引言
    雙音多頻(DTMF)信號由貝爾實驗室發明，最初是用于電話系統中電話機與交換機之間的一種用戶信令，通常用于發送被叫號碼。DTMF信號由高頻群和低頻群組成，高、低頻群各包含四個頻率。一個高頻信號和一個低頻信號疊加組成一個組合信號，代表一個數字。DTMF信令有16個編碼。雙音多頻的撥號鍵盤是4×4的矩陣。每按一個鍵就發送一個高頻和低頻的正弦信號組合，因為任何2個頻率之間沒有諧波干擾，因此其抗干擾能力很強，遠程傳輸之后的誤判率很低。
    交換機中DTMF、解碼芯片采用CM8870實現通訊線路上雙音多頻信號的解碼功能，該芯片將偵聽到的雙音多頻信號轉換為二進制四位代碼，發往單片機，為單片機提供數據流的目的信息。雙音多頻信號是一組由高頻信號與低頻信號疊加而成的組合信號。雙音多頻信號解碼是交換機中非常重要的組成部分，是否能夠準確地解碼出線路發送來的雙音多頻信號是建立通信鏈路的關鍵，它的工作情況直接決定了遠程數據通訊的可靠性。本系統采用的雙音頻解碼芯片CM8870集成了頻帶分離濾波器和數字解碼器，可以將接收到的DTMF信號轉換成8421碼。

1 CM8870解碼功能實現
1．1 CM8870芯片簡介
    CAMD公司的CM8870雙音多頻信號解碼器為單片18腳DIP封裝芯片，該芯片內含濾波器與數據解碼功能，可濾除340～3 400 Hz外的非音頻信號，同時將音頻信號轉換為二進制4位數字信號，內部CMOS工藝大大降低了芯片功耗，功耗僅為35 mW。CM8870內置一個差分輸入放大器、一個時鐘產生器及一個三態鎖存接口總線，減少了芯片外圍組件，只需要接一個普通晶振即可正常工作。其特點如下：提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能；功耗低于35 mW；可以工作在工業溫度范圍內；可外接晶振，且內含震蕩器產生基準頻率信號；采用18引腳DIP，EIAJ，OIC，PLCC封裝。
    CM8870電路的基本特性是提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能，輸出相應的16種DTMF頻率組合的4位并行二進制碼。電路輸出的二進制碼D1～D4由數據輸出允許段TOE控制，當TOE為高電平時，D1～D4輸出與當前輸入的DTMF信號相對應的二進制碼；當TOE為低電平時，D1～D4端呈高阻狀態。運放和R1，R2，C1組成一反相放大器，對輸入的DTMF信號進行隔離放大，其增益．K=-R2／R1，改變R2的值可改變增益的大小，VREF為基準電壓輸出端，取VDD／2=2．5 V；INH和PD為內部電路連接點，應接地；OSCl和OSC2為振蕩器輸入輸出端，外接3．58 MHz晶振與內部振蕩器產生基準頻率信號；STD為延遲控制輸出端，當一組有效的雙音頻信號被接收時輸出“1”，否則輸出“O”；ESt為初始控制輸出端，若電路檢測出可識別的單音對，則此端變成高電平，若無輸入信號或連續失真，則ESt返回低電平；SI／GT為控制輸入端／時間監測輸出端。功能框圖如圖1所示。
 

雙音多頻信號是用兩個不同頻率的信號組合來表示一個字符或數字。這兩個頻率一個選自低頻段，一個選自高頻段，每個頻段分別包含四個不同的頻率，因而總共可以組合成16種選擇，而常用的只有12種，它們是O～9，以及#號和*號。CM8870能將DTMF信號譯碼成4位二進制碼。
1．2 CM8870的收號過程
    CM8870組成收號電路，它的輸入為來自模擬用戶接口雙音多頻信號，輸出為4位二進制數據，供處理器從數據總線口讀入。其收號過程如下：模擬信號從IN一腳引入后，經雙音濾波器初步濾除帶外干擾信號，隨后，此濾出信號在經高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，這兩種分量分別通過過零檢測后送給數字檢測計算電路；該電路對音頻信號進行進一步的優化，能排除外部噪聲因偶然含有某些特定頻率而被編碼器編碼，或者影響編碼器的編碼，從而引起后續的收號錯誤。當高、低頻組信號同時被編碼器檢測到時，ESt腳將輸出高電平作為有效檢測DTMF信號的標志，而當DTMF信號消失時，ESt腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被CM8870誤編碼，編碼器要求被編碼的音頻信號能維持一段時間，這段時間由外部的一個RC電路來決定。如前所述，當音頻信號被檢測到時，ESt輸出高電平1，電容放電，VC上的電壓值上升(假設信號在整個要求時間內部存在)，VC升到一個門限值Vrst時，該音頻信號被編碼，變成了數字信號，該數字信號將被鎖存起來，此時，GT就為高，使VC點的電壓由門限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持為高，GT就為高，外部的RC電路回到初始狀態，隨后，經過一段鎖存操作引起的延時后，STD腳輸出高電平，表示信號鎖存完畢。這時，若要從Q1～Q4上讀這4位編碼，應使TOE為高，打開鎖存器，就完成了DTMF的收號任務。

2 單片機控制CM8870設計
2．1 SM895l控制框圖
    SM8951外圍電路連接如圖2所示，單片機通過P1．4管腳與模擬摘掛機電路相連，有設備呼叫通信時，單片機會通過該管腳檢測到線路上有摘機動作，然后單片機控制鈴流發生器向呼叫方發送撥號音，收到號碼后，將該號碼用DTMF、解碼器解碼并經過P2．7腳發給單片機，單片機對該號碼進行分析，確定主叫方呼叫的對象，而后單片機摘機，判定終端交換機是否空閑，若空閑則發送呼叫號碼，收到回應后，給被叫方發送振鈴音，給主叫方發送回鈴音，被叫一旦摘機，則單片機馬上退出操作，完成呼叫轉移。
 
  CM8870與SM8951單片機的接口電路如圖3所示。SM8951單片機的PO．O～PO．3讀取CM8870的譯碼數據，當CM8870接收到一個有效DTMF信號后，ESt端首先變為高電平，經積分電路使控制輸入端SI電平升高，若SI端電平高于門限電平，CM8870內部的4位二進制碼被更新，STD端變為高電平，SM8951單片機通過P2．7口檢測到這一信息后就開始接收。若CM8870無DTMF信號輸入或DTMF信號連續失真，則ESt端為低電平，SI端為低電平，STD端輸出低電平。 
 

雙音頻解碼電路如圖4所示。雙音頻信號輸入點與一個三極管的集電極V1相連接，當V1導通時，從電話線上送來的雙音頻信號進入CM8870。如果CM8870接收到的是有效的DTMF信號，便解碼出對應的8421碼從數據輸出端Q1～Q4輸出，該數據進入單片機PO．0～P0．3口，完成數據采集、判斷和處理。另外，從CM8870的第15腳出來的狀態信號進入單片機的P2．7端口，通知單片機讀取數據。
2．2 單片機控制過程
    單片機控制交換機通信時要時時監控通信鏈路中是否有摘機、掛機動作。摘機、掛機電路其實就是一個電子開關，控制電路板和電話線之間的連接。平時這個開關應該處于斷開的狀態，以免造成電話線占線；當需要實現遠程控制時，如果振鈴響5次而無人接聽，這時就需要讓電路板和電話線路接通，即完成摘機動作。V1就是一個電子開關，該開關的導通與否受到單片機P1．4口的控制。摘機掛機電路如果用繼電器設計，電路要簡單一些，但在實用中發現耗電大，5 V的繼電器吸合電流高達30μA，另外繼電器也容易產生火花干擾。采用晶體管摘機掛機電路克服了這些問題。
    軟件設計流程圖如圖5所示。
 

當單片機控制CM8870作為主叫方時，單片機要先對CM8870進行初始化，然后控制摘機電路摘機，收到被叫方的撥號音后，單片機控制鈴流發生器產生振鈴，作為主叫方呼叫。等待一段時間后，看對方有沒有接機。若對方摘機，則通信開始，否則掛機，通信結束。
    當中繼作為被叫方時，啟動單片機后，程序要首先對CM8870進行初始化，然后隨時檢測是否有振鈴音，如果有，由單片機控制摘機電路主動摘機，等待一段時間，確保已經摘機后，單片機控制鈴流發生器產生振鈴，作為主叫方呼叫。等一段時間后，完成呼叫轉移功能，掛機，結束通信。

3 結語
    本系統基于SM8951單片機與CM8870雙音多頻解碼芯片實現小型工控交換機功能，該小型交換機可用于以電力線或雙絞線為傳輸載體的工控網絡遠程數據傳輸，依據PSTN公共電話交換網絡協議與信令標準，采用電路交換原理實現交換功能。該小型交換機可置于網絡通信的中繼器中，也可置于末端的數據處理器中，通常，該交換機只負責轉發數據，為數據通信建立傳輸鏈路，數據在交換機中的傳輸是雙向的。交換機不是數據的最終目的地，而只是一個“驛站”。雖然隨著數字通信技術的發展，交換技術日趨復雜，交換功能日益完善，但對于工控網絡來說，基于有線網絡的電路交換技術仍以其低成本，易實現、安全可靠性高等優點而被廣泛使用。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM