)命令描述調(diào)用子程序代碼執(zhí)行相應(yīng)子功能操作。為了通信容錯處理，通信模塊需對接收串口數(shù)據(jù)進行校驗，如果解析的串口命令格式正確，則向終端發(fā)送肯定應(yīng)答；否則發(fā)送否定應(yīng)答，等待終端重傳命令數(shù)據(jù)。串口組包發(fā)送子程序?qū)邮盏腇SK數(shù)據(jù)以及線路狀態(tài)等信息數(shù)據(jù)，按照串口通信協(xié)議組包發(fā)送給信息終端。

4.4　FSK通信實現(xiàn)

　　FSK通信子程序主要由CMX865芯片寄存器操作、FSK收/發(fā)、DTMF收/發(fā)以及線路狀態(tài)檢測等子程序組成。ATmega48芯片采用模擬口線的方式對CMX865寄存器進行讀/寫操作，其中對CMX865芯片寄存器讀操作程序為：

unsigned int ReadModem (unsigned char _Register){
unsigned char i；
unsigned int iRecBuf,temp;
DisableInterrupts; //禁止中斷
CBUS_CSN_CLR; //MODEM片選CS口置低
CbusData (_Register, 8); //采用模擬口線對寄存器進行寫操作
Temp = 0x8000;
CBUS_CLK_CLR; //將位時鐘線置低電平，開始接收
for (i=0;i16;i++){//循環(huán)接收16位的數(shù)據(jù)
CBUS_CLK_SET; //將位時鐘線置高電平，表示一個位接收完畢
if (PINB 0x01)
iRecBuf |=temp; //接收數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)
Temp>>=1;
CBUS_CLK_CLR; //將位時鐘線置低電平，開始接收
}
CBUS_CSN_SET; //發(fā)送完以后MODEM片選CS口置高
EnableInterrupts; //打開中斷
return iRecBuf;
}

　　FSK收/發(fā)、DTMF收/發(fā)子程序均以CMX865寄存器讀/寫操作函數(shù)為基礎(chǔ)，通過設(shè)置CMX865寄存器的值，確定其工作模式。FSK數(shù)據(jù)發(fā)送、接收都可以通過CMX865芯片的IRQ中斷口線引起ATmega48芯片中斷，因此FSK數(shù)據(jù)收/發(fā)都通過中斷實現(xiàn)。芯片程序采用10 ms定時器循環(huán)檢測線路狀態(tài)。

結(jié)語

　　本文利用ATmega48芯片和CMX865芯片為硬件架構(gòu)設(shè)計了串口轉(zhuǎn)FSK通信模塊。由于ATmega48芯片與ATmega88芯片除了Flash、EEPROM、SRAM容量差異外，性能完全相同。通信模塊可以不更改硬件電路，僅配置相應(yīng)AVR芯片，對軟件稍作調(diào)整，能夠滿足通信業(yè)務(wù)對通信數(shù)據(jù)量增加的需求，節(jié)約模塊二次開發(fā)的成本。目前本通信模塊已在一款新型的電子交易終端上使用，并與中興、精倫等電子交易平臺進行信息交互，運行效果良好。