以MXS51為內(nèi)核構(gòu)造的單片集成系統(tǒng)

摘要：介紹一種以MCS51為核，加上FSK、DTMF、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)等外國電路組成的控制系統(tǒng)。在類似控制系統(tǒng)中，如何滿足系統(tǒng)要求且與MCS51微處理器兼容和如何減少系統(tǒng)面積是設(shè)計中的兩大關(guān)鍵問題。通過分析MCS51的指令和時序關(guān)系，設(shè)計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的與MCS51兼容的微處理器，完成它與外國電路集成和自測試電路的插入。該系統(tǒng)在FPGA和門陣列上分別進(jìn)行了布局布線和后仿真，并通過了FPGA的原型樣機測試。

    關(guān)鍵詞：SFR 特殊功能寄存器 FSK 頻移鍵控 DTMF 雙音多頻

引言

隨著電信市場的日益開放、競爭、運營商面蜊更大的壓力，須提高投資回收效率，提高固定電話的ARPU值。中國移動推出出的短信息服務(wù)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果和社會效益，短信正以其特有的快捷和方便，影響著人們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。“固定電話信息化”和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，固定電話的廠商也推出類似的服務(wù)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)電話的增值。

但固網(wǎng)短信存在兩方面的“瓶頸”；在終端和內(nèi)容上均有缺失。在終端方面是價格問題，應(yīng)該考慮如何將價格降到用戶可以接受的范圍。

本系統(tǒng)就是針對這樣的市場需求而設(shè)計。它需要1個滿足系統(tǒng)要求的微處理器、1個大的字庫來支持。同時，該芯片必須控制在一定面積下，以降低成本。

本文將著重介紹與MCS51兼容的微控制器的設(shè)計和DTMF解碼中的數(shù)據(jù)處理。

1 與MCS51兼容的微控制器設(shè)計

Intel MCS51系列是一種8位微處理器。外部程序與數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍可達(dá)到64K.MCS51有5個中斷源，其中2個為外部中斷源，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的。為了滿足固網(wǎng)短信系統(tǒng)功能需求。主要對MCS51進(jìn)行如下三方面的擴(kuò)展。SFR擴(kuò)展、存儲器擴(kuò)展，外部中斷擴(kuò)展。

1.1 SFR擴(kuò)展

為了與MCS51兼容。把FSK、DTMF中的控制寄存器和狀態(tài)寄存器MCS51的SFR統(tǒng)一編址。這樣8051管理、控制、監(jiān)視FSK、DTMF時，可將FSK、DTMF對應(yīng)的地址看作是片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的直接地址。因此，可以使用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器相同的操作方法，不用增加指令來完成這些功能，這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展可以看作是MCS51內(nèi)部總線的擴(kuò)張和把FSK、DTMF看成MCS51的兩個擴(kuò)展的內(nèi)部模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 存儲器擴(kuò)展

因為固網(wǎng)系統(tǒng)需要一個龐大的字庫來支持，所以MCS51的64KB存儲能力是不夠的。通過添加一個MMU模塊，將CPU該存能力擴(kuò)展到2MB。當(dāng)CPU訪問外部存儲器時，先用16位的邏輯地址高位進(jìn)行頁表查詢，得到相應(yīng)的擴(kuò)展地址，然后將擴(kuò)展地址和邏輯地址的低位一起構(gòu)成21位的物理地址，來完成對外部存儲器的操作，數(shù)據(jù)通路如圖2所示。

1.3 外部中斷的擴(kuò)張

為了讓系統(tǒng)能舊電故障等異常事件中斷請求信號，保留了MCS51原來的兩個外部中斷源，同時增加了7個外部中斷和相應(yīng)的3個寄存器，分別用于鎖存中斷、屏蔽中斷和對中斷的優(yōu)先級進(jìn)行控制。如圖3所示。

中斷的實現(xiàn)，CPU在每一個機器周期預(yù)序檢查每一個中斷源，如果發(fā)現(xiàn)有中斷請求且沒有在處理相同或更高的優(yōu)先級中斷，CPU就處理該中斷。先得相應(yīng)的優(yōu)先級狀態(tài)位置位，然后捃一個硬件子程序。該子程序把中斷處理程序的入口地址送到程序計數(shù)據(jù)。各中斷源程序的入口地址如表1.中斷處理程序從該地址開始一直執(zhí)行到RETI指令為止，然后將相應(yīng)的優(yōu)先級級位清0.

表1 中斷服務(wù)程序的入口地址

2 DTMF數(shù)據(jù)處理

DTMF解碼數(shù)據(jù)處理主要完成兩個功能，一是數(shù)據(jù)截取，一是DTMG解碼。

2.1 數(shù)據(jù)截取

根據(jù)抽樣速率和DTMG占空比及持續(xù)時間，可以對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行截斷。根據(jù)FFT的要求，前后兩段數(shù)據(jù)之間應(yīng)該有一定長度的公共部分。計算出截新的數(shù)據(jù)幀的長度為128字。為了減少面積，我們比較了幾個方案。在不會出現(xiàn)溢出的情況下，最后采取了圖4所示的設(shè)計方案。

圖3

    數(shù)據(jù)截取由一個256字的雙口RAM完成。復(fù)位時，對前32字清零。A/D采樣的數(shù)據(jù)幀先放到寫數(shù)據(jù)段1中，再放到寫數(shù)據(jù)段2中，按照寫數(shù)據(jù)段1和寫數(shù)據(jù)段2交替寫入數(shù)據(jù)。在每次寫完一個數(shù)據(jù)段之后，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)改變脈沖。用來表明已完成1幀數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，從而啟動數(shù)據(jù)讀取操作。

數(shù)據(jù)讀取時，為了保證每次數(shù)據(jù)讀取時與前后兩段都有32字的公共部分，第一次從讀數(shù)據(jù)段1中讀出160字的數(shù)據(jù)，其前32字的數(shù)據(jù)為上一幀數(shù)據(jù)的最后32字的數(shù)據(jù)；下一次在讀數(shù)據(jù)段2中讀出160字的數(shù)據(jù)，然后兩個數(shù)據(jù)段讀出數(shù)據(jù)前后之間都有32字的共有數(shù)據(jù)。

2.2 DTMF解碼

對于DTMF解碼中用到的FFT，我們采用經(jīng)典的Goertzel算法。其思想是利用簡單的遞歸運算代替復(fù)雜的FFT運算，且只需要計算幾個頻率占上的值，大大簡化了計算量，通過比較幾個頻率點上數(shù)值的大小和判斷占空時間，就可確定發(fā)送的DTMG頻率組合。為了減少設(shè)計中用到的乘法驗證，在滿足通信標(biāo)準(zhǔn)的前提下，將寬度降到12位。Goertzel算法的計算公式如下：

3 其它外圍電路

該系統(tǒng)除了MCS51.FSK、DTMG外，再加上門控時鐘?？撮T狗、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)等其它電路就構(gòu)成了完整的以MCS51為核的單片集成系統(tǒng)。

門控時鐘主要功能就是在系統(tǒng)工作時提供系統(tǒng)時鐘；在系統(tǒng)空閑時，使系統(tǒng)處于下電狀態(tài)，所有的時鐘都關(guān)掉，所有的操作也就停止，直到系統(tǒng)被喚醒，這樣就將系統(tǒng)功耗降低到最小值。

看門電路是一個可編程的邏輯電路，它可以被用作系統(tǒng)監(jiān)視器，也可以只作為一個簡單的計時器。同時它的時間寬度可以通過編程來設(shè)成2 12、2 13、2 18或2 21個時鐘寬度。

結(jié)語

該系統(tǒng)是一個典型的以MCS51為核心。加、DTMG以及門控時鐘等外圍電路組成的控制系統(tǒng)。我們采用自頂向下的設(shè)計方法。系統(tǒng)中所有功能模塊均采用VHDL語言進(jìn)行描述；用FPGA實現(xiàn)的集成系統(tǒng)替換原來的系統(tǒng)通過了功能測試。不但在可靠性上得到了提高，而且滿足芯片面積的要求，達(dá)到降低成本的目的。