基于MT888O—DTMF的逆变电源的设计与开发

摘要：双音多频(DTMF)编解码通信具有抗干扰强、低成本、远距离的特点。本文提出基于DTMF远程通信的逆变电源系统。介绍DTMF收发控制器MT8880和三相PWM发生器SA8282的结构特性，由MT8880与单片机80C51和SA8282及IPM组成的基于DTMF技术的逆变电源，具有低成本高可靠远程数据通信的功能，形成远程遥测遥控逆变电源，扩大了逆变电源的应用范围。
关键词：DTMF；MT8880；远程数据通信；单片机；SPWM；SA8282；逆变电源；遥控遥测

0 引言
    在远程测控系统中(或远程多机控制系统中)可利用双音多频(dual tone multi frequency，DTMF)编码技术通过电话网进行低成本数据传输。DTMF是由一组低音频信号和一组高音频信号以一定方式组合构成，每组音频信号各有4个音频信号，而每种组合有一个高音频信号和一个低音频信号，共16种组合。主要用于电话拨号信息传输，具有很强的抗干扰能力，MT8880是DTMF型编解码于一体的通信控制器专用芯片，具有收发功能，可实现DTMF远距离数据传输。
    逆变器是构成交流不间断电源(UPS)及交流变频调速系统的核心部分，可独立构成系统成为变频电源装置，MITEL公司的推出的新型全数字化三相SPWM发生器SA8282，输出频率宽、精度高，可与微处理器接口，能完成外围控制功能和保护功能，可实现系统的智能化设计。将单片机、SA8282和MT8880芯片结合起来设计成基于DTMF技术的逆变电源，具有低成本、高可靠远程数据通信的功能，形成远程遥测遥控逆变电源，扩大了逆变电源的应用领域。
    本文介绍一种基于DTMF技术的逆变电源的设计，由AT80C51单片机、SA8282波形发生器和MT8880 DTMF及交直交主电路构成。SA8282和MT8880仅需要少量的外围硬件而无需复杂的软件编程，使得本系统的电路结构简单、成本低、控制方便、系统工作稳定可靠。

1 基于MT8880-DTMF数据远程通信的逆变电源系统组成
    基于MT8880-DTMF数据传输的逆变电源系统是通过电话网进行数据传输的远程遥测遥控系统，由前端和后端组成，前、后端通过MT8880控制器进行DTMF编、解码传输和接收，如图1所示。其中前端为逆变电源及数据传输单元，后端为主控显示单元。前端以单片机80C51为核心，以SA8282波形发生器及7MBP75RA120的IPM功率模块作为逆变电源的主要构件，通过MT8880进行DTMF编码经普通电缆线(电话线)长距离传输到后端的MT8880进行接收解码处理。后端主控单元由单片机80C51、MT8880和按键、显示屏等组成，MT8880对接收的DTMF信号解码为BCD码送单片机80C51进行处理、显示。后端主控单元将命令字通过MT8880传输到前端，实现前、后端双工远程数据传输。

2 MT8880-DTMF的特性与收／发设计
    根据CCITT的建议，DTMF的编译码定义如表1所示，每个数字信号由低频组和高频组两组频率信号任意组合构成，是采用八中取二的方式来构成一个音频信号，由虚假信号的干扰，所以应用特别广泛。DTMF数字信号的表达式为：
    

    上式中两项分别表示低、高音群的值，A和B分别表示低音群和高音群的样值量化基线。CCITT规定的表1中标程频率在发送时，DTMF信号的频率误差不得超过1．8％，每位数字的信号极限时长大于40ms，而接收设备对2％的偏差能可靠地接收，对30～40ms的信号时长可以正常地接收。[!--empirenews.page--]
2．1 MT8880的特性
   MITEL公司采用ISO-CMOS工艺制造的MT8880C是带有呼叫处理滤波器的单片DTMS收发器，具有低功耗、高稳定性的特点。整合了收发功能的MT8880C的内部结构如图2所示，包括一个带有可变增益的内部放大器的高性能接收器和一个带有脉冲计数器的发射器，接收部分采用DTMF信号接收器MT8870的工业制造标准；发送部分采用开关电容进行D／A转换。MT8880C具有标准的微处理器总线与MCS-51系列单片机直接接口。  MT8880的内部寄存器包括1个状态寄存器、2个数据寄存器和2个控制寄存器。内部寄存器提供一个群模式，在双音频群模式下DTMF信号按精确的时序被发送出去，MT8880通过微处理器控制选择内部呼叫处理滤波器呼叫音频信号。管脚定义为，IN+、IN-：运放输入；GS：Gain Slee-t，运放输出端；REF：参考电压；Vss电源负极；OSC2：时钟输出；OSC2：DTMF时钟／振荡器输入，采用3．579545MHz的时钟；R／W：读写控制；CS：片选；RSO：寄存器选择；CK：系统时钟输入；IRQ／CP：中断请求／呼叫处理，向CPU发中断申请。当选择了呼叫处理模式时，输入信号线上有呼叫信号时输出就发出与之相应的方式信号；D0～D3：数据线；Est：滞后前输出。当检测到有效音频对时，就变为高电平，信号条件不满足时又立刻返回低电平；St／Gt：滞后输出／保护后输出。当电压高于VTST时，保存检测到的音频对，同时更新输出锁存器内容。当电压低于VTST时，芯片就可重新接收新的音频对。Gt的输出对滞后时间常数有影响，它的状态是Est和加到St的电压的函数；VDD：电源正极。

2．2 MT8880与单片机接口及收／发设计
    MT8880与单片机80C51接口及收／发设计如图3所示。MT8880的D0～D3与80C51的P1．0～P1．3相连，80C51的P1．4～P1．7分别与MT8880的CK、RSO、CS和R／W相连，MT8880的中断申请IRQ连接到80C51的INT0端。

    当MT8880作为DTMF接收器时，DTMF信号送到MT8880的IN+和IN-端，经运算放大器放大并滤除信号的拨号音频率，然后送到两组六阶开关电容式带通滤波器，分离出低频组和高频组信号。通过数字计算方式检出DTMF信号的频率，并通过译码器按表1译成4位二进制码，存储在接收数据寄存器中，在需要时被送到数据总线D0～D3上。此时状态寄存器中的延时控标识位b3复位，状态寄存器中的接收数据寄存器满标识位b2复位。若MT8880设置为中断工作方式，那么当标识位b3复位时，IRQL由高电平变为低电平，向CPU发出中断申请，当CPU响应中断，读出寄存器中的数据后，IRQL返回高电平。
    当MT8880作为DTMF发送器时，数据总线D0～D3上4位二进制码被锁存在发送数据寄存器中，发送的DTMF信号频率由3．579545MHz的晶振分频产生。分频器从基准频率中分离出8个不同频率的正弦波，行列计数器根据发送数据寄存器中的数据，以八中取二的方式分离出一个高频信号和一个低频信号，经开关电容作D／A转换，在加法器中合成DTMF信号，并从TONE端输出。
    MT8880每接收一个外部信号IROL由高变低一次，IRQL接80C51的中断INT0(P3．2)，单片机在中断期间将数据D0～D3从MT8880读入内部数据存储器，中断服务后，IRQL由低变高，开始接收下一个信号(设计时应注意中断时间小于拨号内部数字时间间隔)。当对外发布命令时，80C51将内部数据D0～D3传送到P0口，然后再从P0口传送到MT8880的D0～D3，数据在MT8880中经双音频调制后从TONE脚输出DTMF信号。
    MT8880的OSC1、OSC2接3．55MHz晶振，EST和St／Gt端外接RC积分电路，使解码数据产生一个延时，让CPU可正确读取数据。[!--empirenews.page--]

3 基于MT8880远程通信的逆变电源及其主电路设计
    基于MT8880的数据远程通信的逆变电源的前端系统组成如图4所示。由电压型逆变电源和DTMF MT8880远程通信等两大部分组成，包括单片机80C51与LED、按键的接口、80C51与SA8282波形发生器的接口和80C51与DTMF通信控制器MT8880的接口，以及SA8282控制的7MBP75RA120 IPM功率模块作为逆变电源的主电路等4大接口设计。

    其中电压型逆变电源分为主电路和控制器两部分。主电路采用交直交(AC／DC／AC)电源型变频器结构，由整流器、中间滤波器、逆变器和隔离变压器构成。输入功率级采用简单可靠的三相桥式不可控整流器，将电网交流电整流成直流，经中间滤波器滤波获得平滑的直流电压，逆变器开关采用富士公司的40KHz两单元IGBT7MBP75RA120IPM功率模块三组(六只)组成三相H桥式电路。逆变电源的输入、输出之间为实现电气隔离和满足输出电压幅度的要求，在逆变电源中必须有变压器，对于三相变频电源采用在输出端接入变压器△／Y进行隔离变压，以减小电源的体积和重量。
    由单片机AT89C51、SPWM发生器SA8282、驱动器HLA02B和检测数据采集电路ADC0809以及保护电路、显示电路等组成，完成控制和驱动输出两大功能。

4 基于MT8880的逆变电源系统程序与数据传输程序设计
    基于MT8880数据传输的逆变电源前端系统程序包括主程序和中断程序，80C51通过初始化MT8880内部寄存器后实现数据交换，基于DTMF的数据交换包括收、发数据传输控制，其中主程序完成初始化、按键监控和显示部分。中断程序实现数据采集和数据传输等部分，如图5所示。

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4．1 MT8880的初始化程序
    在系统的加电、复位和控制中，要对MT8880的寄存器进行初始化。MT8880内部有接收数据暂存寄存器和发送数据暂存寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB、收发器状态寄存器等5个重要寄存器，如图2所示。其中接收数据暂存寄存器用于存放最后一次接收到的有效数据值，是只读寄存器；发送数据暂存寄存器中的数据决定发送的双音频信号频率组成，只能向发送数据暂存寄存器中写入数据；而收发控制寄存器CRA和CRB占用同一个地址，轮流使用，对CRB的操作是通过CRA中一个特定位的置位操作来实现，CRA和CKB的功能以及状态寄存器的功能参考文献。在对MT8880的初始化过程中，单片机使MT8880的RSO=0和R／W=0时，对发送数据暂存器进行写操作；在RSO=0和R／W=1时，对接收数据暂存器进行读操作；当RSO=1和R／W=0时，对控制寄存器的CRA／CRB进行写操作：当RSO=1和R／W=1时，对状态寄存器进行读操作。单片机对MT8880初始化程序为：
   
   
4．2 基于DTMF传输的数据收发程序设计
    单片机控制MT8880的数据接收程序


5 结束语
    MT8880集中DTMF信号的收发功能于一体，实现DTMF信号的编码与解码和数据传输，大大简化了设计的复杂性。采用简单而廉价的DTMF方式进行数据采集远程传输，可广泛得应用于遥控遥测方面，比如远距离自动抄收用户室内的水表、电表、煤气表的新型装置，以及大型加油站多台加油自动计量收费装置和大型塔吊自动称重装置等。
    MT8880高可靠性的DTMF编解码数据传输技术与单片机控制的逆变电源相结合，形成低成本高可靠具有远程数据通信功能的逆变电源，扩大了逆变电源的应用范围，使DTMF技术更加广泛地应用于现代测控领域。如果将逆变电源作为变频电源，用于交流电机的变频调速系统时，形成具有远程数据通信功能的变频调速系统，则只需改变对SA8282初始化控制字的设定，就能方便地改变输出交流电的频率和工作电压，省去大量的编程工作，还能做到实时控制。由于波形为纯正弦波，减少谐波影响，提高工作效率。