基于STC12C2052的對講機加密系統(tǒng)設(shè)計

摘要：將亞音頻信號應(yīng)用于對講機中，提出了一種基于單片機STC12C2052的亞音頻信號發(fā)生器的設(shè)計方案，實現(xiàn)對講機的加密功能。利用單片機自身的PWM產(chǎn)生正弦波，從而產(chǎn)生各種頻率不同的亞音頻信號。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作簡便，可廣泛應(yīng)用于無線電通信的各種場合。
關(guān)鍵詞：亞音頻；STC12C2052；脈沖寬度調(diào)制

引言
    CTCSS(Continuous Tone Controlled Squelch Systern，連續(xù)語音控制靜噪系統(tǒng))是一種將低于音頻頻率的頻率(67．O～250．3 Hz)附加在音頻信號中一起傳輸?shù)募夹g(shù)。國際標(biāo)準(zhǔn)的CTCSS編碼一共有38組頻率，因為這些靜噪信號頻率為67．0～250．3 Hz，低于話音通信帶寬的下限，所以被稱為“亞音頻”。CTCSS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于無線電通信中，是傳統(tǒng)無線電臺通信中一種常見的收發(fā)限制手段。在電臺的中繼站和對講機中，采用CTCSS技術(shù)可以避免接收到不相干的呼叫。
    在對講機設(shè)計中采用亞音頻技術(shù)，其目的是避免不同用戶的相互干擾，避免收聽無關(guān)的呼叫和干擾信號。因為它可以在共同信道中制止來自其他用戶的話音和信令干擾，故也稱為音鎖(tone lock)。當(dāng)對講機的發(fā)射機發(fā)送話音信號的同時不斷發(fā)出亞音頻連續(xù)信號，經(jīng)調(diào)制后在同一信道發(fā)射出去。當(dāng)接收機收到載波信號和亞音頻信號后進行調(diào)解。亞音頻信號經(jīng)過濾波器整形輸入CPU中進行解碼后，與本機預(yù)置的CTC-SS碼進行比較以決定是否開啟靜噪電路。只有亞音頻碼相同時，靜噪電路音頻輸出才能打開，通過揚聲器發(fā)出聲音。如果沒有檢測到CTCSS信號，或者信號和當(dāng)前設(shè)置不符，則關(guān)閉靜噪，揚聲器聽不到聲音。本文就此提出一種基于STC12C2052單片機的對講機加密系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 STCl2C2052單片機簡介
   STC12C2052是宏晶科技推出的STC12系列增強型8051單片機，速度比普通的8051快12倍，具有較寬的操作電壓范圍。其片上集成：256字節(jié)的RAM；15個通用可編程I／O口，可以設(shè)置成準(zhǔn)雙向口／弱上拉、推挽／強上拉、僅為輸入／高阻、開漏(復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口／弱上拉模式)4種模式；EEPROM功能；2個16位定時器／計數(shù)器；RC振蕩器，在精度要求不高時可以省略外部晶振；獨立的片內(nèi)看門狗定時器。
1．1 STC12C2052的PCA／PWM工作原理
    STC12C2052單片機中的PCA可編程計數(shù)器陣列含有一個特殊的16位定時器，它可與2個16位捕獲／比較模塊相連。每個模塊可編程工作在4種模式下，即上升／下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出和可調(diào)制脈沖輸出。設(shè)計時，可將模塊0連接到P3．7(CEX0／PCA0／PWM0)，模塊1連接到P3．5(CEX1／PCA1／PWM1)。由于寄存器CH和CL的內(nèi)容是正在自由遞增計數(shù)的16位PCA定時器的值，因此，PCA定時器可作為2個模塊的公共時間基準(zhǔn)，并可通過編程工作在1／12振蕩頻率、1／2振蕩頻率、定時器0溢出或ECI腳的輸入(P3.4)。定時器的計數(shù)源由CMOD SFR的CPS1和CPS0位來確定。
1．2 STC12C2052的PCA脈寬調(diào)節(jié)模式
    所有PCA模塊都可用作PWM輸出。其輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時器，所以它們的輸出頻率相同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器對EPCnL、CCAPnL有關(guān)。當(dāng)CL SFR的值小于EPCnL、CCAPhL時，輸出為低；而當(dāng)PCA CLSFR的值等于或大于EPCnL、CCAPnL時，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，EPCnH、CCAPnH的內(nèi)容將被裝載到EPCnL、CCAPnL中，這樣就可無干擾地更新PWM。使能PWM模式時，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。由于PWM是8位的，所以可用下式來計算PWM的信號頻率：

2 PWM調(diào)制原理
    脈寬調(diào)制(Pulse WidthModulation，PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制原理如圖1所示。

    簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(0FF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(0FF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通，即直流供電被加到負載上時；斷，即供電被斷開時。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。
    PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。只有噪聲在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?，或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。
    PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點是對噪聲抵抗能力強，這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波，并將信號還原為模擬形式。
    許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，STC12C2052內(nèi)含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：
    ①設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器／計數(shù)器的周期；
    ②在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時間；
    ③設(shè)置PWM輸出的方向，這里是通用I／O引腳；
    ④啟動定時器；
    ⑤使能PWM控制器(雖然具體的PWM控制器在編程細節(jié)上會有所不同，但它們的基本思想是相同的)。

3 硬件設(shè)計
    CTCSS系統(tǒng)的設(shè)計是圍繞一組低頻率音頻信號(67．0～250．3 Hz)進行的(32或38，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn))。這些亞音頻信號是完全正弦波，且頻率差很要求很嚴格。在大多數(shù)設(shè)計中采用求定點正弦函數(shù)值的做法：以產(chǎn)生正弦波為例，采用定點法來生成波形，即將一個周期的正弦波按360°等分為若干點，計算出各點的正弦函數(shù)值，并轉(zhuǎn)化相應(yīng)的D／A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)值，這樣得到一個正弦函數(shù)表。通過程序?qū)⒃摫泶嬗趩纹瑱C的程序存儲器中，利用單片機的定時器來產(chǎn)生定時，每當(dāng)定時時間到時，查表得到該點對應(yīng)的輸出值，然后通過D／A轉(zhuǎn)換得到該點對應(yīng)的電壓值。如此，周而復(fù)始地查表輸出，就可以得到所要的正弦波。由于一個周期正弦波的點數(shù)固定，因此改變定時器的定時值就改變相鄰兩點的間隔時間，從而改變正弦波的頻率。
    在此，通過另外一種更簡便的方法來產(chǎn)生多種波形。使用單片機的PWM調(diào)制信號產(chǎn)生多種波形，但此種方法的缺陷就是產(chǎn)生波形的頻率有限。
3．1 亞音頻信號的產(chǎn)生方法
    計算公式：y=256／2+80*sin(2PI*x／512)。
    通過下面的代碼生成正弦表：
    
       
    假設(shè)PWM的頻率為32 768 000／256Hz，那么在每次PWM中斷時改變一次PWM的占空比(改變的規(guī)律如正弦表所示)。最終輸出波形經(jīng)過低通濾波器濾波之后就變成了正弦信號，如圖2所示。

3．2 亞音頻信號的硬件電路
    加密系統(tǒng)主要由鍵盤電路、在線程序下載電路和電源電路組成。其硬件電路如圖3所示。其中，XW-5-LOW為穩(wěn)壓輸出芯片。

    (1)鍵盤電路。由于本系統(tǒng)所需要的按鍵數(shù)量較少，因此采用獨立式按鍵即可達到要求。將6個獨立式按鍵與單片機P1口的6根線相連。這6個按鍵最多可以形成64種組合，可以完成對任意頻率的亞音頻信號的設(shè)定工作。
    (2)在線編程電路。在電路中將GND、P3.1、P 3.O、VCC、P1.1、P1.0這6個信號線引出來，這樣用戶就可以在自己的系統(tǒng)中直接編程了。
    (3)電源電路和低通濾波電路。經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓和電容濾波后產(chǎn)生電路所需的電源，濾波電路是由RC濾波電路實現(xiàn)的。

4 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計包括主程序和看門狗子程序、讀取按鍵子程序、定時器0中斷服務(wù)子程序、定時器1中斷服務(wù)子程序。主程序首先完成對看門狗、與PWM相關(guān)的各個特殊功能寄存器，以及定時器0和定時器1的初始化設(shè)定。然后對當(dāng)前的按鍵進行判定，根據(jù)所按的按鍵產(chǎn)生相應(yīng)的亞音頻信號。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

    定時器0中斷子程序主要完成PWM的定時器和捕獲寄存器的值的更新，并在P3．5、P3．7腳輸出相應(yīng)的脈沖信號(即正弦波信號)。定時器1中斷子程序主要完成各個亞音頻信號的周期的定時工作。

5 結(jié)論
    以往的實現(xiàn)方法都是使用音頻鎖相環(huán)進行檢測和生成亞音頻，設(shè)計難度較大，調(diào)試麻煩，而本文的數(shù)字化方案無需任何調(diào)試即可實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的亞音頻，且大大降低制作成本。
    CTCSS可以在共用信道中制止來自其他用戶的無用話音以及其他信令干擾。它是通過亞音頻(數(shù)字亞音頻)信令編／解碼來提高通信網(wǎng)絡(luò)抵御外界干擾能力，并解決非網(wǎng)絡(luò)用戶入網(wǎng)問題的信令識別系統(tǒng)。同時，CTCSS具有選擇呼叫功能，可利用連續(xù)單音頻編碼(數(shù)字編碼)進行選擇呼叫，并始終和傳輸話音信號同時進行，也是當(dāng)前最有效的選呼方式。主呼叫只要按PTT就能發(fā)出群呼或全呼，當(dāng)對講機通話結(jié)束后無需按鍵掛機，較之以電話互連方式人工編碼選呼(DTMF)要更為方便、快捷。