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基于单片机的DTMF信号合成

作者：

张坚

指导教师:

李方洲

（温州大学（筹）物理与电子信息学院，325027）

摘要：

本课题最主要的特点在于用单片机来产生DTMF信号，而不是通过专用的DTMF产生芯片，具有实际应用的意义。

本文首先介绍了DTMF信号及其应用，然后详细介绍了基于单片机的DTMF信号合成的硬件及其软件系统，重点阐述了用单片机产生DTMF信号的算法，先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据，然后制作一个表格，CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据，经DAC转换后产生正弦波。

最后对单片机产生的DTMF信号的误差进行了分析，并介绍了有MT8870组成的DTMF解码系统的硬件和软件。

关键词:

DTMF；

单片机；

MT8870；

正弦波；

Fomationofdtmfsignalbasedonmicrocontroller

Author:

ZhangJian

Tutor:

LiFangZhou

（PhysicsandelectronicimformationcollegeWenZhouuniversity,325027）

Abstract:

Themaincharacteristicofthesubjectisthatuseone-chipcomputertoproduceDTMFsignal,notthroughspecial-purposeDTMFchip.ThistextintroduceDTMFsignalandapplicationatfirst,thenintroduceDTMFhardwareandhissoftwaresystemwhichbasedonone-chipcomputerindetail,explainalgorithmofproduceDTMFespecially.Calculateout1/4cyclesimpledatumofSINfunctionfirst,thenmakeoneform,CPUaccordingtospecifictimeintervalnamelysamplingcyclegetsthecorrespondingdatathrougcheckform,producesinusoidalwaveafterDAC.FinallyanalyseerrorofDTMFsignalthatone-chipcomputerproduceandintroudceDTMFdecodesystematichardwarecomposedofMT8870andsoftware.

Keywords:

Microcontroller；

sinusoidalwave；

引言

DTMF（DualToneMultiFrequency）信号是音频电话的拨号信号。

由美国AT&

T贝尔实验室研制,双音多频信号编码技术易于识别，抗干扰能力强，发号速度快，且比用modem进行远程传输的方法更为经济实用,因此这种拨号方法取代了传统的脉冲拨号。

电话中的双音多频信号有两种用途：

一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接通被叫的用户电话机；

二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作，如播放留言，语音信箱。

这些都离不开DTMF信号的产生。

目前，大多数的DTMF信号的产生都是采用专用芯片MT5087，MT8880等，这种方法信号编码产生速度快但有很大的局限性，如果音频信号频率的改变应用于别的系统时，专用芯片就发挥不了作用了,其次是要实现用户多路双音多频信号发送比较困难。

基于单片机的DTMF信号合成的系统可以克服硬件电路的缺点，容易实现多路DTMF信号，节约系统成本，使双音多频信号的应用领域更广泛。

用单片机来产生DTMF信号主要方法有通过脉宽调制、增量调制生成双音多频信号或先通过编写计算正弦函数的子程序，然后调用函数把计算得到的数据经DAC转换后产生DTMF信号。

本课题采用的方法是先通过计算得出1/4周期简单正弦函数的数据，然后制作一个表格，CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据，经DAC转换后产生正弦波。

由于前者需要编写复杂的计算正弦波函数的程序，占用相当的程序存储空间，计算时间长，降低了CPU的效率，很难保证正弦波频率的精度。

查表程序非常简单，占用硬件资源也非常少，频率精度和谐波系数取决于采样周期和表格的大小。

只要采样周期足够小和表格足够大，就可保证正弦波的精度。

1．DTMF信号介绍

1.1DTMF信号的特性

DTMF是由组（fb）和高频组（fa）两组频率信号构成，每个数字信号由低频组和高频组的任意一个叠加而成。

根据CCITT的建议，DTMF的编译码定义如表1所示，

表1电话拨号数字对应的高低频率组

可用下式表示

f（t）＝A_{a}sin（2f_{a}t）+A_{b}sin（2f_{b}t））

式中两项分别表示低、高音群的值，Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线，而且两者幅值比为K=Ab/Aa（0.7<

K<

0.9）。

同时规定，对应于表1中的标称频率在发送时，DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5％，每位数字的信号极限时长应该大于40ms，而接收设备对2％的偏差应能可靠地接收，对30ms～40ms时长的信号可以正常地接收。

与单音编码不同,DTMF信号是采用8中取2的方式,从高低两个音组中各取一个音频复合而成来代表0-9十个号码和其他功能码,再加上这8个音频信号的各频率间不存在谐波关系,大大减少了虚假信号的干扰,因而DTMF信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强。

1.2DTMF信号的应用

DTMF信号即双音多频信号,最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号。

如图1：

主叫用户摘机按键拨号后，电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路，交换机中的微机识别被叫电话号码后，接通主被叫用户实现双方通话。

DTMF信号还用于自动控制系统，如果把DTMF的发送电路用于主控系统，接受电路用于被控系统，就可以方便地组成有线或无线通信系统，如图2所示，其通道数视需要而定，16通道以内每通道只需编一位号码即可，若需要更多通道，则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。

2．系统硬件设计

2.1系统硬件的总体实现

为使产生的DTMF信号频率误差尽可能小，我们对该系统的硬件电路作了精心设计。

图3是基于单片机的DTMF信号的合成的硬件图：

图3系统的硬件图

该系统的硬件设计按实现的功能来分，可分为以下3个部分。

单片机与键盘的接口电路，实现按键信号的产生的功能，AT89C51根据读进来的键码来实现相应的键功能向P0口发按键对应的DTMF信号，数摸转换器与单片机的接口电路主要来实现把P0口发出的数字信号转换为模拟信号，最后通过RC低通滤波器把信号中的高频成分滤去。

其中，AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。

在本章下面几个小节中将根据图3的硬件设计电路，对各个模块电路进行详细的设计与分析。

2.2中央控制器——AT89C51

AT89C51是由美国Atmel公司生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机之一。

2.2.1AT89C51的特点

AT89C51具有以下几个特点：

·

AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；

片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

全静态工作,工作范围:

0Hz～24MHz；

三级程序存储器加密；

128×

8位内部RAM；

32位双向输入输出线；

两个十六位定时器/计数器

五个中断源,两级中断优先级；

一个全双工的异步串行口；

间歇和掉电两种工作方式。

2.2.2AT89C51的功能描述

AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。

它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

2.2.3AT89C51引脚功能

AT89C51单片机为40引脚芯片见附录1。

1．口线：

P0、P1、P2、P3共四个八位口。

▪P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。

由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。

▪P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。

▪P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。

不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。

▪P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。

作为第一功能使用时操作同P1口。

P3口的第二功能如表2所示。

2．控制口线:

PSEN（片外选取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）;

3．电源及时钟：

VCC、VSS、XTAL1、XTAL2　操作方法。

表2P3口的第二功能

2.2.4操作方法

1．程序存储器加密。

AT89C51芯片程序存储器有三级硬件加密,能够有效地保证系统不被仿制和软件不被复制,加密等级设置见附录2。

2．工作模式。

AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。

间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。

这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。

掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停止振动,CPU停止执行指令。

该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。

只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位掉电模式可被终止。

2.3数摸转换器——DAC0832

在电子技术的很多应用场合往往需要把数字量转换成模拟量，称为数/模转换器（D/A转换器，简称DAC）。

完成这种转换的线路有多种，特别是单片大规模集成D/A转换器问世，为实现上述的转换提供了极大的方便。

使用者可借助于手册提供的器件性能指标及典型应用电路，即可正确使用这些器件。

本系统将采用大规模集成电路DAC0832实现D/A转换。

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数/模转换器。

图4是DAC0832的逻辑框图及引脚排列。

图4DAC0832单片D/A转换器逻辑框图和引脚排列

器件的核心部分采用倒T型电阻网络的8位D/A转换器，它是由倒T型R－2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。

DAC0832各引脚含义如下：

CS为片选信号，CS与ILE（输入寄存器允许信号）合起来可对写信号WR1是否起作用进行控制。

WR1写信号用以将8位数字量D7D6D5…输入并锁存于DAC0832内部的输入寄存器中，WR写信号与传送控制信号XFER同时有效，则将输入寄存器的数字量再传送到8位D/A寄存器锁存起来。

这时8位D/A转换器就开始工作。

IOUT1和IOUT2为输出电流，其中IOUT1是D/A寄存器内容为全1时输出电流为最大；

当D/A寄存器内容为零时输出电流为0。

IOUT2为一常数与IOUT1之差，即IOUT1+IOUT2=常数。

AGND和DGND分别为模拟量地和数字量地，它们应共地。

VREF精度尽可能高一些。

V是电源电压，其值可在+5V到+15V。

R为反馈电阻，由于片内已具备反馈电阻，故可以与外接运算放大器的输出端短接。

DAC0832输出的是电流，要转换为电压，还必须经过一个外接的运算放大器，电路如图5所示。

图5电流转换为电压电路

图5中

、

接地为低电平，ILE为高电平，DAC0832处于直通的工作状态。

输入数字量（D0~D7）通过输入锁存器，数据寄存器直接传送到DAC，输出相应模拟量。

运放的输出电压为

…

）

由上式可见，输出电压VO与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

2.4单片机与键盘的接口电路

图6是单片机与键盘的接口电路。

单片机的串行口在方式0下工作，作为同步移位寄存器使用，这时以RXD端作为数据移位的出口，而TXD端提供移位时钟脉冲。

在无键按下的情况下p1.0,p1.1读进来的是高电平，当有键按下时，p1.0或p1.1端将会变为低电平。

图6单片机与键盘的接口电路

2.5AT89C51与DACO832的接口电路

图7是AT89C51与DACO832的接口电路。

在这里P0口是做为输入口使用的，由于通路中已有输出锁存器，因此数据输出可以与外设直接相连，无需再加数据锁存器电路。

但是由于输出电路是漏极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。

DAC0832是处于直通状态，P3.6把第一写信号，第二写信号，数据传送信号拉为低电平。

图7AT89C51与DACO832的接口电路

2.6RC低通滤波器

由于从DAC0832出来的DTMF信号含有丰富的高频成分，信号波形是阶梯型的需要经过一个低通滤波器,使信号变得光滑与准确。

图8是简单的RC低通滤波器。

图8RC低通滤波器

由图8我们可以知道：

ωc=1/（RC）称为截止角频率，相应地fc=ωc/（2π）=1/（2πRC）称为截止频率。

构成DTMF信号的8个音频的最高频率1633（由表1可知）,因此，我选择了6.8k的电阻和0.01uf的电容，使截止频率为2341hz。

3．系统软件设计

系统的软件设计主要分为单片机与键盘接口程序，DTMF信号产生程序设计，单片机与D/A接口程序设计。

下面，就整体设计以及每个单元功能模块分别进行详细说明。

3.1系统程序设计

图9是系统的程序流程图。

图9系统的程序流程图

3.2单片机与键盘接口程序设计

图10单片机与键盘程序流程图

图10是键程序流程图，主要分为键扫描，去抖动，键码计算，等待键释放等。

3.2.1键扫描

如图11所示，键盘的行线一端经电阻接+5V电源，另一端接单片机的输入口线。

各列线的一端接单片机的输出口线，另一端悬空。

为判定有没有键被按下，可先经输出口向所有列线输出低电平，然后再输入各行线的状态。

若行线状态皆为高电平，则表明无键按下；

若行线状态中有低电平，则表明有键被按下。

接下来就要确定被按键的位置。

先使输出端口输出0FEH，然后输入行线状态，测试行线状态中是否有低电平的。

如果没有低电平，再输出0FDH，当出现行线有低电平时，则闭合键找到，此次扫描结束。

3.2.2去抖动

当扫描表明有键被按下之后，紧接着应进行去抖动处理。

因为常用键盘的键实际上就是一个机械开关结构，当被按下的时，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。

一般为5到10ms。

为保证键扫描的正确，需进行抖动处理。

在这里我采用了软件延时的方法，延时时间为10ms。

3.2.3键码计算

被按下来的键确定下来后，接下来的工作是计算闭合键的键码，因为有了键码，才好通过转移指令把程序执行转移到闭合键所对应的功能子程序中。

下面是计算键码的公式：

键码=行首号+列号

3.2.4等待键释放

等待键释放是为了保证键的一次闭合仅进行一次处理，这里我是通过等待来实现的。

3.3产生DTMF信号的程序设计

3.3.1函数y=C*sin（ωt）＋C的数据表分析

正弦函数y=C*sin（ωt）的波形如图12。

CPU对不同时间所对应的相位进行计算得出相应的数据，经DAC转换后产生正弦波；

也可先通过计算得出一个周期的数据，制作一个表格，CPU按特定的时间间隔即采样周期查表得到对应的数据，经DAC转换后产生正弦波。

但前者需要编写复杂的计算正弦波函数的程序，占用相当的程序存储空间，计算时间长，降低了CPU的效率，很难保证正弦波频率的精度。

查表方法产生正弦波先计算出正弦波一个周期的数据，作为产生波形的数据表。

采样周期足够小和表格足够大，就可保证正弦波的精度。

为了数据表足够大，尽量占用较小的程序存储空间，实际只需制作0°

到90°

的数据表格，经过简单的运算即可得到一个周期的数据，又可减少3/4数据表存储空间。

Y=C*sin（ωt）对应的电信号为交流信号，须经电平提升为直流电才能满足CPU的输出特性，函数Y=C*sin（ωt）＋C符合要求。

对该函数经数学分析或图形观察，会得出以下结论：

（1）相位为0°

～90°

时，计算出的数据分布为由0到C。

用0°

的数据表，经DA转换后可产生函数Y=C*sin（ωt）在0°

范围内的波形。

每次读出的数据加C，经DA转换后可产生函数Y=C*sin（ωt）＋C在0°

图12y=63*sin（t）的波形

（2）相位为90°

～180°

时，于0°

的图形左右对称，通过相反的方向，即由后向前读0°

的数据表，每次读出的数据加C，经DA转换后可产生该函数在90°

到180°

（3）相位为180°

～270°

的图形上下对称，对应数据绝对值相等，符号相反。

读数据表的方向与0°

相同，每次读出的数据符号取反再加C，经DA转换后可产生该函数在180°

到270°

（4）相位为270°

～360°

时，于180°

的数据表，每次读出的数据符号取反再加C，经DA转换后可产生该函数在270°

到360°

3.3.2函数Y=C*sin（ωt）＋C的频率计算

Y=C*sin（ωt）＋C的相位由0°

起，每增加一个单位（即角度增量）计算出一个数据，如δ=1°

，共可得到360个数据，由此制作一个大小为包含360个数据的数据表。

角度增量δ决定了数据表的大小，一个周期数据表的大小为360/δ。

实际只需制作0°

的数据表，大小为S=90/δ，由于起点也是一个数据，表格实际大小比S多1个单元。

CPU每隔恒定的时间间隔（即采样周期Tc），由数据表的第一个数据起，按特定的步长N，读下一个数据，送DA转换器。

N=1时每读一个数据，表格指针前进一步，即读出相邻的下一个数据，表格大小/步长=S/N=90步后，即可产生函数1/4周期的波形，4S/N=360步后，即可产生一个周期的波形。

如采样周期Tc=10μs，得：

周期=360Tc，频率=1/360Tc=278Hz。

CPU由第一个数据起，N=2时每读一个数据，表格指针前进两步，即间隔一个数据读一个数据，4S/N=360/2=180步后即可产生一个周期的波形周期=180Tc，频率=1/180Tc=556Hz。

同理，由第一个数据起，按不同的步长N读下一个数据，4S/N步后即可产生函数一个周期的波形，周期=4TcS/N，频率=N/4TcS。

表格大小S=90/δ、步长N和采样周期Tc决定了频率，即频率f=N/4TcS=Nδ/360Tc。

由指定的频率反过来推得步长N=360fTc/δ。

根据香侬定理，正弦波一个周期内的采样次数必须大于2，才可反应原函数的频率特性，一般要求采样次数要大于5。

对一个特定频率的正弦函数，合理选择步长N和采样周期Tc，很易满足这一条件。

3.3.3DTMF波形振幅的计算

函数Y=C*sin（ωt），振幅为C，对应交流电信号的峰峰值为2C。

为满足CPU的输出特性，电平提升为直流电后的函数为Y=C*sin（ωt）＋C，最大值为2C，最小值为0。

DTMF信号是由两个频率不同、幅度相同的正弦波叠加而成，YDTMF=C*sin（ω1t）+C*sin（ω2t）＋2C，它的最大值是4C，最小值为0。

而8位DA转换电路所能表达的最大值为28-1=255，n位转换电