雙音多頻(DTMF)編解碼通信具有抗干擾強(qiáng)、低成本、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)。本文提出基于DTMF遠(yuǎn)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(jī)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的功能，形成遠(yuǎn)程遙測遙控逆變電源，擴(kuò)大了逆變電源的應(yīng)用范圍。
0 引言
在遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)中(或遠(yuǎn)程多機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)DTMF遠(yuǎn)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(dú)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(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化設(shè)計。將單片機(jī)、SA8282和MT8880芯片結(jié)合起來設(shè)計成基于DTMF技術(shù)的逆變電源，具有低成本、高可靠遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的功能，形成遠(yuǎn)程遙測遙控逆變電源，擴(kuò)大了逆變電源的應(yīng)用領(lǐng)域。
本文介紹一種基于DTMF技術(shù)的逆變電源的設(shè)計，由AT80C51單片機(jī)、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(fù)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(yuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行接收解碼處理。后端主控單元由單片機(jī)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(jī)80C51進(jìn)行處理、顯示。后端主控單元將命令字通過MT8880傳輸?shù)角岸耍瑢?shí)現(xiàn)前、后端雙工遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
2 MT8880-DTMF的特性與收／發(fā)設(shè)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(yīng)用特別廣泛。DTMF數(shù)字信號的表達(dá)式為：
上式中兩項(xiàng)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(biāo)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(shè)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(diǎn)。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(biāo)準(zhǔn)；發(fā)送部分采用開關(guān)電容進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換。MT8880C具有標(biāo)準(zhǔn)的微處理器總線與MCS-51系列單片機(jī)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(yùn)放輸入；GS：Gain Slee-t，運(yùn)放輸出端；REF：參考電壓；Vss電源負(fù)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(dāng)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(yīng)的方式信號；D0～D3：數(shù)據(jù)線；Est：滯后前輸出。當(dāng)檢測到有效音頻對時，就變?yōu)楦唠娖?，信號條件不滿足時又立刻返回低電平；St／Gt：滯后輸出／保護(hù)后輸出。當(dāng)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(dāng)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(jī)接口及收／發(fā)設(shè)計
MT8880與單片機(jī)80C51接口及收／發(fā)設(shè)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(dāng)MT8880作為DTMF接收器時，DTMF信號送到MT8880的IN+和IN-端，經(jīng)運(yùn)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(jìn)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(biāo)識位b3復(fù)位，狀態(tài)寄存器中的接收數(shù)據(jù)寄存器滿標(biāo)識位b2復(fù)位。若MT8880設(shè)置為中斷工作方式，那么當(dāng)標(biāo)識位b3復(fù)位時，IRQL由高電平變?yōu)榈碗娖?，向CPU發(fā)出中斷申請，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷，讀出寄存器中的數(shù)據(jù)后，IRQL返回高電平。
當(dāng)MT8880作為DTMF發(fā)送器時，數(shù)據(jù)總線D0～D3上4位二進(jìn)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(zhǔn)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(jī)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(wù)后，IRQL由低變高，開始接收下一個信號(設(shè)計時應(yīng)注意中斷時間小于撥號內(nèi)部數(shù)字時間間隔)。當(dāng)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(yuǎn)程通信的逆變電源及其主電路設(shè)計
基于MT8880的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信等兩大部分組成，包括單片機(jī)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(shè)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(shí)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(jìn)行隔離變壓，以減小電源的體積和重量。
由單片機(jī)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(hù)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(shè)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(shí)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(fù)位和控制中，要對MT8880的寄存器進(jìn)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(shí)現(xiàn)，CRA和CKB的功能以及狀態(tài)寄存器的功能參考文獻(xiàn)。在對MT8880的初始化過程中，單片機(jī)使MT8880的RSO=0和R／W=0時，對發(fā)送數(shù)據(jù)暫存器進(jìn)行寫操作；在RSO=0和R／W=1時，對接收數(shù)據(jù)暫存器進(jìn)行讀操作；當(dāng)RSO=1和R／W=0時，對控制寄存器的CRA／CRB進(jìn)行寫操作：當(dāng)RSO=1和R／W=1時，對狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀操作。單片機(jī)對MT8880初始化程序?yàn)椋?br />
4．2 基于DTMF傳輸?shù)臄?shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計
單片機(jī)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(shí)現(xiàn)DTMF信號的編碼與解碼和數(shù)據(jù)傳輸，大大簡化了設(shè)計的復(fù)雜性。采用簡單而廉價的DTMF方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸，可廣泛得應(yīng)用于遙控遙測方面，比如遠(yuǎn)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(fèi)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(jī)控制的逆變電源相結(jié)合，形成低成本高可靠具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信功能的逆變電源，擴(kuò)大了逆變電源的應(yīng)用范圍，使DTMF技術(shù)更加廣泛地應(yīng)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(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)時，形成具有遠(yuǎn)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(shè)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(shí)時控制。由于波形為純正弦波，減少諧波影響，提高工作效率。