基于DTMF技术的无线数据收发装置的设计

基于DTMF技术的无线数据收发装置的设计

孙卫兵，杜运哲，魏同宇

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）

E-mail: swb729@163.com

摘 要：本文介绍了一种基于DTMF信号编解码技术的无线短消息收发装置的设计。系统采用ARM7TDMI内核的LPC2148为控制器，显示器OCMJ5*10B自带汉字库与ASCII码字库，汉字以区位码形式传输，英文、数字及符号均以ASCII码形式传输。将区位码、ASCII码的数值经UM91210进行DTMF编码，以36.099MHz的载波信号调制后发射。接收信号时由MT8870将DTMF信号解码出数值，再还原出汉字区位码或ASCII码显示出来，从而完成数据的点对点和广播式的无线数据通信。实现了低误码率、高灵敏度的无线数据通信。 关键字：DTMF；无线通信；ARM7TDMI

1. 引言

在无线数字通信领域，对于通信速率要求不高的场合，借鉴电话中的双音多频信号DTMF的编解码技术，将其用于无线数据通信不失为一种简单可靠而又节省成本的好方法。本文所介绍的就是一种利用DTMF技术设计的双工无线数据收发装置。该装置使用LPC2148将中文文字对应的区位码或英文的ASCII码，以数字的形式通过控制DTMF编码芯片UM91210将数字信号转变为固定的两种频率合成的音频信号（DTMF），通过36.099MHz的载波发射出去。接收信号时由MC3361选出DTMF信号，由DTMF解码器MT8870解码出短消息数据，采用OCMJ5*10B系列液晶模块做为显示器，系统框图如图1所示，由于采用DTMF信号传输，具有很好的抗干扰能力。

图1 系统框图

2. DTMF编解码原理

双音多频(DTMF)信号是采用每位数字由一组低频率正弦信号（FL）和一组高频率正弦信(FH)按一定的组合，叠加形成的一组双音多频率信号，实现快速数字拨号，两个单音的频率不同，所代表的数字和功能也不同[1]。如表1所示：

表1 键盘与双音频的对应表

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为了方便输入，针对表一设计了一个如图2所示的4×4的扫描键盘，通过F1键切换输入字符类型，可以输入数字、英文，以及通过拼音输入法输入字。中文是以区位码存储，其它字符均采用ASCII码存储，所有字符都是以数字形式存储可以根据数字由单片机控制DTMF编码器UM91210对之进行编码，例如对于数字“1”，就会触发两个信号：在行线发生一个697Hz的音频信号，在列线则产生一个1209Hz的信号。两个信号相加以后便得到数字“1”所对应的DTMF信号，图3是数字“1”对应的DTMF信号产生过程的示意图。

图2 键盘设计示意图

图3 数字“1”对应DTMF信号的产生

DTMF信号的解码由解码器MT8870完成，MT8870能够将DTMF信号解码成对应数字的二进制数，每一个数字转换完成后产生一个指示信号可以用作单片机中断触发信号，由中断服务程序完成数据有读取。

3. 关键电路设计

系统采用AT89S52单片机做为控制单元。P1口接4×4键盘，用于输入汉字、字母、数字、符号，和设定机号和一些控制命令；P0口用于OCMJ5*10B型LCD液晶模块的数据口，P3.6、P3.7分别用于LCD的写请求和忙指示信号。通过P2.4～P2.7以及P3.0、P3.1控制DTMF编码器UM91210生成双音频信号；P2.0～P2.3接解码器MT8870的数据端，用于接收解码的数据，外部中断0（P3.2）接MT8870的StD端，当一次解码完成时将向单片机产生一个中断请求，单片机在中断服务程序中完成对数据的读取。

U213INHCACB61097813610978XINHABVEEGNDXINHABVEEGNDVCCX0X1X2X3VCC1612141511VCC164052(1)VCCX0X1X2X3U412141511123456789R1R2R3R4HKM/BMOOC1OC2C4C3C2C1DPXMUTOVSSVDD181716151413121110RARBU3HK4052(2)Y23.58MC4VCCUM91210C31034.7uFR54.7KR610KDTMF 图4 DTMF信号编码电路

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DTMF信号编码电路采用的是电子开关芯片CD4052，如图4所示，它具有两个二进制的输入控制，A和B，并且还有一个抑制输入端，这两个输入信号可以选通X0～X3四路通道之一与X连通。通过单片机控制4052的工作端。CA、CB控制着列线，而RA、RB则控制着行线。这样我们就可以将数字信号转变为相应的DTMF从编码器UM91210的TONE音频信号输出端输出的信号经过电解电容的滤波去耦以后，在R6进行分压输出。

MC78M06CT3+6VGNDVin112VL322uHC12C1447uFL2C13101Q2C1417RC61042R827KC868pL1C9101R118.2K68pDTMFQ147KR7Y312.033MC7201R927KR101KC10201C1417C5471Dc1R121KC11201C15201 图5 无线发射模块电路

发射电路如图5所示，输入的DTMF信号送入晶体调频倍频电路。晶体调频倍频电路就是将电容三点式正弦波振荡器的选频网络由LC选频网络变成了晶体选频网络，石英晶体Y3在回路中等效为一个高Q值电感，晶体与变容二极管Dc1串联，改变变容二极管的反向电压VD控制其结电容量Co的变化，从而改变振荡器的中心谐振频率f0。为了增加频偏采用了三倍频器。产生的36.099MHz的高频信号经电容耦合送往甲类高频谐振放大电路进行放大后由天线发射出去。

接收电路中，混频采用的是高频双栅效应管3SK122。高频信号送至混频管的栅极T1，本振信号注入栅极T2。混频器输入回路调谐在高频信号频率上，输出回路调谐在中频频率上。由于这两个频率相差比较远，不会因为反馈而造成混频器自激振荡等不稳定现象。经混频后得到的10.7M中频信号由并联谐振回路选出，送至10.7M的陶瓷滤波器Y5，滤波后放大输出[2]。电路如图6所示。

R1747KC2042pT1ANC1639pD14148D24148C1739pL33SK122C2139pC19R18220103T2C2282pY5R203SK122100R2222010.7MC231038VR21100L4B1C24103R232008VC247C18103R1636KR1910K8VR13100C2647uFB2C29203Y415.6MR14150KC3122pQ3C1923C30221C33102R152.2KC34C32101103R24200KR254.7KC35Mixer_sQ4103C1417C272/7pC2820pR262K 图6 无线接收模块电路

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如图7所示：MC3361芯片主要包括振荡器、混频器、限幅放大器、移相式鉴频器和音频放大器几个模块, 具有电源电压低、功耗低、灵敏度高、工作电压宽等优点, 工作频率可达60 MHz。电路的基本频率为10.245MHz。10.245MHz的信号与输入的10.7MHz的高频信号在芯片内第二次混频，相减得到10.7MHz－10.245MHz＝455kHz的中频信号。鉴频后的信号由片内放大器放大后经外接的RC低通滤波器取出。

8VY6C3730pC3839pR2756K12345678Mixer_sU5OSC1MIOSC2GNDMOAMuteVCCSCLISIDE1FODE2FIQCDO1615141312111096455KHzY7C40104C39104R2847KC41L5C441uFR321KR33470KC47102D3C484731N60MC3361C42102C42332R29510C43471R3010KD41N60C50C45102R3110KC46471C49R3410K20310uFR3510KTone 图7 信号解调电路

如图8是DTMF信号解码电路，采用MT8870将双音多频信号转换成4位的二进行制代码送给单片机，再由单片机还原出汉字区位码或ASCII码，MT8870的StD端接单片机的外部中断INT0，当一次解码完成时将向单片机产生一个中断请求，单片机立刻执行对数据的读取操作，完成数据的接收、解码和显示等功能[3]。

ToneVCC0.1uFR36100KR37100KY83.58MU6123456789IN+VDDIN-St/GTGSEStVrefStDINHQ4PWDNQ3OSC1Q2OSC2Q1VSSTOE181716151413121110R38390KC520.1uFStDQ4Q3Q2Q1MT8870 图8 DTMF信号解码电路

4. 性能测试

4.1测试仪器

信号发生器：EGC-3233 示波器：TDS 1002 20dB的衰减器

4.2测试方法及测试结果

由于发射距离与发射功率有关，在此以20mW发射功率为参考，调节发射峰值功率使之不大于20mW,并在天线端接50Ω的负载电阻测试，由公式

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U2P=得U=2PR=2*20mW*50=2≈1.414V

2R

即峰−峰值U−U=2.83V

用示波器观察发射机输出波形的频率和峰-峰值，同时调节可变电位器，直到输出的峰-峰值不大于2.83V，且波形稳定。用信号发生器给发射电路输入300Hz～3400Hz之间的信号，用示波器同时观察发射输出端和接收电路端经20dB衰减器衰减的波形，分别测量它们的频率和峰-峰值。如表2所示：

表2 收到并经衰减后的波形

测试参数 发射信号 接收到的信号波形有无失真 1 291Hz 290.900Hz 无明显失真 f（Hz）2 1518Hz 1.51696KHz 无明显失真

3 3096Hz 3.091KHz 无明显失真

1 2.40V 1.08V 无明显失真 U-U(V) 2 2.40V 1.08V 无明显失真

3 2.40V 820mV 无明显失真

由表可见，从接收到的信号的波形无明显失真，稳定度非常好。

测试时，需两台本装置，先保证发射峰值功率不大于20mW，当机号设定正确时，尽量拉大两机的距离，测试是否能够正解接收到数据，经多次测试，通信距离可达100米以上。

5. 小结

测试结果表明，本系统的抗干扰性能非常强，接收灵敏度高，传输距离远。本方案充分利用单片机的数据处理及实时检测能力，稳定性好、性能可靠等特点。

参考文献

[1] 张会生,数字程控交换,西北工业大学出版社,2004.8 [2] 于洪珍,通信电子电路,电子工业出版社,北京,2002

[3] 曾和兰,应用DTMF实现无线广播系统播放控制的研究[J],洛阳大学学报,第21卷第2期 ,2006.6

Design of Wireless Message Transceiver Based on DTMF

SUN Weibing, DU Yunze, WEI Tongyu

School of Information Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou (221008)

Abstract

This paper introduced a design of wireless message transceiver based on DTMF. The device is controlled by LPC2148 with ARM7TDMI core, and display message on OCMJ5*10 LCM which includes Chinese character library and ASCII character library. It change Chinese character into the location code and ASCII character into ASCII code which can be encoded into DTMF signal by UM91210, then transmits DTMF signal with the carrier frequency of 36.099MHz. The DTMF signal with carrier wave can be decoded into the original digital signals by MT8870 when received. It can transmit message in two modes: broadcast mode and point to point mode, and realized wireless message communicate with low error rate and high sensitivity. Keywords: DTMF; message transceiver; ARM7TDMI

作者简介：

孙卫兵，男（汉）1983年出生，，安徽铜陵人，中国矿业大学信电学院，电路与系统专业硕士研究生,研究方向：嵌入式系统、电网谐波分析。 杜运哲，男（汉），1982年出生，江苏邳州人，中国矿业大学信电学院，检测技术与自动化装置专业，在读硕士研究生，研究方向：检测技术与自动化装置。

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