Двутональный многочастотный (DTMF) генератор на AVR

Отличительные особенности:

• Генерация синусоидальных сигналов с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
• Объединение различных синусоидальных сигналов в один DTMF-сигнал
• Исходные коды на языках ассемблер и Си
• Разработан для совместной работы с STK500
• Размер кода программы 260 байт/размер таблицы констант 128 байт
• Использование метода табличного преобразования

Введение

Данный документ описывает методику генерации DTMF-сигналов (двутональные многочастотные сигналы) с использованием любого AVR-микроконтроллера, содержащего блок широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и статическое ОЗУ. Данные сигналы находят широкое применение в телефонии, где они воспроизводятся при нажатии на кнопки набора номера телефонного аппарата. Для правильной генерации DTMF-сигнала необходимо наложить две частоты вместе: низкую частоту (fb) и высокую частоту (fa). В таблице 1 показано как смешиваются различные частоты для получения DTMF-тонов при нажатии на различные клавиши.

Рисунок 1 – Схема генератора DTMF-сигнала

Таблица 1 – Матрица формирования тонального сигнала

В строках таблицы 1 представлены значения низкой частоты, а в столбцах – значения высокой частоты. Например, в матрице показано, что при нажатии на кнопку «5» должны смешиваться частоты fb = 770 Гц и fa = 1336 Гц. В результате сложения двух синусоидальных сигналов разных частот образуется DTMF-сигнал

(1)

где отношение амплитуд K=A_b/A_a исходных сигналов должно отвечать условию

(2)

Принцип действия

Помимо общих сведений об использовании широтно-импульсной модуляции далее будет показано как широтно-импульсная модуляция позволяет генерировать синусоидальные сигналы. В следующем параграфе описывается как, используя базовую частоту ШИМ получить различные частоты. После рассмотрения теоретических основ будет дано описание непосредственно генератора DTMF-сигнала. Генерация синусоидальных сигналов

В зависимости от соотношения длительности высокого VH и низкого VL уровней напряжения среднее значение на выходе ШИМ изменяется. Если соотношение между длительностями обоих уровней удерживать постоянным, то в результате будет генерироваться постоянный уровень напряжения VAV. Рисунок 2 показывает сигнал с широтно-импульсной модуляцией.

Рисунок 2 – Генерация уровня постоянного напряжения

Уровень напряжения определяется выражением:

(3)

Синусоидальный сигнал может генерирован при условии, что среднее значение напряжения, генерируемого широтно-импульсной модуляцией будет изменяться каждый период ШИМ. Соотношение между высоким и низким уровнями должно задаваться в соответствие с уровнем напряжения синусоидального сигнала при соответствующем времени. На рисунке 3 иллюстрируется данный процесс. Исходные данные для ШИМ вычисляются для каждого ее периода и записываются в таблицу преобразования (ТП).

Рисунок 3 также иллюстрирует зависимость между частотой основного синусоидального сигнала и количеством выборок. Чем выше число выборок (Nc) – тем выше точность моделирования результирующего сигнала:

(4)

Частота ШИМ зависит от разрешающей способности ШИМ. При 8-разрядном разрешении, конечное значение (вершина счета) таймера равно 0xFF (255). Т.к. таймер выполняет счет в прямом и обратном направлениях, то данное значение должно быть удвоено. Поэтому, частота ШИМ может быть вычислена путем деления тактовой частоты таймера f_CK на 510. Таким образом, при частоте тактирования таймера 8 МГц результирующая частота ШИМ составит 15.6 кГц.

Рисунок 3 – Генерация синусоидального сигнала с использованием ШИМ

Изменение частоты синусоидального сигнала

Предположим, что синусоидальные выборки считываются из таблицы преобразования не последовательно, а через одну. В этом случае при той же частоте чтения выборок будет генерироваться сигнал с удвоенной частотой (см. рисунок 4).

Рисунок 4 – Удвоение результирующей частоты (XSW = 2)

По аналогии, если считывать не каждое второе значение, а каждое третье, четвертое, пятое (соответственно, ширина шага 3, 4, 5…) и т.д. можно генерировать Nc-частот в диапазоне [1/T Гц .. 0 Гц]. Обратите внимание, что для высоких частот результирующая форма сигнала не будет синусоидальной. Ширину шага по таблице преобразования обозначим как X_SW, где

(5)

Вычисление текущей позиции в ТП для следующего периода ШИМ (при переполнении таймера) выполняется с помощью выражения (6). Новое значение в позиции X_LUT зависит от его предыдущего состояния в позиции X'_LUT с прибавлением ширины шага X_SW

(6)

Сложение разных частот для получения DTMF-сигнала

DTMF-сигнал может быть сгенерирован с помощью выражений (1) и (2). Для простоты арифметических действий значение коэффициента К принимается равным 0.75, чтобы арифметическое действие заменить логическими сдвигами. С учетом выражения (6) текущее значение для управления ШИМ может быть вычислено по выражению:

(7)

а с учетом, что X_LUTa=X'_LUTa + X_SWa ,X_LUTb=X'_LUTb + X_SWb , окончательно запишем

(8)

Реализация DTMF-генератора

В данном приложении рассматривается построение DTMF тонального генератора с использованием выхода 8-разрядной ШИМ (OC1A) и таблицы с 128 выборками значений синусоидальной функции (Nc), каждая из которых задается 7 битами (n). Следующие выражения показывают эту зависимость, а также показывают как вычислить элементы таблицы преобразования:

(9)

Преимуществом использования 7 бит является то, что сумма значений сигналов высокой и низкой частоты имеет размер одного байта. Для поддержки полного набора DTMF-тонов необходимо вычислить 8 значений для каждой DTMF-частоты из таблицы 1 и занести их в таблицу преобразования.

Для достижения более высокой точности выполнено следующее решение: значения, вычисленные по выражению 5 требуют всего 5 байт. Для использования всех 8 байт, что позволит уменьшить погрешность округления, это значение умножается на 8. Указатель на таблицу преобразования записывается таким же способом. Но в этом случае требуется два байта для запоминания 8-кратного значения. Это означает, что необходимо выполнить 3 правосторонних сдвига и операцию модуля по основанию Nc (логическое умножение на Nc-1) перед использованием этих байт как указателя на значения синусоиды в

(10)

Рисунок 5 – Схема модуля для подключения к STK500

ШИМ-сигнал формируется на выводе OC1A (PD5). Дополнительный выходной фильтр будет способствовать большему соответствию синусоидальной форме сигнала. При уменьшении частоты ШИМ может возникнуть необходимость применения фильтра с более крутой АЧХ для получения хорошего результата.

Подключение клавиатуры показано на рисунке 1. Работа клавиатуры должна быть организована таким образом, чтобы была возможность определения нажатой клавиши. Это может быть выполнено по следующему алгоритму:

1. Определение строки нажатой клавиши
   • настроить младшую тетраду порта В на выход и установить лог. «0»
   • настроить старшую тетраду порта В на вход с подключением подтягивающих резисторов
   • строка с нажатой кнопкой определяется как разряд старшей тетрады с лог. «0»
2. Определение столбца нажатой клавиши
   • настроить старшую тетраду порта В на выход и установить лог. «0»
   • настроить младшую тетраду порта В на вход с подключением подтягивающих резисторов
   • столбец с нажатой кнопкой определяется как разряд младшей тетрады с лог. «0»

Прим.: В STK200 между выводами разъема PORTB и выводами микроконтроллера BP5, PB6 и PB7 включены последовательно резисторы (см. схему STK200). Это вызовет проблемы если клавиатура подключена к разъему PORTB.

Рисунок 6 иллюстрирует работу подпрограммы по определению нажатой клавиши. В зависимости от нажатой клавиши определяется длительность интервала. Процедура обработки прерывания использует это значение для вычисления установок ШИМ для двух синусоид DTM-тона. Процедура обработки прерывания показана на рисунках 7 и 8.

Эта процедура вычисляет значение для сравнения с выходом таймера на следующий период ШИМ. Процедура обработки прерываний сперва вычисляет позицию значения следующей выборки в таблице преобразования и считывает сохраненное там значение.

Позиция выборки в таблице преобразования определяется длительностью импульса, а собственно длительность импульса определяется генерируемой частотой.

Окончательное значение, которое записывается в регистр сравнения таймера, определяется с использованием формулы (7), где учитываются значения выборок обеих DTMF-частот.

Рисунок 6 – Блок-схема основной программы

Рисунок 7 – Блок-схема процедуры обработки прерывания по переполнению таймера

Рисунок 8 – Блок-схема процедуры чтения выборки “GetSample”