基于73K222AU芯片實現單片機遠程通信

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(重慶青年職業技術學院 信息工程系,重慶 400712)

基于73K222AU芯片實現單片機遠程通信

王建中，楊璐

(重慶青年職業技術學院信息工程系,重慶400712)

遠距離數據采集與傳輸主要依賴于公共有線或無線網絡，數據交換和遠程控制容易泄露信息，不利于重要數據有效保護;為了實現專用線路遠程通信，有效解決長距離數據傳輸困難，提出基于調制解調器73K222AU芯片與單片機AT89S52 、變壓器HR219307的硬件電路和接口電路設計方法，達到數據和信號遠程交換；通信校驗采用CRC循環冗余碼校驗算法與奇偶校驗算法，不僅簡化了運算，同時有效解決傳輸誤碼影響；程序設計采用結構清晰的C51語言，還具有匯編語言的硬件操作能力;實驗結果顯示，采用73K222AU芯片設計的電路，能夠實現單片機遠程通信，數據傳輸距離遠、可靠性高、通信組網方便、環境適應能力強，滿足野外專用數據通信組網。

調制解調器；73K222AU；數據傳輸；CRC；有線通信

0 引言

通信分為有線通信和無線通信，兩者最大的區別是傳輸介質，有線傳輸介質是看得見的，無線傳輸是靠電磁波波傳輸信號[1]。有線通信具有容量大，信號可靠性高，傳輸距離遠等優點，如電視、電話、網絡、USB；無線通信具有攜帶方便、多連接點、網絡建設投入成本低等優點，如手機、WIFI、熱點、藍牙。目前，為了保證數據通信的可靠性、保密性，一般采用有線通信，利用電纜或光纜傳送數據，可以有效監控數據傳輸情況。針對特殊行業，如野外作業、軍事戰地部署等，一般不采用中繼放大信號服務或具有特殊焊接的光纜、同軸電纜、網絡等有線通信，常采用快速部署、通信可靠、保密較強的電話通信方式，因此，研制基于遠程通信的單體設備非分必要。本文采用73K222AU芯片和單片機AT89S52實現遠程通信，既經濟、靈活[2]、組網方便，也可以通過公網或專用網絡數據交換。

1 72K222AU芯片的性能及特點

1.1 72K222AU芯片介紹

73K222AU是TDK公司生產的緊湊、高性能MODEM芯片，包括8250A/16C450兼容UART單芯片，早期的型號有73K212AL、73K222AL、73K222BL等型號，73k222AU電路集成度高，可以作為一個智能的調制解調器，在積分應用程序不需要專用單片機[3]。73K222AU具有DIP40、PLCC44等2種封裝形式，是專門設計的集成微處理器總線智能調制解調器產品，通常需要標準的8250或更高速度16450 UART執行并行到串行和串行到并行接口轉換。

1.2 72K222AU芯片主要的性能及特點

73K222AU芯片是73K222AL的升級和改進產品，還可以用 MODEM(調制解調器)芯片與單片機構成自動報警裝置，借助于工廠、企業內部的電話交換機網絡,甚至公用電話交換機網絡，遠距離地傳送報警信息，不受地點和時間的限制，真正做到安全、迅速和正確。

1)支持Bell 212A/103 、CCITT V.22/V.21，Bell 212A和V.22，Bell 103和V.21標準協議。

2)具備73K222L單芯片調制解調器的功能。

3)完全兼容的UART 16C450 / 8250、8250b或8250a可選中斷仿真。

4)高速UART接口，CPU總線控制。

5)全雙工，可設置傳輸速率和方式，1 200 bps、600 bps、300 bps。

6)具有DTMF語音撥號、應答等功能。

7)標準+5 V電源供電。

8)包括40引腳或44引腳PLCC表面貼片封裝。

圖1 40引腳DIP 73K222AU-IP

圖2 44引腳PLCC 73K222AU-IH

1.3 72K222AU芯片原理

73k222AU能與8250或高速16450 UART執行并行到串行和串行到并行轉換，將并行總線接口轉換成具有的串行MODEM功能。73k222AU通過高度集成設計，可以減少大量使用MODEM，該芯片有兩種操作模式，在雙端口模式下，專用微控制器使用一個單獨的73k222AU執行串行端口命令；在單端口模式下，主CPU可以控制UART和MODEM使用并行數據總線的功能。73k222AU包括2線到4線混合驅動程序、摘機繼電器驅動器和音頻監視器輸出，可以通過軟件控制通話音量和響鈴。另外，還具備UART功能，可獨立使用MODEM，為PC提供一個額外的異步端口，不需要附加其它電路。73k222AU內部的4個寄存器用于MODEM控制和狀態監測。CR0控制寄存器設置二線線路上數據傳輸的方式；CR1控制寄存器設置內部狀態與單片機AT89S52之間的接口；DR檢測寄存器用于獲取MODEM工作狀態；TR音調寄存器控制產生音頻信號，通過設置寄存器，MODEM可以產生DTMF信號、應答音信號和防衛音信號，TR還可以二線工作過程中對RXD引腳進行控制。

2 接口電路設計

73K222AU 芯片、HR219307變壓器、接口電路、AT89S52處理芯片組成遠程傳輸或接收系統，通過16位地址/數據復用與MODEM芯片相連，利用單片機控制數據收發，再通過變壓器信號放大，實現兩根電話線同步或異步遠程數據通信，甚至可以達到數百公里。

2.1 變壓器HR219307

HR219307變壓器采用無鉛、離方式，隔離達1 500 vrms，直流電阻最大38歐姆，最大頻率4 kHz，可滿足模擬信號放大，遠距離數據傳輸。通過模擬信號傳輸數據，需要設置73K222AU芯片主叫、被叫兩種方式，模擬信號通過光耦產生方波以觸發微控制器，響應觸發后吸合繼電器來形成直流通道，從而實現信號遠距離傳輸。

2.2 接口電路

接口電路主要由modem 芯片73K222AU-IP、74HC4053、LM148組成。73K222AU-IP與單片機AT89S52完成三類信號傳輸，即數據與地址信號(AD0～AD7)、控制信號(片選CS接A15、讀信號DISTR接RD、寫信號DOSTR接WD)、串行數據傳輸(TXA、RXA)，在電源接入端連接0.1 μF 和22 μF 的旁路電容, 滿足電源降噪的要求。74HC4053是模擬開關電路芯片，3路二選一，每個多路選擇開關都有兩個輸入/輸出信號，還有公共輸入/輸出端、選擇輸入端，一般用于數字、模擬多路開關控制和信號選通。運放電路主要由LM148構成，具有獨立、高增益、低電流損耗、內部補償等優點，溫度范圍-55～85 ℃軍用級、-25～85 ℃工業級。

圖5 接口外圍電路

2.3 信號AT89S52處理芯片控制

AT89S52 是ATMEL公司研制生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，兼容80C51指令和引腳，存儲空間8 K，Flash存儲器可編程，支持上數千次擦寫，具有三級加密程序存儲器，有8個中斷源，3個定時器，32個可編程I/O口線，支持全雙工UART串行通信等[4]，該芯片程序設計靈活、應用范圍廣。P1.0～P1.7用作控制信號，P1.1、P1.2控制模擬開關74HC4053，P1.0接73K222AU-IP 芯片UART中斷信號INTRPT，P1.3～P1.7控制信號選通、距離模擬、擴展功能；數據輸入/輸出通過RDX和TXD。

圖6 AT89S52外圍電路設計

2.4 MODEM芯片73K222AU的寄存器控制

73K222AU 中有1個UART控制包括接收緩沖RBR、發送緩沖THR、中斷使能IER、中斷控制IIR、線路控制LCR、MODEM控制MCR、線路狀態LSR 、MODEM狀態MSR 、MODEM發音SCRL、分壓鎖存器低位DLL、分壓鎖存器高位DLM等12個寄存器。另外，還有MODEM控制包括控制CR0、控制CR1、檢測DR、語音TONE、控制CR2、控制CR3、發音CR2、異步接收UCR等8個寄存器。部分寄存器如下。

1)UART的部分控制寄存器設置。

(1)中斷控制寄存器IIR。

中斷設置寄存器IIR設置中斷優先級，響應時掛起其它中斷，跳轉到指定的中斷服務程序，執行完后返回到跳轉時的指令。

表1 中斷控制寄存器IIR設置

(2)線路控制寄存器LCR。

用戶通過線路控制寄存器設置異步數據通信交換的格式，也可以讀取線路控制寄存器的狀態。通過該寄存器設置數據位、停止位、奇偶校驗。

表2 線路控制寄存器LCR設置

(3)線路狀態寄存器LSR。

用戶通過線路控制寄存器讀取數據接收和傳輸狀態，從而控制CPU數據處理。

表3 線路狀態寄存器LSR

D5數據發送狀態判斷，高電平則可以發送數據(4)除數鎖存器低位DLL、高位DLM

除數鎖存器是兩個8位只寫寄存器，通過它設置傳輸波特率，通過內部時鐘1.8432 MHz設置除數鎖存器的值，實現波特率的設置。詳細設置如表4所示。

表4 除數鎖存器選擇

3 MODEM控制寄存器設置

3.1 控制寄存器CR0

控制寄存器CR0為設置通信方式和通信頻率, 其中D0設置為1時為主叫方，為0時為被叫，用來選擇數據傳輸通道，主叫傳輸選擇1 200 Hz通道, 被叫選擇2 400 Hz通道，因為模擬通道只有兩根通信線，要保證全雙工只有通過限制規則，D1為TXA使能，主叫寄存器CR0設置為0x1b，被叫設置為0x1a。詳見表5所示。

表5 控制寄存器CR0設置

3.2 控制寄存器CR1

控制寄存器CR0為控制發送單元，其中D0 、D1 位為工作模式選擇，D2、D3、D4、D5均選擇默認方式，D6、D7為數據傳輸方式選擇。詳見如表6所示。

表6 控制寄存器CR1設置

4 算法及軟件設計

4.1 奇偶校驗

奇偶校驗是將給定數轉換成二進制數，其二進制數中含1的個數是奇數還是偶數[5]。奇偶校驗是目前數據傳輸中錯誤檢測最簡單校驗方式，只有偶校驗位與奇校驗位兩種類型，如果給定數據位中 1 的個數是奇數，偶校驗位就置為 1，從而使1的個數為偶數，則為偶校驗[6]。如果給定數據位中 1 的個數是偶數，奇校驗位就置為 1，從而使 1 的個數為奇數，則為奇校驗。程序如下：

int parity_check(unsigned char c)

{

int value=0;

while(c) { value ^=c; //進行異或運算

value gt;gt;=1; // value右移一位

}

value amp;=0x1;

return value;

}

4.2 循環冗余碼校驗CRC

循環冗余碼校驗( Cyclic Redundancy Check，簡稱CRC)是一類重要的線性分組碼[7]，具有較強的誤碼檢測能力和抗干擾能力，在通信領域廣泛應用，其編碼和解碼技術簡單，計算量較小，適用于檢錯和糾錯。CRC校驗是按位運算，將要傳輸的字符串看作多項式m(x)，系數是0或1組成，選用一個(n-k)階生成的多項式f(x)，用xn-km(x)作為被除數，f(x)作為除數，進行多項式模二除法，所得余數R(x)就是所謂的CRC校驗碼。即為：C(x)=xn-km(x)+R(x)[8]。國際上常用CRC有以下幾種多項式[9]，本方案選用CRC-16：

CRC-8：f(x)=X8+X5+X4+1

CRC-CCITT：f(x)=X16+X12+X5+1

CRC-16：f(x)=X16+X15+X5+1

CRC-12：f(x)=X12+X11+X3+X2+1

CRC-32：f(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+1

4.3 軟件實現

1)MODEM芯片73K222AU初始化程序。通過設置UART的控制寄存器通信傳輸格式數據位、停止位、奇偶校驗，數據接收和發送方式；另外設置MODEM控制寄存器設置主叫方和被叫方。初始化程序如下：

void modem_init(unsigned char set_CR0)

{

unsigned char lcr_data,temp;

lcr_data = XBYTE[LCR_addr];

lcr_data = lcr_data | 0x80;

XBYTE[LCR_addr] = lcr_data;

XBYTE[DLL_addr] = 0x60; //設置傳輸波特率1200bit

XBYTE[DLM_addr] = 0x00;

XBYTE[LCR_addr] = lcr_data amp; 0x7f;

lcr_data amp;= 0xc0;

lcr_data |= 0xcb;

XBYTE[LCR_addr] = lcr_data;

if(set_CR0==1){ XBYTE[CR0_addr] = 0x1f; } //主叫方

else { XBYTE[CR0_addr] = 0x1c; } //被叫方

XBYTE[CR1_addr] = 0x00;

}

2)數據發送、接收程序。73K222AU收發數據，需先設置UART的控制寄存器、MODEM控制寄存器，然后通過判斷UART線路狀態寄存器LSR的具體數據位高低來控制數據收發，如果寄存器D5 為1則空閑，則可以發送數據；如果寄存器D4 為1，則數據接收緩沖器RBR收到數據。源程序段如下：

void send_data(unsigned char ch)

{

while((XBYTE[LSR_addr]amp;0x20) == 0x20)

{ XBYTE[THR_addr] = ch; }

}

unsigned char recieve_data( )

{

unsigned char recieve_ch;

while((XBYTE[LSR_addr]amp;0x01) == 0x01)

{ recieve_ch = XBYTE[RBR_addr] amp; 0x0ff; }

return recieve_ch;

}

5 實驗驗證與分析

5.1 實驗驗證

通過以上硬件選型、電路設計、軟件控制等方法，研制出基于73K222AU芯片的通信電路板如圖7，在發送數據時，二線輸出波形如圖8所示，呈現震蕩波形。為了驗證通信距離，選擇電信局YD/T630-93標準，2芯內導體銅絲直徑0.5 mm，100 m電阻概15～25 Ω，通過電纜實測，輸出波形振幅和頻率無衰減，發送字符自由報文0～9、A～Z，專用通信檢測設備信息機收到自由報文；然后通過信息機發送自由報文0～9、A～Z，通信電路板收到報文通過串口轉發至計算機，串口助手接收到完整自由報文。通過類似原理，分別選取不同阻值電阻代替電話線，模擬測試通信距離，測試情況詳見表7，測試結果驗證，采用該方案設計的電路板，能夠有效實現遠距離模擬數據傳輸，通信距離超過500 km，可以滿足野外手持、軍用設備組網等特殊環境下使用。通信組網時，將基于73K222AU芯片研制的信息適配器設備模擬輸出二線口與多臺直接并聯，兩根輸出線沒有極性區分。另外，如果要外接專用模擬通信設備信息機、終端機、計算機等，需要配置有二線模擬通信接口并聯接線，便可以組成基于二線通信的局域網絡。

圖7 通信電路板

圖8 通信板二線輸出波形

表7 通信距離模擬情況

5.2 實驗結果分析

目前，常用的全雙工通信方式有線通信有：RS-232串行通信、CAN總線通信、以太網通信、光纖通信、調制解調器MODEM通信等，RS-232串行接口通信方便，即插即用，但有效距離15 m；CAN總線通信有很強的協議功能，傳輸速率高，不宜做長距離；以太網通信接入和傳輸非常方便，一般不超過100 m,如果需要遠距離傳輸需要大量的中繼設備；光纖方通信傳輸速率高，傳輸距離遠，可達百兆以上，通信可靠無干擾，缺點是系統造價高，斷線后熔接受環境、專業技術制約，主要用于通信干線；基于73K222AU芯片的調制解調器MODEM通信，對線路要求低，通信距離遠，一般幾十公里，甚至數百公里，適合用于野外通信、大型礦井監控系統，主要缺點是誤碼率較高。

通過對幾種有線通信方式的比較，野外作業環境較為復雜，基本沒有中繼設備，要實現遠距離數據傳輸投入成本較大，不利于維護，而且臨時組網難度較大，尤其是部隊野外訓練、鉆探、井下作業等特殊環境，既要保證通信暢通、可靠，而且要快速反應。采用3K222AU芯片為基礎，實現二線模擬通信可以滿足特殊環境使用，管網鋪設簡單、投入成本較低、維護方便，不需要任何中繼設備可達數十或數百公里；為了保證通信設備的可靠性，設置嚴格的校驗方式，如CRC循環冗余碼校驗，可以有效排除傳輸過程的誤碼數據，使通信更為可靠。通過分析，采用73K222AU芯片研制的信息處理機，能夠有效實現設備之間二線模擬信號遠程通信。

6 總結

本文提出了采用73K222AU調制解調器芯片與單片機AT89S52、變壓器HR219307為主要器件，設計基于二線模擬通信的硬件通信電路板；通過CRC循環冗余碼校驗算法、奇偶校驗算法和采用C51實現單片機通信程序設計，有效解決數據使用模擬信號遠距離傳輸，便于實現遠程數據交換和控制，尤其為野外數據組網和通信提供參考，應用前景非常廣闊。

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RealizationofRemoteCommunicationBasedon73K222AUChip

Wang Jianzhong,Yang Lu

(Information Engineering Department,Chongqing Youth Vocational amp; Technical College,Chongqing 400712,China)

Remote data acquisition and transmission is mainly dependent on public wired or wireless networks, while data exchange and remote control is easy to leak information, and is not conducive to the effective protection of important data. Targeted at the shortcomings of long distance data transmission difficulties and to realize the aim of private line telecommunication, this research puts forward interface circuit design, calibration algorithm and application program design interface circuit using 73K222AU modem, HR219307 transformer and AT89S52 singlechip, which can effectively solve the problems of remote data transmission and control; Using CRC cyclic Redundancy Check Algorithm and Parity Check Algorithm to simplify the operation and effectively solves the transmission error, and program design uses C51 language which has a clear structure, and has the ability to assemble the language of the hardware. The experimental results show that the proposed scheme has the advantages of long data transmission distance, high reliability, convenient communication network, strong adaptability to environment, and can realize private data communication network outdoors.

modem; 73K222AU; data transmission; CRC; cable communication

2017-02-08；

2017-03-31。

重慶市基礎科學與前沿技術研究專項(一般項目)(cstc2016jcyjA0138)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ160390);重慶青年職業技術學院基礎研究(重點項目)(CQY2015Z001)；計算機基礎MOOCs與混合教學研究(CQY2015Y014)。

王建中(1979-)，男，四川蓬安人，副教授、高級工程師，碩士研究生，雙碩士學位，主要從事計算機信息技術、慣性導航方向的研究。

1671-4598(2017)09-0219-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.057

TP273

A