摘 要：研究雙音多頻收發(fā)器MT8880和電力線載波通訊模塊PLC3K，設(shè)計(jì)一套基于PIC16F874單片機(jī)、現(xiàn)有的家庭電力線網(wǎng)絡(luò)和程控電話網(wǎng)絡(luò)的家電遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲得了良好的效果，且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：電力線載波技術(shù)；電話遠(yuǎn)程控制；PIC單片機(jī)；雙音多頻

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-047-03

Design of Long-distance Intelligent Control System for Home-using Appliance Based

on Home-use Power Line Network and Program-Controlled Telephone Network

LI Xiaoguang，JIA Zhanling

(Henan Xuchang Electric Power Company，Xuchang，461000，China)

Abstract：This article studies the dual-tone multi-frequency transceiver MT8880 and power line carrier module PLC3K.It designs a long-distance intelligent control system for home-using appliance which is based on PIC16F874 MCU，existing home-use power line network and program-controlled telephone network.It has reliable and stable network.

Keywords：power line carrier technology；telephone long-distance control；PIC；dual-tone multi-frequency

智能家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是一種利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、智能控制技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)為一體的現(xiàn)代家電控制系統(tǒng)。智能家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的出現(xiàn)可以減少人們對(duì)保姆的依賴，提高家用電器的使用靈活性，大大減少家用電器的使用對(duì)人們?cè)跁r(shí)間上、空間上造成的束縛，從而提高人們的整體生活水平?？偠灾?，智能家電遠(yuǎn)程控制是未來(lái)家電發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

(1) 電話智能遙控電路由PIC16F874單片機(jī)構(gòu)成主控部分，進(jìn)行主要的信息處理，接收外部操作指令形成各種控制信號(hào)，并發(fā)送給各電器控制子站；接口電路提供單片機(jī)與電話外線的接口。其中包括鈴流檢測(cè)、摘掛機(jī)控制、忙音檢測(cè)、雙音頻DTMF識(shí)別以及語(yǔ)音提示電路。

(2) 遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇

要實(shí)現(xiàn)智能家電的遠(yuǎn)程控制，最關(guān)鍵的是通訊技術(shù)。如今，GSM，GPRS，CDMA，程控電話網(wǎng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通訊。從網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通訊產(chǎn)品的普及程度和移動(dòng)性考慮，程控電話網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，通訊質(zhì)量好、建設(shè)早、覆蓋面廣等。而且現(xiàn)在的GSM/CDMA也可以接入程控電話網(wǎng)，這樣智能家電的遠(yuǎn)程控制既可以使用固定電話作為控制終端，還可以使用移動(dòng)電話作為控制終端，人們可以隨時(shí)隨地使用手上的電話，對(duì)家電實(shí)現(xiàn)控制。雖然GPRS/計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有通訊成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到目前其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面還不夠廣、通訊終端成本太高等因素，本文選擇了程控電話網(wǎng)作為家電遠(yuǎn)程控制的通訊網(wǎng)絡(luò)。

(3) 家庭控制網(wǎng)絡(luò)的選擇

現(xiàn)代家庭有多種家用電器，分布于一套房子的各個(gè)角落。要實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，必須建立一個(gè)小型的控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)集中進(jìn)行控制。為了避免重新布線和破壞已有的家庭裝修，選擇電力線將各個(gè)家用電器控制子站與控制中心連接，利用電力線載波通訊實(shí)現(xiàn)子站與控制中心的連接。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 PIC16F874主控單片機(jī)

這是一個(gè)高性能精簡(jiǎn)指令集的CPU；只有35條單字指令；多達(dá)8 k×14 Word可重復(fù)多次的FLASH程序存儲(chǔ)器，多達(dá)368 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，256 B E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；中斷源多達(dá)8個(gè)；8級(jí)深度硬件堆棧；具有上電復(fù)位；具有電源上升定時(shí)器和振蕩器；起振定時(shí)器；自帶RC振蕩器的開(kāi)門(mén)狗定時(shí)器；工作電壓范圍寬2.0～5.5 V；功耗低：<2 mA 典型值@5 V，4 MHz。

2.2 電力線載波通信模塊

PLC3K是一款嵌入式的通用高性能電力線載波通信調(diào)制/解調(diào)器模塊(電力線載波模塊、電力線 MODEM)。他是上海晨泉電子科技有限公司全力打造的專業(yè)電力線載波通信產(chǎn)品，其核心是一塊專用電力載波通信 SoC 芯片；同時(shí)配合晨泉科技為適應(yīng)電力線傳輸介質(zhì)特性而專門(mén)研發(fā)的通訊編碼/糾錯(cuò)算法，使得該系列產(chǎn)品具有通信速率高，抗噪聲干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)及可靠性高等特點(diǎn)，是專門(mén)為適應(yīng)中國(guó)電力線傳輸應(yīng)用環(huán)境而研發(fā)的高性能嵌入式電力線載波通訊模塊， 為各種電力線通信應(yīng)用提供理想的模塊化解決方案 。

PLC3K內(nèi)置的 SoC 芯片具有 Intel 8051 指令兼容的微處理器(MCU)，并固化了完整的電力線通信固件和協(xié)議。該模塊提供 UART異步串行通信接口，用于數(shù)據(jù)交換及模塊控制。用戶無(wú)需進(jìn)行電力線通信低層軟件編程，只需遵照異步串行通信接口協(xié)議，即可通過(guò)電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。PLC3K還內(nèi)置MCU的在線編程接口，用戶可根據(jù)應(yīng)用需要修改或取代內(nèi)置固件。

PLC3K電力載波調(diào)制/解調(diào)器采用12 V/5 V供電，具有 TTL 電平的 UART 接口，可以直接與用戶目標(biāo)系統(tǒng)的微處理器(MCU)的 RXD，TXD 相連收 /發(fā)數(shù)據(jù)，也可以直接與單片機(jī)連接；該模塊具有4種通訊速率可供選擇： 1 200 b/s，2 400 b/s，4 800 b/s，9 600 b/s。該模塊提供半雙工通信功能，可以在 220/110 VAC，50/60 Hz 電力線上實(shí)現(xiàn)局域通信。在同一臺(tái)配電變壓器下，多個(gè)PLC3K 模塊可以連接在同一條電力線上： 在主從通信模式下，模塊分別單獨(dú)工作，不會(huì)相互影響。

2.3 DTMF收發(fā)模塊

雙音多頻(Dual Tone Multi-Frequency)是指用2個(gè)特定的單音頻信號(hào)的組合表示數(shù)字和功能。通常國(guó)際上采用697，770，852，941，1 209，1 336，1 477，1 633 Hz八種頻率，分成高次群1 209，1 336，1 477，1 633和低次群697，770，852，941。從高次群和低次群中任意各抽出1種頻率進(jìn)行組合，共有16種組合，代表電話機(jī)數(shù)字按鍵的{ 0～9，A，B，C，D，*，# } 16種字符，普通電話機(jī)不包括A～D。

MT8880是一個(gè)帶有呼叫處理濾波器(call progress filter)的單片DTMF收發(fā)器，他采用MITEL公司的ISO2-CMOS工藝制造，功耗低、可靠性高。MT8880中的DTMF收號(hào)器是基于單片收號(hào)器MT8870工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，16個(gè)DTMF信號(hào)能全部接收到。DTMF發(fā)送器采用開(kāi)關(guān)電容D/A變換器，具有信號(hào)失真小、精度高，定時(shí)精確等優(yōu)點(diǎn)。MT8880有2種工作模式：DTMF模式和呼叫處理(CP)模式。當(dāng)選擇了呼叫處理模式時(shí)，MT8880就用于檢測(cè)電話網(wǎng)上電話呼叫過(guò)程中表示不同進(jìn)程的信號(hào)音(主要是撥號(hào)音，撥號(hào)音的標(biāo)準(zhǔn)頻率為350 Hz或440 Hz)，可以進(jìn)行撥號(hào)音識(shí)別。這是目前其他DTMF芯片所不具備的，這樣便可以省去一套復(fù)雜的撥號(hào)音識(shí)別電路。

當(dāng)MT8880作為DTMF接收器時(shí)，DTMF信號(hào)經(jīng)由IN+和IN-輸入，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大濾除信號(hào)中的撥號(hào)音頻率，然后發(fā)送到雙音頻濾波器，分離出低頻組和高頻組信號(hào)，通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)的方式檢出DTMF信號(hào)的頻率，并且通過(guò)譯碼器譯成4位二進(jìn)制碼。4位二進(jìn)制編碼被鎖存在接收數(shù)據(jù)寄存器中，此時(shí)狀態(tài)寄存器中的延時(shí)控制識(shí)別位復(fù)位，狀態(tài)寄存器中的接收數(shù)據(jù)寄存器滿標(biāo)識(shí)位置位，對(duì)外而言，當(dāng)寄存器中的延時(shí)控制識(shí)別位復(fù)位時(shí)，IRQCP由高電平變?yōu)榈碗娖?。如果用IRQCP作為單片機(jī)的中斷信號(hào)，IRQL由高電平變?yōu)榈碗娖剑駽PU發(fā)出中斷請(qǐng)求，當(dāng)CPU響應(yīng)中斷，讀出寄存器中的數(shù)據(jù)后，IRQ返回高電平。MT8880芯片引腳圖如圖2所示。

IN+：運(yùn)放輸入；IN-：運(yùn)放輸入；GS：Gain Select，運(yùn)放輸出端；Vref：參考電壓；Vss：電源負(fù)極；OSC1：DTMF時(shí)鐘/振蕩器輸入，采用3.579 545 MHz的時(shí)鐘；OSC2：時(shí)鐘輸出；R/W：讀寫(xiě)控制；CS：片選；RS0：寄存器選擇；Ф2：系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，TTL電平；IRQ / CP：中斷請(qǐng)求/呼叫處理，向MCU的中斷申請(qǐng)。當(dāng)選擇了呼叫處理模式時(shí)，輸入信號(hào)線上有呼叫信號(hào)時(shí)輸出與之相應(yīng)的方波信號(hào)；D0～D3：數(shù)據(jù)線；Est：Early steering output，滯后前輸出。當(dāng)檢測(cè)到有效音頻對(duì)時(shí)，(也稱信號(hào)條件Signal condition )，就變?yōu)楦唠娖?，信?hào)條件不滿足時(shí)又立刻返回低電平。此引腳上為高電平不一定表示有DTMF信號(hào)，話音信號(hào)也會(huì)偶然產(chǎn)生有效音頻對(duì)；St/Gt：Steering Output/ Guard Time output，滯后輸出/保護(hù)后輸出。當(dāng)電壓高于VTST 時(shí)，就保存檢測(cè)到的音頻對(duì)，同時(shí)更新輸出鎖存器的內(nèi)容。當(dāng)電壓低于VTST時(shí)，芯片就可以重新接收新的音頻對(duì)，對(duì)Gt的輸出對(duì)滯后時(shí)間常數(shù)(steering timeconstant)有影響，他的狀態(tài)是Est和加到St的電壓的函數(shù)；VCC：電源正極。

2.4 語(yǔ)音電路模塊

本模塊采用美國(guó)ISD公司的新品ISD4004系列的錄放芯片，與單片機(jī)構(gòu)成。該芯片聲音錄放采用ChipCorder專利技術(shù)，即無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換和壓縮就可以直接儲(chǔ)存，沒(méi)有A/D轉(zhuǎn)換誤差，在一個(gè)記錄位(BIT)可存儲(chǔ)250級(jí)聲音信號(hào)，相當(dāng)于通常的A/D記錄的8倍。片內(nèi)集成了晶體震蕩器、麥克前置放大器、自動(dòng)增益控制、抗混迭濾波器、平滑濾波器等，只需很少的外圍器件，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的聲音錄放場(chǎng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置并聯(lián)于電話機(jī)的一端，不會(huì)影響到電話機(jī)的正常使用。用戶通過(guò)另外的固定電話或移動(dòng)電話撥通本裝置所連接外線的電話號(hào)碼，通過(guò)市局交換機(jī)向電話機(jī)發(fā)出振鈴信號(hào)。本裝置如果檢測(cè)到振鈴5次，即5次響鈴后無(wú)人接聽(tīng)，自動(dòng)摘機(jī)，進(jìn)入密碼檢測(cè)，輸入正確后選擇被控制電器，然后輸入開(kāi)或關(guān)控制電器，完成后掛機(jī)返回。

4 結(jié) 語(yǔ)

該文所研究的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲得了良好的效果。電力線載波通訊構(gòu)建的家庭控制網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。本文所做的研究?jī)H作為一次有效的探索，要開(kāi)發(fā)更多功能、更實(shí)用的系統(tǒng)，還需要不斷地摸索和實(shí)踐。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)乃至智能家電系統(tǒng)將得到大力發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介 李曉廣 1982年出生，河南許昌人，高級(jí)工程師，電機(jī)與電力電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)雙學(xué)士。主要從事電力系統(tǒng)監(jiān)控方面的研究。