楊潤豐

(東莞職業(yè)技術學院電子工程系，廣東 東莞 523808)

智能小車在遠程控制中的應用，可在一些危險場所，人們無法現(xiàn)場作業(yè)或進行控制，如農(nóng)場儲水池、洞穴、有害或放射性實驗室等。準確和實時地遠程控制，是遙控和智能控制的一個研究方向。無線通信技術應用，如無線局域網(wǎng)(WiFi、藍牙、ZigBee、2.4 GHz無線通信［1］等。其中雙音多頻信號(Dual Tone Multiple Frequency，DTMF)［2］用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸時，無需專用數(shù)據(jù)傳輸線且可靠性高，可用于自動控制系統(tǒng)。近年來，雙音多頻信號應用在交互式控制中，使撥號的速率提高。把雙音多頻信號的發(fā)送電路用于主控系統(tǒng)，接收電路用于被控系統(tǒng)，便可組成有線或無線通信系統(tǒng)。GSM(Global System for Mobile communications，GSM)［3－4］技術應用廣泛，可通過手機或固話機作終端，通過雙音多頻信號的GSM網(wǎng)絡通信方式無線控制小車的移動，具體由終端上的5個數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)控制，使小車按照指令驅(qū)動步進電機完成移動任務。

1 系統(tǒng)分析與設計

設計了基于GSM模塊的雙音多頻信號控制的小車。如圖 1所示，小車系統(tǒng)主要由 CMOS的 PIC 18F452微控制器作為控制主機，外接GSM調(diào)制解調(diào)器、雙音多頻解碼器、步進電機、以及40 MHz晶振和+5 V電源。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強、適用范圍廣，并且易于擴展。通過一系列設計規(guī)則要求實現(xiàn)各模塊之間的有效通信。GSM調(diào)制解調(diào)器向用戶提供標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸。它與PIC微控制器之間以ASCII字符形式傳輸AT指令串。步進電機也根據(jù)AT指令控制線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動控制小車完成任何方向和旋轉(zhuǎn)移動，以配合小車的全方位運動規(guī)劃。電機轉(zhuǎn)速、停止位置都取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。PIC微控制器提供的控制信息序列，是通過雙音多頻信號解碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式而得到控制步進電機脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。

1.1 GSM調(diào)制解調(diào)器

圖1 基于GSM模塊的雙音多頻信號控制系統(tǒng)

GSM通過相鄰基站的互連構(gòu)成通信網(wǎng)絡，并使用900 MHz或1800 MHz作為傳輸?shù)墓ぷ黝l段。項目選擇雙頻段的GSM調(diào)制解調(diào)器GSM100T，支持熱插拔功能，并以RS232串口連接計算機操作系統(tǒng)或單片機進行通信，其硬件控制設置通常為每秒115.2 kbit，8位有效數(shù)據(jù)，1停止位，不使用校驗位。根據(jù)GSM相關事件與服務響應，在應用程序中進行AT指令交換，并且AT指令分為數(shù)據(jù)模式和控制模式。在控制模式中，包括網(wǎng)絡注冊檢查、接收信號強度、接撥號、掛斷、信號中斷、占線等，程序在指令寄存器的物理地址直接調(diào)用控制指令，如S7=60，表示設寄存器寄存器#7的數(shù)值為十進制60。那么，PIC微控制器通過AT指令對GSM調(diào)制解調(diào)器進行基本的控制操作。

1.2 雙音多頻及其編解碼器

雙音多頻信號是音頻電話的撥號信號，它本不用于數(shù)據(jù)信號的傳送，而是傳送控制信號，并指定了每兩個音頻信號的間隔為600 ms。每一個號碼由兩個音頻信號組成，該雙音頻由按鍵所在的行和列對應的頻率決定，如圖2所示。每按下一個數(shù)字，則行與列的對應輸入端為低電平。這樣，就形成一種雙音頻組合，以產(chǎn)生相應的雙音多頻信號。終端上的5個數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)分別同步產(chǎn)生兩個頻率和兩個相差4 dB幅度的信號，此信號通常由RC網(wǎng)絡電路產(chǎn)生。加拿大Mitel公司生產(chǎn)的雙音多頻信號編/解碼芯片系列芯片是該系列產(chǎn)品中較新的一種，該芯片功能強、功耗低、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應用于程控交換機、無線通信設備、移動通信等系統(tǒng)中。項目使用MT8880編碼器芯片，它由兩個二階數(shù)字正弦波振蕩器構(gòu)成，一個用于產(chǎn)生行頻，一個用于產(chǎn)生列頻。對雙音多頻信號進行高精度解碼并不容易，接收設備對2%的偏差能可靠地接收。這里使用MT8870D解碼器芯片，其內(nèi)部使用了6階濾波，能減少失真并產(chǎn)生理想的正弦信號。

圖2 雙音多頻的撥號鍵盤與其對應的高低頻組合

圖3 步進電機“H”橋式驅(qū)動電路

1.3 步進電機的控制

項目使用混合式步進電機，它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，利用電子電路將直流電變成分時供電，多相時序控制電流。步進電機的驅(qū)動電路通常被稱為H橋式電路，如圖3所示。當X是邏輯“1”、X′是邏輯“0”時，Q2閉合，Q1打開，而 Q4使 Q3閉合。電源電流經(jīng)Q1從左至右流過電機線圈，接著流向D2和Q4到地。當X是邏輯“0”、X′是邏輯“1”時，電流流向Q3，從右至左流過電機線圈，然后到D1和Q2再到地。那么以電流的方向形成序列的形式，并可通過序列的改變使步進電機作逆時針方向轉(zhuǎn)動。如圖4所示，電流經(jīng)過線圈X和線圈Y時，兩個重疊的電磁鐵，并驅(qū)動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。當電流經(jīng)過線圈X的方向改變時，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，線圈Y電流的方向改變相繼將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，重復以上步驟，步進電機能進行連續(xù)單向轉(zhuǎn)動。此系統(tǒng)使用步進電機驅(qū)動芯片L293，它是多相時序控制器，單片機需把雙音多頻信號解碼進行處理以符合驅(qū)動步進電機的序列要求。

PIC微控制器向步進電機驅(qū)動電路按順序輸入“0101”→“1001”→“1010”→“0110”序列，使電機進行順時針轉(zhuǎn)動，按順序輸入“0101”→“0110”→“1010”→“1001”序列時，電機進行逆時針轉(zhuǎn)動。PIC微控制器需合理分配和設置所需端口。PIC單片機的PORTD端口作為DTMF(Q1～Q4)數(shù)據(jù)輸入端口，PORTC端口連接串口RS－232，PORTB端口連接步進電機。

圖4 步進電機控制示意圖

2 系統(tǒng)性能測試

測試分3個階段進行。第一階段，對GSM調(diào)制解調(diào)器進行響應測試，以確保正確的響應。當接收到GSM信號呼入時，通過AT指令可進行回應，一系列響應如表1所示。第二階段，以固定序列驅(qū)動步進電機，以確保正確的電機轉(zhuǎn)向。第三階段是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，使用終端按鍵產(chǎn)生雙音多頻GSM信號，小車接收GSM信號呼入后按相應的驅(qū)動序列進行移動。實驗表明，小車能按要求行駛，實現(xiàn)可靠的遠程控制。

表1 AT指令測試

3 結(jié)束語

雙音多頻信令具有良好的傳輸速度，使其廣泛應用于各種通信和控制系統(tǒng)中。項目設計了基于GSM網(wǎng)絡雙音多頻信號控制的小車。只要在GSM網(wǎng)絡范圍內(nèi)，能夠準確、實時地遠程控制小車，可以取代一些特殊和危險環(huán)境作業(yè)的人工操作。

［1］楊潤豐，陳曉寧，朱彩蓮.基于ATmega8的無線智能跳頻數(shù)碼擴音系統(tǒng)［J］.電子科技，2012，25(7):58 －60，65.

［2］陳映江，張仁陟，趙來娟，等.遠程控制精準化灌溉系統(tǒng)中基于DTMF信號的數(shù)據(jù)傳輸技術［J］.甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2011，24(2):152 －155.

［3］楊峰，柳永勝，殷小貢.新型DTMF信號收/發(fā)芯片MT8888及其應用［J］.現(xiàn)代電子技術，2002(1):89－91.

［4］楊潤豐，卞建勇，楊洋.基于ATmega16的紅外微波雙鑒GSM 報警器［J］.微計算機信息，2011(7):35－37.

［5］沈華東，周義，張坤.基于GSM網(wǎng)絡的柔性制造車間安防報警系統(tǒng)設計［J］.機械設計與制造，2009(8):252－253.