兀偉，馮楠，郗柯慶

（1 西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032；2.中國航天動(dòng)力技術(shù)研究院401所，陜西西安710025）

對(duì)上游水庫水情的可靠準(zhǔn)確掌握是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)配水調(diào)度、科學(xué)管理的先決條件，水情信息主要是靠人工完成，人為因素影響較大，做不到準(zhǔn)確及時(shí)的掌握。因此，某灌區(qū)管理局?jǐn)M對(duì)其上游三座水庫進(jìn)行水庫水位的遠(yuǎn)程遙測(cè)，鑒于水庫均處于山區(qū)，用無線傳輸?shù)姆绞绞褂梅奖悖盘?hào)強(qiáng)度可能不穩(wěn)定，因而采用有線方式。有線方式種類較多，主要有雙絞線（如網(wǎng)線、電話線）、同軸電纜和光纖等，專用電纜的鋪設(shè)一次性投資較高，運(yùn)行期間需專業(yè)人員維護(hù)。而采用租用電纜的方式則可免去一次性投資的費(fèi)用，也不用聘用專業(yè)職員，而且在通信數(shù)據(jù)量不大的情況下，運(yùn)行成本低。因此，本方案在通信方式上采用租用電話線，即PSTN方式[1-3]。

1 系統(tǒng)組成

和遙測(cè)終端的電路類似。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

2 單元電路

本遙測(cè)系統(tǒng)由超聲波水位傳感器、采集前端機(jī)、電信交換機(jī)和調(diào)度站遙測(cè)終端組成，如圖1所示。超聲波傳感器采集水位信息，采集前端機(jī)對(duì)超聲波傳感器測(cè)到的水位信號(hào)進(jìn)行編碼，并通過電話線傳送到調(diào)度中心，前端機(jī)工作模式為被動(dòng)式，即不進(jìn)行自動(dòng)上報(bào)水位，等待調(diào)度站的遙測(cè)指令，若收到正確的遙測(cè)指令立即將采集的數(shù)據(jù)傳到調(diào)度中心；調(diào)度站遙測(cè)終端由人工操作，只要按下招測(cè)鍵即可在液晶顯示器上顯示水庫水位。本文研究遙測(cè)終端的通訊部分，采集終端

2.1 硬件系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要分2部分，即遙測(cè)終端和采集前端機(jī)，兩者之間雙工通訊，其通訊電路基本相同，本文主要對(duì)其通信電路進(jìn)行詳細(xì)的論述。每個(gè)單元電路框圖如圖2所示，主要包括CPU、電話來電振鈴檢測(cè)、模擬摘機(jī)、編碼和解碼、語音提示電路以及其他電路[4]。其他電路包括液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤掃描電路和數(shù)據(jù)采集電路。下面對(duì)幾個(gè)主要模塊電路詳細(xì)地進(jìn)行論述。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

2.2 振鈴檢測(cè)電路

公用電話網(wǎng)的傳輸線路為二線模擬線路，采用直流環(huán)路信號(hào)方式，能向模擬話機(jī)提供直流饋電、振鈴信號(hào)、話音數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、雙音頻數(shù)據(jù)等。我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)為，話機(jī)在不通話時(shí)，電話線中的直流電壓是48 V。當(dāng)有電話呼入時(shí)，同時(shí)還有（25±15）V、25 Hz的正弦信號(hào)加在電話線上，所以向用戶振鈴的鈴流電壓為（75±15）V、25 Hz的交流電壓。振鈴以5 s為周期，即1 s送，4 s斷。振鈴檢測(cè)電路如圖3所示。當(dāng)該信號(hào)進(jìn)入振鈴檢測(cè)電路后，首先用電容C41進(jìn)行隔直，交流信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)壓管VD41降壓30 V，然后輸入到光電耦合器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電阻R41起限流作用。光電耦合器輸出的信號(hào)可以直接被CPU檢測(cè)。

圖3 振鈴檢測(cè)電路Fig.3 Ring detection circuit

2.3 模擬摘機(jī)電路

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有振鈴，且振鈴次數(shù)為3次，就“接通”電話，這里采用模擬摘機(jī)電路，如圖4所示。用戶話機(jī)的摘掛機(jī)狀態(tài)，是通過對(duì)直流環(huán)路上電流的通斷來實(shí)現(xiàn)的。用戶掛機(jī)時(shí)，直流環(huán)路開路，電流為0；反之，用戶摘機(jī)后，直流環(huán)路接通，饋電電流在20 mA以上。因?yàn)槌炭仉娫捊粨Q機(jī)對(duì)電話摘機(jī)的響應(yīng)，交換機(jī)檢測(cè)到回路電流變大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)。圖4中，NPN三極管VQ202接收到CPU控制端發(fā)出的高電平就開通，然后將PNP三極管VQ201的基極電位拉低，VQ201開通，即直流環(huán)路接通，R203（300 Ω）是限流電阻，B201是整流橋，保證VQ201一直開通[5]。

圖4 模擬摘機(jī)電路Fig.4 Simulating offhooking circuit

2.4 編碼譯碼電路

編碼譯碼電路采用MITEL公司的低功耗、高穩(wěn)定性芯片MT8880，這是一個(gè)帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號(hào)收發(fā)器。DTMF信號(hào)的接收部分采用DTMF信號(hào)接收單片機(jī)MT8870的工業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)送部分采用開關(guān)電容進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換發(fā)送高精度、低畸變的DTMF信號(hào)。內(nèi)部寄存器提供一個(gè)群模式。在雙音頻群模式下DTMF信號(hào)可以通過精確的時(shí)序被發(fā)送出去?？蛇x擇呼叫處理濾波器讓一個(gè)微處理器處理呼叫音頻信號(hào)。圖5是編碼解碼電路，IN+、IN-分別為內(nèi)部放大器的同相輸入端和反相輸入端，即接收DTMF信號(hào)的輸入端，本設(shè)計(jì)采用單端輸入；GS是內(nèi)部放大器的輸出端，R10和R11可調(diào)節(jié)增益；信號(hào)的耦合方式上采用阻容隔離，由C10來實(shí)現(xiàn)；OSC1和OSC2是TDMF時(shí)鐘輸入端，Y1是石英晶體時(shí)鐘，頻率為3.579 545 MHz；TONE是雙音頻信號(hào)輸出端；R/W是讀寫控制端，RS0是內(nèi)部寄存器控制端，用于操作內(nèi)部寄存器；IRQ/CP在雙音頻模式并且在中斷模式（IRQ）時(shí)，當(dāng)收到有效DTMF信號(hào)或準(zhǔn)備發(fā)送DTMF信號(hào)時(shí)該端由高電平變到低電平；在呼叫處理模式（CP）且檢測(cè)到有效信號(hào)音時(shí)，該端輸出方波；D0-3是寫入命令或讀出狀態(tài)的數(shù)據(jù)線。

圖5 編碼解碼電路Fig.5 Coding and decoding circuit

2.5 CPU及其最小系統(tǒng)

CPU采用silicom公司的單片機(jī)C8051F021，這是一款混合信號(hào)ISP FLASH、高速8051內(nèi)核的微控制器[6]。片內(nèi)集成多路12位和8位ADC，為數(shù)據(jù)采集提供方便；4個(gè)8位雙向IO口可直接控制鍵盤輸入、液晶輸出、聲音播放、模擬摘機(jī)、振鈴檢測(cè)、譯碼和解碼芯片而無需外擴(kuò)IO口；片內(nèi)JTAG調(diào)試電路可進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。圖6是單片機(jī)的最小系統(tǒng)。U1是單片機(jī)；其P0口主要是多功能口，有2個(gè)串口（與人機(jī)界面通訊，與傳感器通訊）、1個(gè)I2C口（用于EEPROM）、中斷入口（振鈴檢測(cè)）和1個(gè)通用IO口（模擬摘機(jī)）；P1口主要完成和MC8880的通訊；P2口和部分P3和ISD1420相連；AD口可連接傳感器；另外，還有復(fù)位電路（由圖6中R1、R2、C3和C4組成），J1接口是JTAG接口用于調(diào)試和下載程序，振蕩電路（由X1、C1和C2組成）。

圖6 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)Fig.6 MCV and it's smallest microcontroller system

2.6 其他電路

除了上述的CPU和PSTN通訊部分電路外，本系統(tǒng)還有電源電路、信號(hào)調(diào)理部分、存儲(chǔ)電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路，由于篇幅有限不在這里論述。

3 結(jié)論

本文提出的方案和具體電路在陜西某灌區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)過30天的不間斷工作，結(jié)果表明，該方案是可行的也是可靠的，硬件電路是正確的，可達(dá)到無人值守或少人值守的要求，為后續(xù)進(jìn)一步生產(chǎn)推廣提供技術(shù)保障。

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