基于单片机和调制解调芯片实现嵌入式Modem设计
作者：倪彬斌;吴明光;周志华;邹润民
随着经济的发展，远程监控系统的应用日益广泛。其核心部分是远程信息交换，即系统需要在地域分布广泛的设备之间进行信息的交换及协调工作。对于某些采集点分散、传输量不大、对速度要求又不高的信息交换系统，目前有两种解决方案：一是采用Internet或现场总线技术，该方案铺设网络的费用高，维护量大；二是利用现有的电话网通过Modem进行数据传输，这样不仅可以摆脱伎的分布式总线系统繁琐的布线、中继、放大以及运行过程中维护量大等问题，而且系统扩展极为方便，基本不受设备地域的限制，该方案灵活实用且成本低廉。
图1
嵌入式Modem主要由单片机（或DSP）和调制解调芯片构成。与通用Modem相比，嵌入式Modem具有体积小、易维护、外围电路简单、成本低廉等特点。在企业或住宅区中的远程监控系统使用嵌入式Modem，能够节约大量的人力和财力，大大提高自动水平，因此具有较广阔的应用前景。本文介绍一种基于Atmel公司AVR系列单片机Atmega8和OKI公司调制解调芯片MSM7512的嵌入式Modem。
1 嵌入式Modem的硬件设计
系统的原理框图如图1所示，上位机与PC机，下位机是远方的嵌入式Modem和设备。PC机是数据终端，通过嵌入式Modem与远方终端实现数据交换；嵌入式Modem以Atmega8为中心，控制MSM7512芯片实现数据的发送与接收，通过外围电路实现振铃检测、摘机、显示信息、呼叫远方Modem等，它以RS232接口标准与上位机相连。
1．1 Atmega8单片机简介
1．2 MSM7512简介
MSM7512是日本OKI公司生产的一种价格低廉、功耗低、性能良好的调制解调芯片。该芯片满足ITU-TV.23协议标准，由单电源（3～5V）供电，采用FSK半双工调制解调方式，通信速率为1200bps，低功耗（典型值仅25mW），稳定性好，具有片内回音消除电路，模拟输出可直接连入PSTN；并具有TTL接口，其FSK输出信号可直接驱动600Ω的通信电路，外围电路简单，可方便地与数字系统及计算机系统相连，广泛应用于嵌入式Modem、数据传输和家庭安防系统中。图2为该芯片的功能框图。
图2
MSM7512有四种工作模式，由MOD1、MOD2端口进行控制。当MOD1=0、MOD2=0时，MSM7512工作于调制模式，XD输入为“0”或“1”的数字信号，AO端则对应输出频率为“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信号；当MOD1=1、MOD2=0时，MSM7512工作于解调模式，A输入频率为“2100Hz”或“1300Hz”的FSK信号，RD则对应输出解调后的“0”或“1”数字信号；当MOD1=0、MOD2=1时，MSM7512工作于环路自测模式，用于检测芯片工作是否正常；当MOD1=1、MOD2=1时，MSM7512工作于节电模式，此时MSM7512功耗仅为0.1mW，其它模式一般功耗为25mW。在本设计中所使用的工作模式是FSK调制发送及接收模式。
在硬件设计中需要着重考虑的问题是：MSM7512是一块串行调制解调芯片，与单片机通过串口相连，而单片机上的USART串口也需要与上位机进行串行通信，但Atmega8只有这一个串口，就出现了串口资源不足的问题。如果仅仅为增加一个串口而使用可编程串行通信接口芯片8251，无疑会增加设计的复杂性和成本。而利用Atmega8的两个I/O口编程模拟一个UART串口的功能（即模拟串口），可以很好地解决这个问题。这将在软件设计部分具体介绍。
1．3 振铃检测和拨号电路
振铃检测与拨号电路如图3所示。它的工作原理很简单，在此不再多述。
图3
2 嵌入式Modem的软件设计
软件部分的设计包括上、下位机通信协议的制订、上位机程序和单片机程序的编写。其中上位机程序以Delphi为开发工具，单片机程序用ANSIC C编写。
2．1 上位机与下位机通信协议的制订
上位机与下位机之间的数据交换必须遵循一定的通信协议，通信双方才能按照该协议解析所传输的数据。就本设计而言，一台PC机要对应多个下位机，属于主从式结构。所制订的通信协议为：
前导码 目的地址 源地址 数据帧 CRC校验码
前导码使通信双方保持同步，目的地址和源地址就是各设备所对应的电话号码，当PC机发送数据时，先发送目的地址给所有下位机，如果某个从机被上位机寻址，它将接收主机接下来发出的数据帧，而其它的从机则将忽略数据帧；当PC机接收数据时，同样地，下位机先发送源地址再发数据帧给上位机。同样时，下位机先发送源地址再发数据帧给上位机。CRC校验码是为了防止传输出错而设计的。为设计方便，规定数据帧为32位，其中功能码为4位，参数为28位。功能码为0000时，参数表示的是设备传输数据；功能码为1111时，参数表示设备自检数据。
图4
2．2 上位机软件的编写
上位机是一个数据发送与接收的终端，上位机软件的功能是：选择并发送要呼叫的电话号码；使计算机与嵌入式Modem能够通过RS232接口标准收发数据。由于Delphi是一种易学易用的面向对象的程序设计工具，因而采用它来编写上位机程序。在上位机程序中要能够对计算机串行口的硬件进行操作。然而Delphi本身不提供串行通信组件，因此需要调用Windows API函数建立一个串行通信组件Tcomm来对串口硬件实现控制，进而使用该组件完成串行通信功能。在设计中还需要使用其它一些组件如Button、Memo、RadioGroup等来完成软件界面的设计。
2．3 单片机程序设计
根据设计中单片机的任务设置一个全局变量TransOrReceFlag（规定值为0时，表示Modem处于接收状态；为1时，Modem处于发送状态），主程序根据它的值跳转到相应的子程序中。下面分别介绍子程序的编写过程。
嵌入式Modem发送数据：上位机按照通信协议通过串口向Atmega8先后发送目的地址（电话号码）和数据帧。单片机在USART接收完成中断服务程序中，将MSM7512设置为调制模式并使MSM7512与电话线连通，再控制双音多频信号发生器HT9200产生目的地址所对应的DTMF信号，送入MSM7512的外部信号输入端EAI，经内部放大后从AO输出端向电话线上发送所呼叫的电话号码，待与远方Modem建立起联系后，就可以通过模拟串口向MSM7512传送接下来所收到的数据帧。
嵌入式Modem接收数据：Atmega8外部计数口T1上有下降沿出现时，表明电话线上有振铃信号，可能有远方Modem要求和本地Modem进行数据传输。为防止误拨，规定了振铃信号需要连续出现的次数。当达到计数设定值时，单片机确认有远方Modem要进行数据传输，于是将MSM7512设置为调解模式，接通电话线，再通过模拟串口接收MSM7512传来的数据，经USART把数据传给上位机。
单片机程序中一个重要的部分是模拟UART串口的实现部分。在设计中用定时/计数器0产生合适的波特率，使接收和发送的数据符合异步串行通信数据帧的格式；一个普通I/O口作为TXD’，外部中断0口T0作为RXD’；在内存中开辟一块缓冲区模拟串口的数据接收/发送缓冲器。规定模拟串口中数据帧为1起始位，8个数据位，1个停止位，波特率为9600bps。下面就接收和发送两个过程介绍模拟串口的实现。
模拟串口接收数据：串行通信中数据帧都是从一个下降沿开始的。当T0口上有下降沿出现并触发中断时，表明MSM7512已经接收到远方传来的数据，单片机需要对所接收到的数据进行采样。在中断服务程序中初始化数据位计数器和定时/计数器0，设定其第一次定时时间为1.5位，因为从起始位需要延时1.5位才能进行数据位D0的采样（1.5位=1起始位+0.5D0位），如图4所示。接下来的8次采样的间隔一样，所以在定时器第一次计时溢出后，在每次溢出中断服务程序中重新装载的定时时间均为1位。采样后将所得数据存入缓冲区再送给上位机。图5是模拟串口接收数据的程序流程图。
模拟串口发送数据：与接收数据过程相比，发送数据要简单些。因为不需要采样，帧中所有位的时间长度是一样的，所以定时/计数器0的定时时间为固定值，即1位的时间。送出的第一位数据是起始位，通过接收方准备接收数据，然后从最低有效位LSB支最高有效位MSB，数据被一位一位地移出，在最末的是停止位（即逻辑1），用来让接收方区分发送的数据字节。
由于在上位机程序中集成了选择发送电话号码的功能，所以本文所介绍的嵌入式Modem能够灵活方便地与远方设备进行数据传输。它还具有体积小、外围电路简单、易维护、成本低廉等特点，具有较大的应用价值。
