單片機(jī)和MODEM接口及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計
摘要:介紹了一種以W78E52單片機(jī)為控制核心和調(diào)制解調(diào)器 (MODEM )接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳送的實(shí)用電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單 ,可靠性高 ,控制方便。文中講述了MODEM的AT指令描述以及用單片機(jī)控制MODEM的方法,并結(jié)合系統(tǒng)功能及原理給出了主程序流程圖。
隨著自動化程度的不斷提高,對現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與傳輸?shù)囊笠踩找嫣岣撸陔娫捦ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)相當(dāng)普及的今天,最方便最靈活的方法就是采用MODEM(調(diào)制解調(diào)器)并借助于現(xiàn)有的模擬公用電話交換網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)過幾年的研究,筆者開發(fā)了一種在單片機(jī)控制下通過公用電話交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)做載體的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),這種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不受時間與地域的限制,并可隨時實(shí)時追蹤現(xiàn)場資料的變化情況,從而為遠(yuǎn)程故障的診斷和排除提供了便利。
由于目前國內(nèi)有關(guān)單片機(jī)和MODEM的接口資料很少,所以,本文主要就單片機(jī)和MODEM接口及如何利用AT命令來控制MODEM 做些介紹。
1 系統(tǒng)組成
圖1 所示為該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成圖,整個系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器和監(jiān)控中心兩部分組成,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后打包, 并通過現(xiàn)場調(diào)制解調(diào)器MODEM、公用電話網(wǎng)和監(jiān)控中心的MODEM 將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。然后監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲和分析,并根據(jù)需要向現(xiàn)場發(fā)送控制指令,由于監(jiān)控中心采用計算機(jī)與MODEM 直接相連的方式, 因此硬件接口比較簡單, 而軟件編寫不是本文討論的重點(diǎn),不再贅述。系統(tǒng)有兩種工作方式:即監(jiān)控中心呼叫現(xiàn)場請求發(fā)送數(shù)據(jù)和現(xiàn)場呼叫監(jiān)控中心主動發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖1 系統(tǒng)組成圖
2 MODEM 命令
由于MODEM 是將數(shù)據(jù)通過公用電話網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送和傳輸?shù)臉蛄?,這里先將MODEM 的功能及用法做一介紹“MODEM 是“調(diào)制解調(diào)器”的英文縮寫,所謂調(diào)制,就是將“0”和“1”的數(shù)字信號變成不同的頻率信號,調(diào)制到載波頻率上,并利用電話線進(jìn)行模擬信號的傳送, 解調(diào)是調(diào)制的反過程, 即將載波頻率上的頻率信號解調(diào)成與其對應(yīng)的數(shù)字信號,傳送至終端控制器。
目前,我們在市場上所見到的MODEM 都用賀氏兼容的指令集來管理和設(shè)定MODEM 的各項(xiàng)操作和通訊功能,而一般這些指令皆以AT為前置碼,所以稱這些指令為“AT指令”。下面介紹幾個常見的MODEM 指令,這些指令都以回車(RETURN)結(jié)尾。
ATA:手動應(yīng)答指令,強(qiáng)迫MODEM 摘機(jī)并檢測載波;
ATE0: 指令不回應(yīng),即向MODEM 發(fā)送的指令不在終端回顯;
ATV0: MODEM 以數(shù)字形式回應(yīng)信息,即MODEM 收到指令后,以數(shù)字形式返回結(jié)果碼;
AT&F:參數(shù)恢復(fù)為出廠值;
AT&D0:忽略DTR信號;
AT&S0:將DSR信號設(shè)定為ON;
ATD:發(fā)出撥號指令;
AT&W0:將MODEM 目前的參數(shù)狀態(tài)存儲在參數(shù)表0 中;
AT&Y0:當(dāng)MODEM 初始上電時,調(diào)用存儲的參數(shù)表0;
ATZ0: 復(fù)位MODEM 并啟用存儲的第0組參數(shù)表;
AT&Z=X:將電話號碼X存儲在MODEM 的內(nèi)部存儲器中;
ATDS:撥出MODEM 預(yù)存儲的電話號碼。
那么,單片機(jī)如何利用這些指令來操作MODEM呢?下面以發(fā)送指令A(yù)TA為例來加以說明,程序采用C51編寫,該程序只給出了相關(guān)的部分,
#include
#include < P>
#define U8251_C XBYTE[0xfd00]
/* 定義8251 控制/狀態(tài)字地址*/
#define U8251_D XBYTE[0xfc00]
/*定義8251 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址*/
unsigned char code ATA[4]={‘A’,‘T’,‘A’,0x0d};
/*0x0d為回車(return)控制符*/
void send-code (unsigned char code *send_addr,
unsigned char send_sum);
/*發(fā)送函數(shù)聲明,形式參數(shù)為發(fā)送
首地址和發(fā)送字符個數(shù)*/
void main()
{
……
send_code(ATA,4); /*發(fā)送ATA應(yīng)答命令*/
……
}
void send_code(unsigned char code *send_addr,
unsigned char send_sum)
{
do{
while((U8251_c&0x05)!=0x05);
U8251_D=*send_addr;
send_addr++;
}while(--send_sum);
}
為了單片機(jī)對MODEM 的控制和操作,對本系統(tǒng)設(shè)計中的MODEM 做了如下初始化:
AT&FE0V0&D0&S0&Y0&W0
3 接口電路
圖2 為該現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中單片機(jī)和MODEM的接口電路圖, 單片機(jī)選用Winbord(華幫)公司生產(chǎn)的高性能低功耗單片機(jī)W78E52B,它采用80C31內(nèi)核,在指令上與MCS-51完全兼容,內(nèi)含8k的電可擦除MTP ROM(Multiple-Time Programmable ROM)。其內(nèi)部串口能和其它有串口的通訊設(shè)備一起進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(這部分在圖2中沒畫出);
圖2 單片機(jī)和MODEM 的接口電路
考慮到所采集的數(shù)據(jù)較多,故擴(kuò)展了一片8155 作為外部數(shù)據(jù)存儲器,并兼做并行數(shù)據(jù)采集接口,其內(nèi)部14 位定時器作為分頻器使用;另擴(kuò)展的一片8251 用來和MODEM 接口,8251的內(nèi)部工作時序,發(fā)送器時鐘和接收器時鐘需要外部輸入,在設(shè)計中,單片機(jī)提供的ALE信號作為其外部輸入,因而無需單獨(dú)設(shè)計分頻器,由于在單片機(jī)訪問外部存貯器時, ALE要丟失一個周期,因而采用圖2所示的方法,可充分利用系統(tǒng)資源,根據(jù)接收時鐘輸入RXCLK和發(fā)送時鐘輸入TXCLK的不同,8251 的發(fā)送波特率和接收波特率可以不同,在本系統(tǒng)中,發(fā)送波特率和接收波特率相同,都由8155定時器分頻輸出TMROUT供給。發(fā)送數(shù)據(jù)可根據(jù)系統(tǒng)要求在主程序中完成,接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)請求輸出RXRDY經(jīng)74LS02反向后接78E52B的中斷輸入INT0,接收數(shù)據(jù)采用中斷方式控制,系統(tǒng)設(shè)計時忽略了DSR信號, 因而在圖2 中將其直接接地;
RS232 接口電平轉(zhuǎn)換電路采用一片具有五對輸入和輸出的MSX238,它自帶電荷泵,采用單5伏電源,只用一片便可提供本系統(tǒng)所有RS232電平的驅(qū)動與轉(zhuǎn)換。
4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的功能及原理
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器有兩種工作方式, 即主叫方式和被叫應(yīng)答方式。主叫方式就是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器主動呼叫監(jiān)控中心;被叫應(yīng)答方式是在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器收到監(jiān)控中心的呼叫振鈴后響應(yīng)應(yīng)答指令。另外,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器具有遠(yuǎn)程設(shè)置主叫呼叫號碼的功能,其軟件編制流程圖如圖3 所示。
圖3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的程序流程圖
4.1 通訊波特率
8251 的通訊波特率取決于RXCLK和TXCLK的時鐘輸入,在異步方式中,RXCLK,TXCLK可以是波特率,也可以是波特率的16 或64倍。這由8251控制字中的波特率因子來決定,在本系統(tǒng)設(shè)計中,設(shè)波特率因子為異步X16,即RXCLK,TXCLK是傳輸波特率的16倍。從圖2可以看出,RXCLK,TXCLK由8155 的TMROUT給出, 而8155 的TMRIN為系統(tǒng)時鐘fosc的1/6,因此選擇波特率的關(guān)鍵就是確定8155定時器的時間常數(shù)。如果將8155 的定時器設(shè)為連續(xù)方波輸出,那么8155 定時器的時間常數(shù)N和定時器輸入頻率fTMRIN,輸出頻率fTMROUT的關(guān)系為:fTMROUT=fTMRIN/N,設(shè)8251的分頻系數(shù)為16,則傳輸波特率可有下式計算:
波特率=fTMROUT/16=fTMRIN/16N=fosc/(6X16N)
本系統(tǒng)選用頻率為11.0592MHz 的晶振,fosc為1.0592MHz, 若8251 采用2400Hz的波特率來傳輸數(shù)據(jù),則8155的定時器常數(shù)N為:
N=11.0592X106/(2400X16X6)=48=30H
按照以上分析,則8155,8251 初始化編程如下:
void initialize rs(void)
{
U8155_IO=0xc0; /*8155命令字初始化*/
U8155_TO=0x30;/*送8155定時器常數(shù)低字節(jié)*/
U8155_TH=0x40; /*送8155定時器常數(shù)高字節(jié)*/
U8251_C=0x4e; /* 方式控制字初始化*/
U8251_C=0x37;
}
4.2 遠(yuǎn)程設(shè)置主叫呼叫號碼
在本系統(tǒng)中,當(dāng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)生越限變化時,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器能夠自動呼叫監(jiān)控中心,而被呼叫的電話號碼卻不能夠存儲在程序的ROM中, 原因有兩條:第一:監(jiān)控中心的電話號碼可能會變更;第二:不同的用戶被呼叫的電話號碼不一樣; 而在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器上設(shè)計一片EEPROM 也不是最好的方案;解決這一問題的最佳方法是將此電話號碼存儲在MODEM 中, 那么如何實(shí)現(xiàn)呢?可用前面提到的AT&Z=X(X為電話號碼) 命令進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置,當(dāng)監(jiān)控中心需要修改這個電話號碼時, 就呼叫現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器,并將此電話號碼傳輸給數(shù)據(jù)采集器,然后由數(shù)據(jù)采集器自動用AT&Z=X(X為電話號碼)命令將此號碼存儲在MODEM 中。
4.3 主叫方式
當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)生越限變化時,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器便利用AT指令A(yù)TDS主動撥打存儲在MODEM 中的電話號碼來呼叫監(jiān)控中心,并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)打包傳送給監(jiān)控中心,在監(jiān)控中心收到信息包后,系統(tǒng)便可進(jìn)行存儲和分析,以供值班人員判斷并做出處理。
4.4 被叫方式
當(dāng)監(jiān)控中心需要獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)時, 可以主動撥號呼叫現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器, 在圖2中,W78E52 的P1.1在檢測到預(yù)定次數(shù)的振鈴信號時發(fā)出MODEM應(yīng)答指令A(yù)TA,并在延時等待MODEM 連通以及雙方握手成功后, 由監(jiān)控中心向現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)指令?,F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器收到指令后將實(shí)時變化的動態(tài)數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心, 以使監(jiān)控中心隨時中斷對數(shù)據(jù)接收, 并向現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器發(fā)出掛機(jī)指令?,F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器在收到掛機(jī)指令后停止發(fā)送數(shù)據(jù)并掛機(jī)。
4.5 存在問題及解決方法
本系統(tǒng)剛開始設(shè)計時,8251 的復(fù)位輸入端和CPU的復(fù)位輸入端是連接在一起,這樣設(shè)計曾出現(xiàn)過8251不能可靠復(fù)位的問題。 后改為靠W78E52的P1.0 給8251發(fā)復(fù)位脈沖,圖2 所示,這樣,就可根據(jù)軟件抗干擾的需要隨時復(fù)位8251,用C51編寫的復(fù)位程序如下:
void reset_8251(void)
{
P1^0=1;
ACC=0;
while(--ACC);
P1^0=0;
}
5 結(jié)論
實(shí)踐證明,該系統(tǒng)和MODEM 接口具有電路簡單,成本低,可靠性高的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果.