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1、单片机原理及嵌入式系统Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望 在智能化系统中，与居民日常生活安全问题最紧密相关的是智能报警系统，它是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统。它包括以现代物理和电子技术及时发现侵入破坏行为、产生声光报警阻吓犯罪、实录事发现场图像和声音提供破案凭证、以及提醒值班人员采取恰当的防范措施。智能报警系统以计算机技术、通信技术和网络技术为基础，利用家庭内部的电话线、宽带网络等设施，将报警处理机与外部电话网、互联网相连，从而达到具有一定智能，可以网络化管理
2、，可实现防盗、监测、报警等强大功能的报警系统。 根据所要完成功能的复杂程度以及要求达到的智能化水平，安全防范系统的配置和组成会有较大的差异。最简单的方法是将各子系统机械的组合，但效果不一定理想，比较好的方法是进行有针对性的有机组合，比如以网络为连接纽带的智能化组合。另外，系统能够通过PC机、服务器、工作站接入互联网，从而可在网络上遥控或远程观看电视监控图像，已成为衡量安全防范系统档次的重要标准。 本章分析了现有报警系统中存在的不足，设计了一种改进的报警系统，该系统分为用户端和报警中心两部分；报警系统由报警中心、用户端报警系统通过公用电话网组网而成。报警中心和用户端报警主机都通过电话线接入报警网
3、络。本系统的报警中心设置一台中心接警主机和一台个人微机，中心接警主机通过串行总线与微机相连。 本章主要介绍用户端报警系统中报警主机的详细设计方式，对中心接警主机的设计和整个报警中心系统的工作状态仅做概要介绍。本系统设计的用户端报警主机硬件包含10个子模块，它们由 AT89C52单片机统一调度管理。单片机控制程序以C语言编写，以轮询方式检测单片机各口状态。该报警主机在抗干扰方面采取了多种措施，具有较好的稳定性。 最后，本章对报警系统的智能化发展做了某些设想。比如引入专家系统，令系统内部含有大量的报警领域专家水平的知识与经验，能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务，因而增强系统的智能
4、。 随着计算机普及和信息产业的发展，人们对居住环境要求的不断提高，也将“智能化”引入了住宅小区和家庭建设中。小区的智能化最终体现在小区独立家庭运用多元信息技术（IT），并达到监控与信息交互的能力。因此实现家庭智能化是实现小区智能化的基础和最终建设目标。家庭智能化系统所提供的功能有以下三项内容，即：家庭安全防护系统、家庭电器自动化和家庭通信与网络。 13.1引言 家庭安全防护系统，它是一门综合性的学科，闭路电视监控子系统、防盗防侵入探测报警子系统和门禁控制子系统是安全防护系统基本和通用的三大组成部分。从应用领域而言，构成区域性安全防护系统的基础首先是家庭报警系统。传统的机械式（如防盗网、防盗窗、
5、防盗门）家居防护系统，在实际使用中暴露出一些隐患。例如火灾逃生受到影响；熟人入室作案不易发觉;影响楼体的美观、市容的整洁;为犯罪分子提供了便利的翻越条件。 智能监测与报警系统的基础是报警控制器和各类探测器，报警器与各探测器的联络可以采用有线或者无线联接方式，在这个系统中，报警器居于核心的位置。探测器有被动式红外、对射式红外、门磁、烟感、气感，此外还有作控制用的遥控器和紧急报警用的紧急按钮。用户根据需要可以增、减相应的探测器。当有警情发生时，报警器可以通过有线、无线方式按照一定的顺序将报警信息自动转到用户指定的管理中心、物业中心和报警电话上，以达到能及时掌握警情、处理警情的目的。目前国内外流行的
6、报警系统按信息传输方式一般分成三种类型：1、有线网络传输通过铺设专用线路网络来构成报警信息的传输。它的优点是：系统专用化，信息传输不受外界因素的干扰，通信速度快、容量大，适合大容量小区使用；费用低，由于小区采用自己的通信线路，报警通信是不需要费用的。它的缺点是：工程施工要求高，对于线路铺设、总线隔离有较高的技术要求；没有语音通信功能；只适合联网使用。2、无线网络传输用电波发射的办法来传输信息，具有较强的抗破坏性，传输速度快，准确率高的优点，但其适应区域受发射机的功率限制，若采用接力式发射，则一旦某一接收/发射机出故障，会影响到其它用户，同时受雷、电等气象因素的影响较大。3、公共网络传输利用现有
7、的公共网络进行信息传输，比如电话网有其十分优越的条件：(1)电话的普及率较高，不必再建专用传输网，设备投入成本低；(2)可双向联络；(3)可多址报警；(4)可遥控撤、布防；(5)对现场有监听功能； (6)可组网使用也可单独使用。家庭中的报警主机与管理中心之间通过普通电话线路进行联网。适合老小区改造；缺陷是传输速度相对无线方式略慢，容量小，报警速度慢。要产生通信费用，由于采用电话线路通信，每次报警都要付若干电话费。13.2嵌入式智能报警系统概要13.2.1安全防护系统的综合性功能安全防范系统的应用可大可小，有着如表131所示的层次结构：表131 安全防范系统层次个体防范型单项局部范围用安全防范系
8、统局部防范型多项局部范围用安全防范系统大楼综合型以大楼为对象的综合性安全防范系统社区网络型服务社区的局域性安全防范网络城市管理型以城市为目标的综合监控管理系统 对于大型的具有智能的安全防范系统，由于设备众多和功能繁杂，为了能够进行有效的管理，必须周密组织，形成以中央监控室内的计算机系统为核心的综合性安全防范系统，功能框图如图131所示，其可能实现的功能包括下列四大类。1.图像监控功能(1)视像监控 采用各类摄像机、切换控制主机、多屏幕显示、模拟或数字记录装置、照明装置，对内部与外界进行有效的监控，监控部位包括要害部门、重要设施和公共活动场所。(2)影像验证 在出现报警时，显示器上显示出报警现场
9、的实况，以便直观地确认报警，并做出有效的报警处理。图像识别系统在读卡机读卡或以人体生物特征作凭证识别时，可调出所存储的员工相片加以确认，并通过图像扫描比对鉴定来访者。2.探测报警功能(1)内部防卫探测 所配置的传感器包括双鉴移动探测器、被动红外探测器、玻璃破碎探测器、声音探测器、光线回路、门接触点及门锁状态指示等。(2)周界防卫探测 精选拾音电缆、光纤、惯性传感器、地下电缆、电容型感应器、微波和主动红外探测器等探测技术。(3)危机情况监控 工作人员可通过按动紧急报警按钮或在读卡机输入特定的序列密码发出警报。通过内部通信系统和闭路电视系统的联动控制。3.控制功能(1)对于图像系统的控制，最主要的
10、是图像切换显示控制和操作控制。(2)识别控制，如门禁控制，车辆出入控制，专用电梯出入控制。相应报警的联动控制，这种联动逻辑控制，可设定在发生紧急事故时关闭保管库、控制室、主门及通道等关键出入口，提供完备的保安控制功能。4.自动化辅助功能(1)内部通信系统提供中央控制室与员工之间的通信功能。(2)双向无线通信为中央控制室与动态情况下的员工提供灵活而实用的通信功能。(3)有线广播提供在一定区域内灵活地播放音乐、传送指令、广播紧急信息用。(4)电话拨打提供向外界传送信息的功能。(5)巡更管理系统与闭路电视系统结合在一起，检查巡更员是否巡更到位，以确保安全。(6)综合保安管理系统与楼宇管理系统和办公室
11、自动化管理系统联网，可提供进出门、灯光和登记调度的综合控制。13.2.2安全防护系统组建方式 不同的智能化水平，安全防范系统的组成会有较大的差异。好的方法是进行有针对性的有机组合，特别是以网络为连接纽带的智能化组合。系统具有“网络化监控、监控网络化”功能，能够通过PC机、服务器、工作站接入互联网，从而可在网络上遥控或远程观看电视监控图像。居住社区构成区域性安全防范系统的基础首先是家庭防盗系统，从体系结构来分析，防盗系统可以有简单系统和综合性智能网络系统之分。首先看图13-2所示简单的家庭防盗系统。 它可监视各种入侵及门窗环境，其操作方式可以是有设防、撤防、紧急按钮等功能键的红外/无线遥控器，也
12、可以从键盘输入密码进行操作。在设防状态下，当探测到入侵或触发报警后，会根据预先存入的电话号码自动拨打电话，并在家中就地产生强力警号以阻吓入侵。在上述系统的基础上，融入智能和网络的概念，可以构造出家庭嵌入式智能报警监控系统，如图133所示。 本章设计的嵌入式智能报警监控系统即以图13-4区域性智能报警监控系统的基本构成为目标。该系统分为用户端和报警中心两部分；报警系统由报警中心、用户端报警系统通过公用电话网、宽带网组网而成。报警中心和用户端报警主机都通过电话线和宽带网接入报警网络。报警中心系统报警中心是报警和紧急求助信号接收与鉴别中心。报警中心用于监控用户端报警主机工作状态，接收处理报警信息，复
13、核报警信息，控制用户端报警主机动作，同时完成用户数据库查询，电子地图显示、打印、值班员现场监听/对讲/数字录音等处理工作，并与其它安防系统形成联动。收到紧急信号后，值班人员先识别该信号是真实还是虚假的，如：判别对方的口令是否正确、监听有无回答声音、查看电视监控图像、对讲等，如果信号属实则立刻通知有关对策部门。同时将从中心数据库中调出的求助者地址、病史等资料一并传送出去。报警监控系统用户端报警系统用户端报警系统主要由报警主机、红外感应探头、煤气泄露探测器、烟雾探测器、门磁感应探测器、紧急按钮、警号、遥控器以及可以联动控制的电视摄录设备，出入口控制设备等组成。用户端室内报警主机通过公用电话线路和宽
14、带网与小区物业的报警中心联网，监测是否有非法入侵居民住宅、紧急呼救、火灾等事件，并自动向报警中心、用户电话、用户指定接警微机等报警。报警信号源(1) 侵入报警 其工作模式均是由传感器监视门、窗和室内，如传感器被触发而启动，则产生报警信号。入侵探测器的种类很多。被动红外探测器探测入侵者在监视区域中移动产生的热变化。红外线对照式探测器由一个红外线发射器与一个接收器以相对方式布置组成。当有人横跨过门窗或其它监视区域时，遮断不可见的红外线光束而引发报警。侦光式行动侦测器能够检测出周围光线的微量变化。接近式探测器所探测的距离通常在几十厘米以内。该种探测器大多用于检测门把手是否被人触动，保险柜是否被移动等
15、。超声波物体移动探测器利用多普勒效应工作。微波探测器利用超高频无线电波的多普勒频移原理来探测移动物体。玻璃破碎声传感器只对10KHz-15KHz高频的玻璃破碎声音进行有效的检测。(2)遭威逼或抢劫时的紧急报警如果在入侵探测器处于撤防状态或遭破坏等情况下，住户家庭内发生遭抢劫或遭威逼等突发事件，可利用紧急报警按钮向报警中心站报警，中心站收到此类报警信号后将接通相应闭路电视监控、红外视频以及声音监听设备，通过住户处摄像机发送之图像及其他信息，迅速对其所受危害状况进行记录，并根据判断及时向公安部门紧急报警，请求出击。(3) 火灾报警 使用热敏探头、烟感探头、灭火器、警笛、闪光灯等全套设备，一旦发生火
16、灾，报警中心站将通知消防管理局出动车辆灭火。(4)温度、煤气和水浸报警室内温度的改变会严重危及冷库等货仓物品的保存，因此某些场合需要密切监视温度的升降过程，此外对于室内水位高低（发生水浸）及煤气泄漏等紧急情况亦需立即通知报警中心站，并转往工程抢修部门。(5) 医疗救护报警 可随身携带，一旦患者自我感觉出现异常可立即将患者信号传送到报警中心站，报警中心站将通知急救中心前往救护和处理。(6)闭路电视摄录和出入口控制对于珠宝商店、银行、大型货仓，安装24小时摄像的视频监控和长时间录像是非常适用的；而对于需要严格控制人员出入的区域可采用磁卡号码系统、乱序键盘、掌纹识别机、视网膜识别机、指纹识别机、声音
17、识别机等装置。报警主机报警主机报警主机是用户端报警系统的核心，它具有如下功能:1防盗；2防火；3防燃气中毒；4紧急求助和防劫持求救；自动语音报警；6剪线报警；7报警优先；8可通过电话设置布防、撤防、现场监听、对讲等功能，实现远程异地遥控；9无线遥控、异地电话按键、报警中心3种方式控制工作状态；10无论布、撤防状态均不影响电话机使用，触警时自动切断，优先报警；11异地电话操作必须进行4位密码校验，保证了用户操作的安全性；12可选后备电池，在停电时可以继续工作数小时。13.2.3报警中心系统 区域性智能报警监控系统的中心值班站即报警中心系统应设置一台中心接警主机，该主机通过RS232串行总线与微机
18、相连，和作为上位机的微机一起，监控用户端报警主机工作状态，接收处理报警信息，复核报警信息，控制用户端报警主机动作，同时完成用户数据库查询，电子地图显示、打印、值班员现场监听/对讲/数字录音等处理工作。中心接警主机中心接警主机中心接警主机通过电话线接收用户端报警主机发送的报警信号，做初步处理后，通过RS232接口送到上位机处理；上位机向用户端报警主机发送的指令也通过RS232接口先发送至中心接警主机，再由它通过电话线发送至用户端报警主机。中心接警主机作为功能强大的上位机和分布运行的用户端报警主机的联系桥梁，主要起信息存储转发的功能，同时对某些信息做必要的显示。上位机上位机上位机具备以下功能：(1
19、)以声光方式显示报警，可以指令控制用户端报警主机解除报警根据实际情况绘制电子地图，录入用户端报警主机的相应资料。能够在绘制的电子地图上以颜色显示各用户端报警主机状态和各防区内容，以及用户地址与电话信息和报警发生后的处置对策。(2)可以通过中心接警主机对用户端报警主机进行控制，进行功能和状态检测。(3)遇有警报时，其报警信号可以经由电话线路、宽带网或人工方式向相关部门转发报告。(4)可以程序设置报警联动动作，即遇有报警时，用户端报警主机的编程输出端可通过继电器执行相应动作。具有报警图像资料库，要求装备有摄像机联动系统。13.2.4报警系统的误报问题 任何探测器都有其特点、适用范围和局限性，如选用
20、不当会引起误报警。 双技术报警器可减少误报警，即只有当两种不同原理的探测器同时探测到目标时，方才产生报警信号。由双重技术组合的空间探测器称为双鉴器，目前有被动红外与微波双鉴探测器、被动红外与超声波双鉴探测器、玻璃破碎声与振动双鉴探测器等。 探测器采用微处理器来实现智能化，并在报警中心站增强对报警信号的计算机鉴别和处理能力，同时辅以必要的人机交互或人机干预，也可减少误报。13.3嵌入式智能报警主机硬件详细设计本系统设计的嵌入式报警主机包含以下10个子模块：电源子模块、数码管显示驱动子模块、语音录制存储子模块、数据存储子模块、双音多频信号接收发送子模块、无线遥控发射/接收子模块、警号驱动子模块、报
21、警接入子模块、电话信号发送/接收子模块、AT89C52单片机主控制子模块；同时包含过压保护、限流保护、光耦隔离保护等一些辅助电路。9个功能性子模块由单片机主控制子模块统一控制其工作时序关系和状态变化。如图13-5所示。 信号的传输只在8个功能型子模块和AT89C52单片机主控制子模块之间发生，8个功能型子模块之间是没有信号交互的，所有要交互的信号都在AT89C52单片机中汇总、处理、存储、转发。图中箭头所指即信号的流向。比如双音多频信号收发子模块和AT89C52之间是双向箭头，就表示它们之间是双向数据传输；数码管显示子模块和AT89C52之间是单向箭头，且箭头指向数码管显示子模块，因此表示数码
22、管显示子模块只接收AT89C52发来的控制信号，不向AT89C52发送信号。电源子模块提供电源支持。13.3.1AT89C52单片机主控制子模块 本机采用AT89C52单片机作为主控CPU芯片，它是一种低功耗高性能的8位单片机，内部有3个16位定时/计数器、一个串行口、8K Flash可编程可擦除存储器和256个字节的RAM及两个外部中断源，32个I/O口线；它采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。它功能密集，开发设备成熟，比较适合本机子模块多，处理任务繁复的特点。 本单片机只使用内部程序存储器，不需外部寻址，P0、P1、P2、P3各口均用作I
23、/O口。P1、P3口的结构可以用作双向I/O接口。P0、P2口做双向I/O口用时需要外接上拉电阻，本机在P0、P2口挂了10K的外接排电阻。本单片机没有外接RAM,程序运行时只使用内部的256字节RAM。为了存储用户数据，使用了1片EEPROM数据存储器24C02。24C02是IC总线产品，89C52没有专门的IC总线接口，故使用2根I/O口线在程序中仿IC总线协议实现单片机与24C02之间的通信。时钟系统 89C52单片机片内含有一个构成时钟振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1、XTAL2（即18脚、19脚）分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器外接作为反馈元件的晶体后便成为自激振
24、荡器，如图136所示。 晶体呈感性，与2个电容构成并联谐振电路。振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容有微调作用，电容值的大小可以影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性，当选用480K晶体时，选用120pF这个值是一般理论值。在设计印刷电路板时，电容、晶体的位置都尽量靠近单片机，主要为了防止走线太长寄生电感增加影响谐振频率。为了提高温度稳定性，本机采用温度稳定性好的零温度系数电容。 振荡器输出的振荡脉冲经2分频成为内部时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，其周期称为时钟周期。6个时钟周期构成1个机器周期。CPU执行一条指令的时间称为指令周期。指令周期以机器周期为单
25、位。一条单周期指令执行的时间就是一个机器周期。89C52单片机除乘法指令、除法指令是4周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。本机使用480K晶振，故可以算出单指令执行时间为： 时钟电路产生CPU的工作时序脉冲，是CPU正常工作的关键。时钟信号不仅是对噪声干扰最敏感的部位，也是单片机系统的主要噪声源。单片机的时钟信号为频率很高的方波，方波是由与其频率相同的正弦基波和其倍频正弦波叠加而成。频率越高，越容易发射出去成为噪声源。此外，时钟频率越高，信息传输线上信息变换频率也越高，致使线间串扰、反射干扰以及公共阻抗干扰加剧。本机选用了较低的时钟频率，这对降低系统的电磁发射，提高系统的抗干扰性能很有
26、利。为了保证时钟电路受到最小的干扰，本机在设计电路板时采取了以下措施：(1)时钟脉冲电路尽量靠近单片机，引线短而粗；(2)晶振电路电容远离发热元件；(3)大电流信号线、电源变压器远离晶振信号的连线；用地线包围振荡电路。复位 本单片机的复位电路以差分比较器LM393为核心构成。所谓复位，就是令RST引脚上出现宽度大于10ms的正脉冲，而在单片机工作期间，RST引脚为“0”电平。本机的复位电路如图137所示。由图可见，在上电之后，9脚电压立刻跳变为高电平，单片机进入复位状态。12V电源通过10K电阻对电容充电，当充到运算放大器的负极输入电压高于正极时，运算放大器输出“0”电压，复位过程结束。正极电
27、压为，复位时间可由零状态响应方程算得:式中，us为12V充电电压，uc为10uf电容电压，R为10K充电电容，带入相应值，有 即复位时间为38.6毫秒左右。LM393可以在非复位期间将单片机复位脚电压牢牢箝在低电平上，即使电源受到高电平脉冲干扰，由于运算放大器LM393的抗共模干扰能力，仍会令89C52的复位脚保持低电压，由此排除了高电平噪声脉冲误复位的干扰。在图13-7所示复位电路中，放电二极管4007必不可少，在电源断电时它可以使电容迅速放电，从而确保电源恢复时单片机可靠复位。13.3.2电源子模块 本机采用交流220V供电，驱动警号发声、输出供电、给蓄电池充电和驱动干簧管继电器需要12V
28、供电，板上其余集成块和阻容元件使用直流5V供电，故电路板上设计为双电源输出。220V/50Hz的市电进入本机后，首先进入变压器，输出交流14V；交流14V进入主电路板的电桥，经过电桥整形和电容滤波去交流成分后送入12V集成三端稳压器7812，生成12V直流电，一边满足音频功率放大器LM386、干簧管继电器、外接探测器工作等供电需求，一边送给5V集成三端稳压器7805，生成直流5V,给电路板上其余器件供电。其连接示意图如图138所示。7812、7805的输出负载电流均为500mA，本机在报警时，有最大消耗功率3.6W，折合7812输出负载电路300mA，故能够以12V电压输出200mA电流供外接
29、报警器使用。两片集成三端稳压器都配有散热片，如散热片与集成三端稳压器接触不良，会导致集成三端稳压器温度过高，严重时会烧毁集成三端稳压器。 本机可以选配12V蓄电池一块，它在有220V市电输入时不工作或者被充电，在停电时输出12V电压支持本机继续工作一段时间；图中270欧姆电阻为电池的充电电阻，它使初始充电电流不至于过大而损坏了电池。 单片机应用系统中最重要并且危害最严重的干扰来源于电源的污染。由于电源是由市电电网经变换后得到，市电电网电源污染问题严重。各种干扰极易耦合到供电线路中，同时，电源本身也会产生干扰。常见的干扰源如图139所示。对本机有较大影响的是电网干扰、电源干扰和继电器干扰。电网干
30、扰包括以下几个方面：(1)电压的波动：过压、欠压和突然停电等。(2)浪涌、下陷：浪涌与下陷是电压的快变化，如果幅度过大也会损坏系统。(3)尖峰电压：尖峰电压的持续时间很短，电压幅值比较高，对单片机的干扰比较严重。 继电器的线包是一个电感负载，其触点相当于一个开关。当继电器的线圈通断电流时，在开始的几微秒内不改变瞬态的形式。这表明在此短时间内，分布电容使线圈有效短路，它是引起干扰瞬态的原因之一。 继电器线圈电感与分布电容的比很大，这样，当电流截断时，继电器线圈周围的磁场消失，在大约3S之内，电压上升到近似电源电压的100倍，即具有陡峭前沿的大幅度浪涌电压，然后按线圈、分布电容和电阻所决定的速率下
31、降到零。继电器的浪涌电压具有陡峭的前沿，它能产生强烈的冲击和激励。同时，普通继电器的触点开关呈现机械弹性震荡。当开关闭合时它引起电流的重复闭合和断开，这时所产生的瞬态，比断开时所产生的瞬态具有更长的持续时间，干扰也更严重。 在由变压器、整流管、调整管等组成的线性稳压电源内，因整形单向脉冲，会产生电磁干扰信号。为了减少干扰因素，本机在设计上采用了一系列抗干扰的措施，包括供电策略、电源接地和电源滤波技术。对于单片机应用系统中的不同器件，合理的供电策略可以提高系统的抗干扰性能。图1310(a)所示表示两负载采用一根电源母线供电的情况，图1310(b)所示表示两负载采用各自独立的电源线供电的情况。 减
32、少电源的接地电阻，那么两负载间的耦合可以减小。图1310(b)所示的分开供电的方法有助于减少通过公共电源母线上产生的负载感生干扰。本机在设计接地时，遵循以下原则：(1)在接地面上，电源接地和数字信号接地相互隔离，减少地线间的耦合。(2)分别建立交流、直流和数字信号的接地通路。(3)将几条接地通路接到电源公共点上，以保证电源电路有低的阻抗通道。电源滤波的主要目的是抑制在电源线上的传导高频干扰。单片机系统的电源滤波通常包括交流端的滤波和直流端的滤波。直流端的滤波主要是抑制整流电路和开关电路所产生的高频干扰，通常用电容滤波就足够了。13.3.3数码管显示驱动子模块 显示部分由4个状态显示灯、1个红色
33、共阴极7段数码显示管、1片移位寄存器74LS164、单片机的2根口线以及一些外围阻容元件构成，用来显示报警、布防、撤防、录音、电源、电话输入号码、报警拨打号码、异地现场监听等多种状态和信息。 74LS164是8比特串入并出移位寄存器。它内部由8个级联的DQ触发器构成。单片机的1脚作为74LS164的时钟驱动线，2脚作为74LS164的数据输入线，74LS164的并行输出线分别接7段数码管的各段对应管脚，在单片机程序中，根据74LS164的真值表和时序图，在2根口线上输入符合74LS164输入要求的0/1数据，就可以在数码管上显示相应的内容。下面给出驱动74LS164的子程序：sbit LS16
34、4_CP= P10; /定义单片机1脚控制74LS164的时钟线sbit LS164_AB= P11; /定义单片机2脚为74LS164的数据线 void LED_DRIVER(bit D7,bit D6,bit D5,bit D4,bit D3,bit D2,bit D1,bit D0) LS164_AB=D7; LS164_CP=1; LS164_CP=0; /送入最高位比特 LS164_AB=D6; LS164_CP=1; LS164_CP=0; LS164_AB=D5; LS164_CP=1; LS164_CP=0; LS164_AB=D4; LS164_CP=1; LS164_CP=
35、0; LS164_AB=D3; LS164_CP=1; LS164_CP=0; LS164_AB=D2; LS164_CP=1; LS164_CP=0; LS164_AB=D1; LS164_CP=1; LS164_CP=0; LS164_AB=D0; LS164_CP=1; LS164_CP=0; /送入1字节数据的最低位比特，置低时钟，保持/数据例如要让数码管显示“5”，根据74LS164的并行输出线与数码管的连线情况，知道令74LS164并行输出“1,1,0,0,1,1,0,1”即可，在程序中执行：LED_DRIVER(1,1,0,0,1,1,0,1);就达到目的。13.3.4语音录制存
36、储子模块 本机具有语音录制/存储/播放功能，使用者可以预先录下一段语音，在向外报警时播放。这样警情接听者就可以在没有电子地图的情况下获得一定的信息。 本机语音录制存储子模块以单片20秒周期录/放音语音电路ISD1420为核心，再结合一个录音麦克、一个录音按钮和几个阻容元件即可实现语音录/放功能，单片机只需要2根线分别控制ISD1420的播放方式、监控ISD1420的播放状态。ISD1420的取样频率为6.4KHz，取样的语音直接存储到片内的不挥发存储器中，不需要数字化和压缩的其它手段。 ISD1420由一个单录音信号REC实现录音操作。麦克输入信号经AC耦合传送到前置放大器，AC耦合电容和IS
37、D1420内部一个10K电阻一起决定低频截至频率。ISD1420前置放大器的输出由输入信号、麦克基准和自动增益控制共同决定。麦克基准（MIC REF）是麦克前置放大的反相输入，当器件使用该输入脚并以差分形式连接到麦克时，能减少噪声、实现共模抑制。本机电路经测试共模干扰小，故没有使用差分输入，麦克基准脚（18脚）悬空。自动增益控制（AGC）调整前置放大器的增益，能在一个很宽的范围内适应麦克的输入电平。 当录音时间超过20秒时，ISD1420自动退出录音状态，并使能25脚变低，指示录音结束。每次录音都从内部存储器的地址“0”开始存放，且在录音前将内部寄存器全部清零。 ISD1420的放音过程很简单
38、，单片机通过1根口线连接ISD1420的PLAYL脚，控制放音启动和选择电平放音模式，当此管脚的信号由高变为0时，将开始放音操作；PLAYL变为高电平，遇到结束标志（EOM）或存储器的尾部放音将停止，ISD1420自动进入调电等待模式。并通过另1根口线检测放音结束标志，以决定后续处理。语音录制存储子模块的电路连接方式如图1311所示：13.3.5数据存储子模块 数据存储子模块由串行EEPROM24C02构成。24C02内部具有2568的存储结构，在IC总线主控器进行读写操作时，要先给定一个起始操作地址，下一字节操作时地址会自动加一。外部有3个器件编码地址管脚、2个IC总线接口管脚。器件编码地址
39、管脚用来在多个IC总线器件同时挂在IC总线上时进行器件寻址。24C02可以存储6组用户设置的报警电话号码、异地电话操作密码、报警主机等待摘机的电话振铃次数。I2C总线的基本原理 I2C总线是一种串行总线。它采用两线制，即一根时钟线和一根数据线。I2C总线的时钟线SCL和数据线SDA都是双向传输线，总线备用时SDA和SCL都必须保持高电平状态，只有关闭I2C总线时才使SCL钳位在低电平。 I2C总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应，在时钟线高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上的电平状态变化。如图1312所示。
40、 I2C总线传送数据时有两种时序状态被分别定义为起始信号和终止信号。在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高到低的电平变化时将启动I2C总线，为I2C总线的起始信号。在时钟线保持高电平期间，数据线出现由低到高的电平变化时将停止I2C总线的数据传输，为I2C总线的终止信号。起始信号和终止信号都由主控制器AT89C52产生。对于不具备I2C总线硬件接口的AT89C52单片机来说，为了能够准确的检测到总线上的信号，必须保证在总线的一个时钟周期内对数据线至少进行两次采样。如图1313所示：I2C总线上的数据传输格式I2C总线传送的每一个字节均为8位，但每启动一次I2C总线，其后的数据传输字节数是没有限制
41、的。每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首先发送的数据位为最高位，在全部数据传送结束后主控制器发终止信号，如图1314所示。从如图13-14所示可以看到，没有时钟信号时数据传送将停止进行，接口的线与特征将使SCL在低电平时钳住总线。 这种情况可以用于当接收器接收到一个字节数据后要进行一些其他工作而无法立即接收下个数据时，迫使总线进入等待状态，直到接收器准备好接收新数据时，接收器再释放时钟线使数据传送得以继续进行。I2C总线数据传送时，每传送一个字节数据后必须有应答信号，与应答信号相对应的时钟由主控器产生，这时，发送器必须在这一时钟位上释放数据线，使其处于高电平状态，以便接收器在这一位上送
42、出应答信号。应答信号在第9个时钟位上出现，接收器输出低电平为应答信号，输出高电平则为非应答信号。 按照总线规约，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成，方向位表明主控器与被控器数据传送方向，方向位为“0”时表明主控器对被控器的写操作，为1时表明主控器对被控器的读操作。在寻址字节后是按指定读、写操作的数据字节与应答位。在数据传送完成后主控器都必须发送停止信号，下面以简化的图解方式（见书）介绍两类数据传送格式。 从上述数据传送格式可以看出：l无论何种方式起始、停止，寻址地址都由主控器发送，数据字节的传送方向则遵循寻址字节中方向位的规定。l寻址字节只
43、表明器件地址及传送方向，器件内部的n个数据地址由器件设计者在该器件的I2C总线数据操作格式中指定第一个数据字节作为器件内的单元地址数据，并且设置地址自动加减功能。l每个字节传送都必须有应答信号相随。lI2C总线被控器在接收到起始信号后都必须复位它们的总线逻辑，以便对将要开始的被控器地址的传送进行预处理。I2C总线的地址约定为了消除I2C总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连接线，I2C总线采用了独特的寻址约定，规定了起始信号后的第一个字节为寻址字节，用来寻址被控器件，并规定数据的传送方向。在I2C总线标准规约中，寻址字节由被控器的七位地址位（它占据了D7-D1位）和一位方向
44、位（D0位）组成。七位地址位由器件编号地址（高4位D7-D4）和引脚地址（低3位D3-D1）组成；方向位为0时表示主控器将数据写入控制器，为1时则表示主控器从被控器读取数据。 主控器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻址字节中的7位地址与自己器件地址相比较。如果两者相同，则该器件认为被主控器寻址。在本产品中，单片机始终作为主控器，不用考虑其器件地址；AT24C02始终作为被控器，查AT24C02的器件手册可知AT24C系列E2PROM器件编号地址均为1010，引脚地址为A2、A1、A0，在电路板上均接地，因此都为0，则该器件的寻址字节为SLAW=0A0H，SLAR=0
45、A1H。数据操作格式I2C总线上挂接的存储类器件片内字寻址范围为256字节。 通常E2PROM写入时，总需要一定的写入时间5-15ms，在写入程序中无法连续写入多个数据字节。为解决连续写入多个数据字节，常设置页写功能，即在E2PROM器件中设有一定容量（页写）的数据寄存器。用户一次写入E2PROM的数据字节不大于页写字节数时，可按通常RAM的写入速度，装载入E2PROM中的数据寄存器中，随后启动自动写入定时逻辑，经过5-10ms时间，自动将数据寄存器中的数据同步写入E2PROM的指定单元中。这样一来，只要一次写入字节数不多于页写容量，总线对E2PROM的操作可视为对静态RAM的操作，只要求下次
46、数据操作在5-10ms之后进行。在AT24C系列中，对应于页写字节数，数据寄存器分别有2、3、4位页地址。这些地址分别是AT24C系列片内E2PROM的最低2、3、4位地址，为字地址的低位部分。在写入时，写入数据按照字地址的低位部分，定位在数据寄存器的页地址空间、数据寄存器地址的低位部分（页地址），溢出时不会向字地址的高位部分进位，这就会造成写入数据在地址空间的翻卷现象，现以本产品中的AT24C02为例加以说明。AT24C02的页写字节数为8，片内数据寄存器的页地址，从000到111。在数据写入操作时，根据字地址（WORDADR）的最低3位地址装载到指定的数据寄存器中，当装载到数据寄存器地址为
47、111后一个数据时，该数据进入数据寄存器的000地址中，而字地址的A3位并不进位，这就造成写入地址的翻卷。 对应于页写功能，AT24C02有字节写和页写两种方式进行写操作。页写是指向E2PROM片内指定单元（WORDADR）连续写入不多于n个字节页写数据（mn）的操作。N为页写字节数，m为写入字节数。AT24C系列E2PROM的读操作与通常的SRAM相同，但每读一个字节地址自动加1。由于数据字地址寄存器提供其地址空间与页写数据寄存器空间相同，因此地址指针同样会出现翻卷现象。为了避免纠缠翻卷现象，本产品采用指定地址读的方式。指定地址读是按指定的字地址读出一个字节数据的操作。由于要写入字地址，故要
48、先进行一个字地址的写操作，然后重复起始状态，读入一个数据字节，13.3.6双音多频信号接收发送子模块双音多频 为了接收电话机输入的电话号码，在报警状态下向外拨出电话号码，本机包含了双音多频接收/发送电路。电话机有两种拨号方式，即脉冲拨号和双音多频拨号，现在以双音多频最为普遍使用。双音多频拨号方式中的双音频是指两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能。两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能也不同。 根据CCITT的建议，国际上采用697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz这8个频率产生8种不同的单音频信号，故称为多频。把这8种频率分
49、成两个群，即高频群和低频群。从高频群和低频群任意各抽出一种频率进行组合，共有16种不同的组合，代表16种不同的数字或功能，如表13-2所示。表13-2双音多频的组合双音多频的组合功能数字或功能高频群Hz1209133614771633低频群Hz697123A770456B852789C941*0#DMT8880CE 本机的双音多频信号接收发送子模块以MT8880CE为核心构成。MT8880CE是带调用进程滤波器的集成双音多频收发器，20脚塑料DIP封装。它由CMOS工艺制作，耗散功率低，可靠度高。它的内部计数器提供了一个爆发模式，这样，爆发铃音能以精确的时间进行传输。与MT8880CE相连的单
50、片机或者其他微处理器可以选择打开“调用进程滤波器”来分析调用进程音。MT8880CE与单片机之间可以使用标准微处理器总线直接匹配连接，DTMF生成器 内嵌在MT8880CE中的DTMF生成器可以精确地生成16个标准的DTMF音对。生成音对需要的所有频率由外部3.579545MHz晶振分频可得。要通过单片机AT89C52指定一个DTMF信号，或者向单片机发送一个信号，都要遵循一个编码格式，其对应关系如表13-4所示。低频群Hz697697697770770770852852852941941941高频群Hz120913361477120913361447120913361477133612091
51、477数字或功能1234567890*D3000000011111D2000111100001D1011001100110D0101010101010爆发模式在某些电话应用中，要求被生成的DTMF信号可以被指定一个持续周期。这时，标准DTMF信号时序能够通过使用爆发模式实现。这个爆发/暂停持续时间是51ms1ms，这个持续时间对自动拨号是标准间隔。当这个爆发/暂停信号被发送后，在MT8880CE状态寄存器的相应位被硬件置位，表示发送器已经准备好发送下一个数据。在DTMF模式下，发送爆发/暂停信号的时序就是如此；但在CP（调用进程）模式下，爆发/暂停持续时间是102ms2ms。当CP模式和爆发模
52、式都被选中时，DTMF信号只能被发送，但不能接收。内部寄存器MT8880CE内部有5个寄存器，即1个发送数据寄存器、1个接收数据寄存器、1个控制寄存器、2个状态寄存器，首先通过如表13-5所示了解如何选择寄存器。RS0R/W功能00写发送数据寄存器01读接收数据寄存器10写控制寄存器11读状态寄存器 不论操作哪个寄存器，MT8880CE与单片机AT89C52交换数据都是通过D3D0这四根总线进行。通过如表13-6、表13-7、表13-8所示看看状态寄存器和2个控制寄存器的含义。MT8880CE状态寄存器位 名称状态标志置位状态标志清除b0IRQ中断发生时，该位或者b1置位无中断。读状态寄存器后
53、该位被清除b1发送数据寄存器空（爆发模式）暂停持续周期结束，发送器准备发送新数据读状态寄存器后该位被清除，或者不在爆发模式下b2接收数据寄存器满在接收数据寄存器中有数据读状态寄存器后该位被清除b3指导检测不到有效的DTMF信号检测到有效的DTMF信号后被清除MT8880CE控制寄存器A位 名称功能描述b0TOUT音对或单音输出高电平使能输出。爆发模式或非爆发模式都可使用b1CP/DTMF模式控制逻辑“0”选择DTMF模式，逻辑“1”选择CP模式b2IRQ中断使能逻辑“1”使能中断模式。当中断使能且选择DTMF模式，管脚IRQ/CP会在收到1个正确的DTMF信号后发中断，置“0”b3RSEL寄存
54、器选择逻辑“1”将在下一个写操作选择控制寄存器B，然后返回AMT8880CE控制寄存器B位名称功能描述b0BURST爆发模式逻辑“0”使能爆发模式b1TEST测试模式逻辑“0”使能测试模式b2S/D单 音 /双 音生成逻辑“0”允许DTMF信号生成，逻辑“1”允许单音生成b3C/R行 /列 音 选择逻辑“0”选择行频率，“1”选择列频率工作方式 单片机从AT24C02读出报警号码，通过4根数据总线送给MT8880CE，由它生成相应的双音多频码，再送给发送电路。单片机通过操作I/O控制器、控制寄存器A、控制寄存器B，检测状态寄存器即可使MT8880CE工作在各种状态。比如说MT8880CE可以工
55、作在DTMF模式下，接收DTMF信号，也可以工作在呼叫处理模式下，接收频率为450赫兹的呼叫处理音；在发送DTMF信号时，MT8880CE既可以工作在爆发模式下，以51ms的间隔发送DTMF信号，也可以工作在测试模式下，以102ms的间隔发送信号。接收DTMF信号时序如图13-15所示。单片机89C52从MT8880CE中读数据和向MT8880CE中写数据的时序如图13-16与图13-17所示。89C52读MT8880CE数据周期89C52写MT8880CE数据周期 将一部双音多频电话接到本机上，将本机的编程/入网选择档拨动到编程档位置，提起话筒，按下电话键盘上任意一个数字键，本机是这样识别并
56、读取这个键值的：首先，单片机程序在循检过程中检测到某些管脚状态发生变化，然后开始读取MT8880CE的状态寄存器，如果发现MT8880CE中还没有有效的键值，就检查相应管脚状态，看是否还需要读取MT8880CE的状态寄存器；如果MT8880CE中已生成有效的键值，则把这个值读出来，或者进行处理，或者存入24C02中。读取异地电话送来的DTMF控制信号与这个原理一样，核心的C51程序如下：ReadStatus:voidMT8880_StatusRegister_READ()MT8880_CP2=0;/先停动MT8880CE的系统总线MT8880_RW=1;MT8880_RS0=1;/这2句共同设
57、置读状态寄存器MT8880_CS=0;/选中MT8880CEMT8880_D0=1;MT8880_D1=1;MT8880_D2=1;MT8880_D3=1;/以上4句释放数据总线MT8880_CP2=1;/启动一次读操作if(MT8880_D2=1)/是否有键值生成MT8880_CP2=0;/停动MT8880总线MT8880_CS=1;/不选中MT8880voidMT8880_DataRegister_READ()MT8880_RW=1;MT8880_RS0=0;/这2句共同设置读接收数据寄存器MT8880_CS=0;/给片选信号MT8880_D0=1;MT8880_D1=1;MT8880_D
58、2=1;MT8880_D3=1;/以上4句释放数据总线MT8880_CP2=1;/启动一次读操作，读数据寄存器值到D0-D3口elseMT8880_CP2=0;MT8880_CS=1;/停动8880总线if(ISD1420_REC_ZJ=0)/是否还在摘机状态gotoReadStatus;13.3.7无线遥控发射接收子模块 本机的无线遥控发射/接收子模块由编码调制发射和接收解调解码两部分组成。编码调制发射部分做成可以随身携带的遥控器，接收解调解码部分做在主电路板上。编码、解码由HY2262/2272这两块芯片完成，调制方式为数字幅度调制，该数字通信系统的构成框图如图13-18所示。编解码芯片H
59、Y2262/2272HY2262/2272是一种CMOS工艺编解码电路，HY2262/2272最多可有12位三态地址端管脚，任意组合可提供312531441地址码，HY2262最多可有6位数据端管脚，本机使用10脚、12脚、13脚作为数据端管脚，11脚接地，使用1脚至8脚共8个管脚作为三态地址管脚，可产生386561种芯片地址码，故可满足6561套产品在一起工作而互不干扰，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。 编码芯片HY2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片HY2272接收到信号后，其地址码要经过两次比较核对，只有在检测到发送地址码与自己设定的地址码一
60、致时，才能够解读状态码信息，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键使电源输入管脚和数据输出管脚导通，编码芯片处于工作状态，编码芯片也会连续发射。 当控制发射机的按键没有按下时，HY2262不接通电源，其17脚为低电平，所以300MHz的高频发射电路不工作，当控制发射机的按键按下时，HY2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据基带信号，当17脚为高电平期间，300MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频载波信号，当17脚为低平期间，300MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（
61、ASK调制）相当于调制度为100的调幅。 在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大时钟振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。推荐值：2262/4.7M/2272/820K2262/3.3M/2272/680K2262/1.2M/2272/200K，本机采用2262/3.3M/2272/680K。地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”，如图13-19所示。 每发一个码字，都需要32个时钟周期。这是一种改进的矩形脉冲不归零波形，脉冲之间有间隔，码元间波形干扰极小，且
62、利于同步时钟提取；脉冲宽，码元能量高，匹配接收时输出信噪比高。经电路偏置处理，该基带信号调制载波时相当于双极性脉冲调制。HY2272只有在连续两次检测到相同的地址码和数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序做丢弃处理。本机，2272的接收时序如图13-20所示：数字幅度调制由编码芯片HY2262送出的编码信号是一种基带信号，一定要用基带信号对高频载波进行调制，产生频带信号，才能由天线发射出去。本机采用数字幅度调制。ASK是用基带数字信号与高频载波相乘，再经过适当的带通滤波器，带
63、通滤波器用来滤除高频谐波和低频干扰。 图13-21ASK键控模型下面给出本机的调制发射原理图，如图13-25所示，然后结合调制原理进行说明。 由如图13-25所示可见，本机采用的是单三极管基极调制电路，就是用基带编码信号改变NPN型高频功率放大器9018的基极偏压，以实现ASK调制。9018采用LC串联谐振电路作为集电极的负载。得电以后，9018在2P偏置电容的作用下，通过正反馈作用起振；当振荡频率在300MHz左右时，由2.2uh电感、微带等效电感、2至8P可调电容、7P、10P电容构成的负载达到阻抗Z最小，把9018看作内阻很小的电压源，则此时串联谐振回路电流最大，即将载波频率稳在300M
64、Hz上。 可调电阻、7P电阻和10P电阻共同形成4.6P-6P的可调范围，微带PCB印制线等效电感在10-8h数量级。当可调电容调节容值时，谐振频率大致在260MHz-340MHz之间变动。 发射天线 天线的作用是将发射机送来的高频电流变换为无线电波并传送到空间；将空间传来的无线电波转变为接收机能够传送的高频电流。因此，天线是一个导波和辐射波的变换装置，即能量转换器件。由于时变电流能辐射电磁波，因而天线也被称为辐射源。但要产生有效的辐射或接收，它的结构应当是一个开放系统。本机选用顶端加了水平圆饼的鞭天线作为HY2262/2272发射/接收电路的发射/接收天线。ASK信号解调对二进制振幅调制信号
65、，本机采用包络解调法，其流程框图如图13-26所示。图13-26ASK包络解调方框图 如图13-26所示中SASK（t）信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反向搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰。信号放大器将微弱的小信号放大。这里给出本机ASK接收解调部分的原理图，如图13-27所示。图13-27UHP波段无线8位地址4位数据收机示意图由如图13-27所示可见，射频信号在环形印制板天线上产生感生电动势，形成一个电压信号源；接收信号经选频放大滤波后，送2级运算放大器LM17358放大，LM17358输出符合HY2272输入标准的基带信号，送给解码
66、芯片2272。微带等效电感与7P电容组成的并联谐振回路作为负载接9018的集电极；接并联谐振回路一端的电容102起低通滤波作用。由下式可求的谐振频率为：13.3.8警号驱动子模块本机的警号驱动子模块包括一片模拟四声讯响器KD9561、一片音频功率放大器LM386和一个8/2W的喇叭。需要报警时，由单片机导通三极管，进而启动KD9561，输出一定频率的（听起来比较尖锐）的信号，但该信号的电流不够大，功率不够强，直接推动喇叭声音会很弱，故还要送入功放处理，最后用12V下的大电流去推动喇叭，并能产生100分贝以上的警号鸣响声。模拟四声讯响器KD9561广泛应用于推动报警输出的电子产品，它根据一个外接
67、振荡电阻确定发声的频率，振荡电阻越大，频率越低，声音越低沉，反之则高亢。LM386的输出增益可以通过外接电阻和电容进行调整，它内部预置20倍的增益，通过外接器件，可以达到200倍的增益。该子模块的电路连接如图13-28所示，单片机在37脚给出一个低电平就能驱动喇叭发声。图13-28警号驱动子模块13.3.9报警接入子模块 本机的报警接入子模块很简单，它允许5路常闭信号输入，其中防区1、防区2、防区3串联在一起，主要用于接入需要本机12V供电的设备，因为这3个防区的常闭接入口边设计了12V电源输出口；防区4、防区5串联在一起，主要用于接入无源设备，比如紧急按钮，该设备只是一个机械接触装置，不需要
68、供电就可以工作。当外接探测器正常工作时，单片机的相应口可以检测到低电压。当外接探测器送来报警信号时，单片机的相应口通过上拉电阻可以检测到高电压，因此产生相应动作。图13-29报警接入端口反向二极管起保护作用，在误接强电时，可击穿二极管，保护单片机，330电阻也起限流保护作用，其接线图如图13-29所示。13.3.10电话信号发送/接收子模块通过电话线发送报警信息是该报警主机的主要报警方式。 要把信号传送到接听电话机上，或者监听电话线的状态，首先必须知道数字程控交换机NO.7信令中与用户线信令有关的东西，具体来说，包括呼叫流程、用户状态信令、地址信令、可闻信号。用户状态信令通过用户话机的叉簧产生
69、，是直流信令。摘机时，用户环路闭合，在用户线上有直流电流流过，挂机时用户环路断开,用户电话的阻抗。地址信令也称选择信令，是双音多频信号，即俗称的电话号码。 可闻信号包括4种，一般采用450Hz的交流信号，如：拨号音是450Hz正弦波，电压峰峰值0.7V，是连续发送的信号；回铃音是450Hz正弦波，电压峰峰值0.7V，5秒周期信号，其中1秒送，4秒断；忙音是450Hz正弦波，电压峰峰值0.7V，0.7秒周期信号，其中0.35秒送、0.35秒断；通知音是450Hz正弦波，电压峰峰值0.7V，1.2秒周期信号，其中0.2秒送，0.2秒断、0.2秒送，0.6秒断；催挂音（请确认）450Hz正弦波，电压
70、峰峰值远大于0.7V,是连续发送的信号。下面给出固定电话的呼叫流程，如图13-30所示。图13-30固定电话呼叫流程图 在电话线路上没有送来任何铃流之前，电话线路由电话交换机提供大约48V的直流电压。当用户被呼叫时，电话交换机发来振铃信号。振铃为25Hz正弦波信号。根据振铃信号电压比较高的特点，本机先使用高压稳压二极管进行降压，然后输入至光电耦合器。经过光耦的隔离转换，从光电耦合器输出的波形是时通时断的正弦波，经过RC回路进行滤波输出比较标准的方波。方波信号直接输出至单片机的1个输入口，完成整个振铃音检测和计数的过程。如果在预置的振铃次数内电话用户摘机，程序检测到用户摘机状态后就退出检测振铃状
71、态；如果在预置的振铃次数内电话用户没有摘机，程序就模拟摘机。 本机的电话信号收/发子模块以高频中功率放大器KSP2222A和音频变压器为核心构成，还包含模拟摘/挂机电路、光耦PC817和整形滤波电路、一些外围阻容元件和控制音频变压器次级线包与外线连接的干簧管继电器。KSP2222A起信号放大作用；音频变压器起放大、隔离、双向传输信号的作用。模拟摘/挂机电路由一个继电器和一些外围器件构成，在报警状态下，它切断内部电话，使报警电话优先拨出；光耦PC817和整形滤波电路如前所述，用来接收振铃信号，这部分的接线如图13-31所示。图13-31电话信号接收/发送子模块由如图13-31所示可以看出，该收/
72、发子模块完成的任务如下：接收从MT8880CE第8脚输出的双音多频信号或者其他辅助信息，并把它放大，然后通过音频变压器耦合发送到电话线上。双音多频信号通过电容值为0.1uf的无极性磁片电容耦合到三极管KSP2222A的基极。与电容串接的电阻可以调节送至三极管KSP2222A基极的信号电压，使这个电压既不太小也不太大。因为KSP2222A的放大倍数是固定的，而各路信号源输出的信号幅度是不同的，所以需要通过降压调整各路信号的幅值在输出到KSP2222A的基极时基本一样。接收从ISD1420输出的语音信号，即预先录制的警情说明，并把它放大，然后通过音频变压器耦合发送到电话线上。语音信号通过电容值为
73、0.1uf的 无 极 性 磁 片 电 容 耦 合 到 三 极 管KSP2222A的基极，该电容同样起高通隔直的作用。与电容串接的电阻同样是调节送至三极管KSP2222A基极的信号电压。接收从麦克输出的语音信号，即在远程用户进行现场监听传送的信号，并把它放大，然后通过音频变压器耦合发送到电话线上。该路上的电阻、电容也起上述作用。接收从单片机12脚发出的确认信号，在远程控制时，远程用户会听到一些提示音，这个声音由单片机程序控制在12脚输出1KHz的脉冲，经电容滤波后得到，KSP2222A将它放大，然后通过音频变压器耦合发送到电话线上。单片机21脚在报警时会输出一个“0”电平，这个“0”电平使与21
74、脚相连的运算放大器LM393的7脚输出12V，一方面控制干簧管继电器吸合，使音频变压器次级的4脚通过1个150电阻与电话线接通，一方面改变KSP2222A的基极静态电压，使之处于恰当的工作点，准备放大输出信号。电话线上发来的DTMF信号经音频变压器耦合送入MT8880CE，这样程序就可以监听远程用户的指令。 本子模块不光要接收外线信号，也要接收本地电话信号。当本机要录制报警电话号码时，需要把“入网编程”拨动开关拨到“编程”档，并接1部DTMF制式电话到本机的相应RJ11插口。这样由本地座机电话输出的DTMF信号就送入MT8880CE的输入脚。再由MT8880CE解码后送入单片机做后续处理。13
75、.4嵌入式报警主机软件设计13.4.1程序框架 本机程序用C51编写，简便易读，源程序由C51编译软件LOPEVer3.26编译成十六进制文件格式的机器码，由WH500800编程器将*.hex文件烧写到89C52中。在烧写芯片时，选择加密选项，令89C52中的内容不被非法读出。编译成机器码后总程序量为7K，为了防止程序意外跑飞，在正常程序之后填充了冗余指令，令8K容量的程序存储器满，当程序指针意外指向非法位置时，可以跳转回初始化位置。程序的编制方式采用典型的嵌入式系统软件工程化方式，软件包括人机交互处理、CPU处理、I/O处理、各项功能模块，为标准的结构化编程，即每个子功能编写为一段子程序，供
76、主程序或者其他子程序调用。主程序中采用轮询的方式检查各口线状态。在处理数据的逻辑结构时，采用了集合结构。数据的逻辑结构一般也叫数据结构，是指互相之间存在着一种或多种关系的数据元素的集合，通常采用二元组描述：B（D，R）B表示一种数据结构，它由数据元素的集合D和二元关系的集合R所组成。集合是元素关系极为松散的一种结构，处理少量数据已经足够。数据在24C02中存储采用索引结构，每一个索引号对应一个24C02中的地址，该地址就是一条记录的首地址。例如，单片机程序希望查询存储在24C02中的第3组报警电话号码，第3组电话号码的索引号为3，查索引表：switch(NUMSERIAL)case1:NUMS
77、ERIAL=102;break;/数组1的起始位置=0长20位case2:NUMSERIAL=124;break;/数组2的起始位置=20长13位case3:NUMSERIAL=144;break;/数组3的起始位置=33长13位根据索引表可知，它对应的地址是144，因此单片机程序就从地址144开始读取数据。下面请看图13-32所示的程序主流程图13-32程序主流程13.4.2流程说明程序初始化 由图13-32所示程序主流程图，89C52在上电之后，首先进行初始化。初始化过程中，首先定义一些标志变量和中转存储变量。（1）初始化各I/O口，使各口处于逻辑“1”，可以检测外部状态。2）初始化MT8
78、880CE，即写MT8880CE的控制寄存器，使MT8880CE处于正确的工作状态，可以接受DTMF信号。（3）点亮数码管，检查数码管是否完好。（4）检测是否是首次上电。程序读24C02中的一个标志，如果是首次上电，该标志位置位；如果首次使用，则必须进行一些初始化：设置在5次振铃之后如果没有用户接听电话，则本机模拟摘机；将所有的报警电话号码长度设置为空；最后将首次上电标志位置位。信号循环处理流程程序完成初始化之后，进入循环处理体，单片机程序依次检查各口状态，并做出相应的处理。（1）处理电源灯闪烁的问题，按要求，在无报警、无远控信号的情况下电源灯应以一定频率闪烁。程序中采用定时改变电源灯开/关状
79、态的办法达到这个目的。（2）程序检查89C52的36脚状态，当本机处于编程状态下，用户没有摘机时，36脚为5V电压，用户摘机后，36脚为0V电压。因此在检测到36脚为0V电压后，程序调用用于处理录制报警电话的子程序voidMake_Program() 。（3）检测25脚，看有无遥控器信号输入，该脚平时为低，无线解码有效就变高。解码数据由26、27、28、32脚输入，这4个脚分别对应HX2272数据输出总线的D0D3口。遥控器发来的信号分为3种：布防信号、撤防信号、紧急报警信号，在收到布防或者撤防信号，并进行相应处理之后，为了提示用户操作成功，会控制喇叭发出短促的鸣响，鸣响时间由定时器控制。（4
80、）处理布防延时，本机在本地布防之后，1分钟后才真正进入布防状态，这是为了方便使用者在启动布防后，有时间在屋内活动而不触发某些探测器，如红外线电子防护栏；因此在本地使用遥控器布防后1分钟内，非紧急报警的报警信号即使发生也不会使主机进行拨打电话报警；如果是紧急报警信号，则不受该限制。进入布防延时处理后，程序将调用一段50ms的延时程序，该延时由单片机内部的定时器形成，这50ms加上程序轮询的时间再乘以一个倍数就构成了60秒的延时。（5）检查有无紧急按钮报警信号，处理报警标志。（6）检查有无非紧急按钮外部报警信号，处理报警标志。（7）检查有无外线故障，比如电话线断线、短路，如果有则启动现场报警。（8
81、）检测铃流，如果检测到了，就进一步检查是否在设定振铃数内是否没有用户摘机。如果是，程序进入异地电话控制主机状态。（9）检查报警标志是否置位，如果报警标志置位，则进入报警处理。13.4.3软件抗干扰 按照可靠性理论，程序设计最重要任务是，确保应用程序按照给定的顺序有秩序地运行。有序运行的基础是硬件的可靠性，可靠性高的硬件基础可以保证不会出现硬件故障；但是，在工业现场使用时，大量的干扰源虽然不会造成单片机系统硬件系统的破坏，却常常会破坏数字信号的时序，更改单片机寄存器内容，导致程序“跑飞”或进入死循环。因此，必须在程序设计中采取措施，提高软件的可靠性，减少软件错误的发生以及在软件错误的情况下仍能使
82、系统恢复正常运行。单片机系统的软件抗干扰技术要表现在以下几个方面。软件抗干扰的两个作用，在两种情况下需要应用软件抗干扰：一种情况是为了提高系统的效能、节省硬件，用软件的功能去代替硬件；另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题。本机属于实时系统，需要24小时连续工作，不允许断电检测。令现场控制系统大受困扰的问题不是硬件都能解决的，因为这些干扰信号大多数是瞬时存在，时间间隔不确定，传播途径不清楚，而单片机软件却能处理这些具有随机性、瞬时性的干扰。软件抗干扰是一种价廉、灵活、方便的抗干扰方法。纯软件抗干扰不需要硬件资源，不改变硬件的环境，不需要对干扰源精确定位，不需要定量分析，因此使用起来灵活、方
83、便。用软件方法处理故障，实质上是采用冗余技术对故障进行屏蔽，对干扰响应进行掩盖，在干扰过后对干扰所产生的影响在功能上进行补偿，实现容错自救，同时，在调试和运行中用容错技术对干扰进行多层次、多角度的预防、屏蔽和监控。应用软件抗干扰，需要首先搞清干扰的种类、性质与影响的部位。然后对症下药，确定软件抗干扰的方法，同时，要注意其具体实现的时间开销和空间开销等问题。例如用备份的方法抗干扰，实际上是用软件完成判别和转换，付出的是备份的硬件设施，等于用增加空间来换取工作的可靠性；用重复取数、比较来判别输入、输出数据的正确性实际上是用时间抗干扰。软件抗干扰技术的前提是干扰尚未引起硬件的破坏，RAM中的程序与数
84、据未丢失。在本机设计中，采用了如下软件抗干扰技术：指令冗余技术：程序跑飞后往往将一些操作数当作指令代码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用指令冗余技术是使程序从跑飞状态恢复正常的一种有效措施。所谓冗余，就是在程序的关键地方人为地加入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，当程序跑飞到某条单字节指令上，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。当然，这些指令在程序中是冗余的，但却能提高软件系统的可靠性。 指令由操作数和操作码组成。单字节指令只有操作码，隐含操作数；双字节指令第一个字节是操作码，第二个字节是操作数；三字节指令第一个字节为操作码，后两个字节是操作数。CPU取指令的过程是先取操作码
85、，后取操作数，整个过程由程序计数器PC控制。因此，一旦单片机因干扰而出现错误，程序便脱离正常运行轨道，出现操作数数值改变以及把操作数当作操作码的错误。当程序落在某个单字节指令时，自己会进入正常的轨道；若程序落在某双字节或三字节指令上，在取操作码时因为程序错误实际取到的是操作数，程序就会出错。NOP指令的使用是冗余技术的重要方式。由89C52指令特点可知，如果在双字节指令和三字节指令之后插入两个单字节NOP指令，则该指令就不会被前面冲下来的失控程序冲散，而会得到正确的执行。因为跑飞的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正轨。通常是在一些对程
86、序流向控制起重要作用的指令前面插入两条NOP指令。在本机程序中，就在测控端口状态、调用子程序、返回调用程序等处做了这样的处理。 软件陷阱技术：如果跑飞的程序没有进入程序区，或者在执行到冗余指令之前就已经形成一个死循环，则采用指令冗余技术不能使跑飞的程序恢复正常，此时可以设定软件陷阱。所谓软件陷阱，其本质是一段拦截程序，当失控的程序运行至此后，可以将其迅速引向一个指定位置，在那里有专门的错误处理代码，使程序回到正确的程序段，或者就是程序的起始位置。本机软件设计采用了以下2种陷阱技术：程序一般都不会占用程序存储器的全部空间，对于未使用完的空间，一般都维持原状，即其内容为0FFH，0FFH对于89C
87、52指令系统来说是一条单字节指令“MOVR7，A”。在这段空间每隔一段设置一个陷阱，就一定能捕捉到跑飞的程序。一般的做法是在非程序区用0000020000或020202020000填满，但是最后一条填入数据必须为020000。在运行程序区设置软件陷阱一般是在程序断点处，如跳转指令和子程序返回指令后面设置陷阱。正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，而此时PC的值应该发生正常跳变，因此在这些地方设置陷阱就可能捕捉到跑飞的程序，13.5嵌入式报警主机技术改进展望本文描述设计的嵌入式报警主机还有许多方面需要完善提高，如引入人工智能中专家系统的概念，使本报警系统具备判断、推理、学习等能力，使报警系统拥
88、有更高的可靠性、稳定性和智能。专家系统 专家系统实质上为一计算机系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。在设计专家系统时，知识工程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作过程，即模仿人类专家如何运用它们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技巧和步骤。按照专家系统所求解问题的性质，可把它进行分类，下面列出
89、与本系统有关的几种类型。解释专家系统：它的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。该系统处理的数据量很大，而且往往是不准确的、有错误的或不完全的；而且该系统的推理过程可能很复杂和很长。预测专家系统：它的任务是通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况。该系统处理的数据随时间变化，需要有适应时间变化的动态模型。监视专家系统：它的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。该系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出报警；警报要有很高的准确性，误报、漏报都非常少；系统能够随时间和条件的变化而动态
90、地处理其输入信息。控制专家系统：它的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。该系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。归纳起来，专家系统具有下列三个特点：启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。世界上的大部分工作和知识都是非数学性的，只有一小部分人类活动是以数学公式为核心的（约占8%），即使是化学和物理学科，大部分也是靠推理进行思考的；对于生物学、大部分医学和全部法律，情况也是这样。企业管理的思考几乎全靠符号推理，而不是数值计算。透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。
91、例如，一个医疗诊断专家系统诊断某病人患有肺炎，而且必需用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统将会向病人解释为什么它患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，就像一位医疗专家对病人详细解释病情一样。灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。由于这一特点，使得专家系统具有十分广泛的应用领域。近年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的能力越来越强，抽象的说，它有下列几个方面的优点：专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。专家系统解决问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵的专家知识与经验。专家系统能促
92、使各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。 专家系统作为一种智能计算机程序系统，它和常规的应用程序是不同的。一般应用程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则把应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。专家系统通过与知识库分开的控制策略完成对知识库的处理。在非专家系统中，知识被组织为两级：数据级和程序级；在专家系统，知识被组织成三级：数据、知识库和控制。 在数据级上，是已经解决了的特定问题的说明性知识以及需要求解问题的有关事件的当前状态。在知识库级是专家系统的专门知识与经验。知识表示已经成为设计专家系统的关键，在设计
93、专家系统时，一般来说建立知识库需要花费大量的时间。在知识组织的控制方法部分，根据既定的控制策略和所求解问题的性质来决定应用知识库中的哪些知识应该得以应用。这里的控制方法是指推理方式。按照是否需要概率信息来决定采用非精确推理还是采用精确推理。推理方式的选取还取决于所需搜索知识的程度。下面给出一个理想专家系统的结构图，如图13-38所示。其中，知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。专家系统使用黑板来记录系统推理过程中使用的控制信息、假设内容和非最终结果，这些数据都存储在数据库中，由此可见黑板就是一个数据库文件。黑板数据库文件一般包括议程、计划、中间解3块内容。议程包含
94、了一些待执行的事务。计划包含了现有问题总的处理计划、目标、问题的当前状态和问题背景。中间解存储当前系统已运算产生的结果和待选假设。调度器根据专家系统设计师设定的控制知识，从议程中选择一项内容作为系统下一步要执行的事务。执行器应用知识库及黑板数据库中存储的信息，执行调度器所选定的事务。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正，这样结果的前后一致性就得到了保证。向用户解释系统的行为是解释器的工作范畴，解释器的工作包括解释结论的正确性及系统输出其他候选解的原因。解释器的输出对用户来说可以看成一个新的知识数据库。接口是人与系统进行信息交流的媒介，功能是识别与解释用户向系统提供
95、的命令、问题和数据等信息，并把这些信息转化为系统的内部表示形式。另一方面，接口也将系统向用户提出的问题、得出的结果和作出的解释以用户易于理解的形式提供给用户。 建立一个报警监控专家系统，可以从一个比较小的系统开始，逐步扩充为一个具有相当规模和日益完善的试验系统，它的步骤可以如下：（1）设计初始知识库，知识库的设计是建立专家系统最重要和最艰巨的任务。初始知识库的设计包括：问题知识化：即辨别所研究问题的实质，如输入的报警信号是什么，它是由哪类警情触发的，是由哪种传感器发送的，传感器的精度如何，可否把它分解为子问题或子任务，它包括哪些典型数据等。知识概念化：即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如
96、警情类型、已知条件和报警主机目标动作、提出的假设以及控制策略等。概念形式化：即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达，它包括假设空间、过程模型和数据特性等。形式规则化：即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。规则合法化：即确认规则化了的知识的合理性，检验规则的有效性。（2）原型机的开发与试验，在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。（3）知识库的改进与归纳，反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完美的结果。经过相当长时间的积累，使系统在一定范围内达到人类报警专家的水平，这种设计与建立步骤，如图13-39所示。图13-39建立报警专家系统的步骤
