楊潤豐

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東 東莞 523808)

智能小車在遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用，可在一些危險(xiǎn)場所，人們無法現(xiàn)場作業(yè)或進(jìn)行控制，如農(nóng)場儲(chǔ)水池、洞穴、有害或放射性實(shí)驗(yàn)室等。準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程控制，是遙控和智能控制的一個(gè)研究方向。無線通信技術(shù)應(yīng)用，如無線局域網(wǎng)(WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、2.4 GHz無線通信［1］等。其中雙音多頻信號(hào)(Dual Tone Multiple Frequency，DTMF)［2］用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，無需專用數(shù)據(jù)傳輸線且可靠性高，可用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。近年來，雙音多頻信號(hào)應(yīng)用在交互式控制中，使撥號(hào)的速率提高。把雙音多頻信號(hào)的發(fā)送電路用于主控系統(tǒng)，接收電路用于被控系統(tǒng)，便可組成有線或無線通信系統(tǒng)。GSM(Global System for Mobile communications，GSM)［3－4］技術(shù)應(yīng)用廣泛，可通過手機(jī)或固話機(jī)作終端，通過雙音多頻信號(hào)的GSM網(wǎng)絡(luò)通信方式無線控制小車的移動(dòng)，具體由終端上的5個(gè)數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)控制，使小車按照指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成移動(dòng)任務(wù)。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了基于GSM模塊的雙音多頻信號(hào)控制的小車。如圖 1所示，小車系統(tǒng)主要由 CMOS的 PIC 18F452微控制器作為控制主機(jī)，外接GSM調(diào)制解調(diào)器、雙音多頻解碼器、步進(jìn)電機(jī)、以及40 MHz晶振和+5 V電源。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣，并且易于擴(kuò)展。通過一系列設(shè)計(jì)規(guī)則要求實(shí)現(xiàn)各模塊之間的有效通信。GSM調(diào)制解調(diào)器向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸。它與PIC微控制器之間以ASCII字符形式傳輸AT指令串。步進(jìn)電機(jī)也根據(jù)AT指令控制線圈的電流方向，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制小車完成任何方向和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，以配合小車的全方位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。電機(jī)轉(zhuǎn)速、停止位置都取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。PIC微控制器提供的控制信息序列，是通過雙音多頻信號(hào)解碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式而得到控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)。

1.1 GSM調(diào)制解調(diào)器

圖1 基于GSM模塊的雙音多頻信號(hào)控制系統(tǒng)

GSM通過相鄰基站的互連構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，并使用900 MHz或1800 MHz作為傳輸?shù)墓ぷ黝l段。項(xiàng)目選擇雙頻段的GSM調(diào)制解調(diào)器GSM100T，支持熱插拔功能，并以RS232串口連接計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)或單片機(jī)進(jìn)行通信，其硬件控制設(shè)置通常為每秒115.2 kbit，8位有效數(shù)據(jù)，1停止位，不使用校驗(yàn)位。根據(jù)GSM相關(guān)事件與服務(wù)響應(yīng)，在應(yīng)用程序中進(jìn)行AT指令交換，并且AT指令分為數(shù)據(jù)模式和控制模式。在控制模式中，包括網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)檢查、接收信號(hào)強(qiáng)度、接撥號(hào)、掛斷、信號(hào)中斷、占線等，程序在指令寄存器的物理地址直接調(diào)用控制指令，如S7=60，表示設(shè)寄存器寄存器#7的數(shù)值為十進(jìn)制60。那么，PIC微控制器通過AT指令對(duì)GSM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行基本的控制操作。

1.2 雙音多頻及其編解碼器

雙音多頻信號(hào)是音頻電話的撥號(hào)信號(hào)，它本不用于數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送，而是傳送控制信號(hào)，并指定了每兩個(gè)音頻信號(hào)的間隔為600 ms。每一個(gè)號(hào)碼由兩個(gè)音頻信號(hào)組成，該雙音頻由按鍵所在的行和列對(duì)應(yīng)的頻率決定，如圖2所示。每按下一個(gè)數(shù)字，則行與列的對(duì)應(yīng)輸入端為低電平。這樣，就形成一種雙音頻組合，以產(chǎn)生相應(yīng)的雙音多頻信號(hào)。終端上的5個(gè)數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)分別同步產(chǎn)生兩個(gè)頻率和兩個(gè)相差4 dB幅度的信號(hào)，此信號(hào)通常由RC網(wǎng)絡(luò)電路產(chǎn)生。加拿大Mitel公司生產(chǎn)的雙音多頻信號(hào)編/解碼芯片系列芯片是該系列產(chǎn)品中較新的一種，該芯片功能強(qiáng)、功耗低、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于程控交換機(jī)、無線通信設(shè)備、移動(dòng)通信等系統(tǒng)中。項(xiàng)目使用MT8880編碼器芯片，它由兩個(gè)二階數(shù)字正弦波振蕩器構(gòu)成，一個(gè)用于產(chǎn)生行頻，一個(gè)用于產(chǎn)生列頻。對(duì)雙音多頻信號(hào)進(jìn)行高精度解碼并不容易，接收設(shè)備對(duì)2%的偏差能可靠地接收。這里使用MT8870D解碼器芯片，其內(nèi)部使用了6階濾波，能減少失真并產(chǎn)生理想的正弦信號(hào)。

圖2 雙音多頻的撥號(hào)鍵盤與其對(duì)應(yīng)的高低頻組合

圖3 步進(jìn)電機(jī)“H”橋式驅(qū)動(dòng)電路

1.3 步進(jìn)電機(jī)的控制

項(xiàng)目使用混合式步進(jìn)電機(jī)，它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用電子電路將直流電變成分時(shí)供電，多相時(shí)序控制電流。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路通常被稱為H橋式電路，如圖3所示。當(dāng)X是邏輯“1”、X′是邏輯“0”時(shí)，Q2閉合，Q1打開，而 Q4使 Q3閉合。電源電流經(jīng)Q1從左至右流過電機(jī)線圈，接著流向D2和Q4到地。當(dāng)X是邏輯“0”、X′是邏輯“1”時(shí)，電流流向Q3，從右至左流過電機(jī)線圈，然后到D1和Q2再到地。那么以電流的方向形成序列的形式，并可通過序列的改變使步進(jìn)電機(jī)作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示，電流經(jīng)過線圈X和線圈Y時(shí)，兩個(gè)重疊的電磁鐵，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電流經(jīng)過線圈X的方向改變時(shí)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈Y電流的方向改變相繼將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)以上步驟，步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)。此系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293，它是多相時(shí)序控制器，單片機(jī)需把雙音多頻信號(hào)解碼進(jìn)行處理以符合驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的序列要求。

PIC微控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路按順序輸入“0101”→“1001”→“1010”→“0110”序列，使電機(jī)進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，按順序輸入“0101”→“0110”→“1010”→“1001”序列時(shí)，電機(jī)進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。PIC微控制器需合理分配和設(shè)置所需端口。PIC單片機(jī)的PORTD端口作為DTMF(Q1～Q4)數(shù)據(jù)輸入端口，PORTC端口連接串口RS－232，PORTB端口連接步進(jìn)電機(jī)。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制示意圖

2 系統(tǒng)性能測試

測試分3個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，對(duì)GSM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行響應(yīng)測試，以確保正確的響應(yīng)。當(dāng)接收到GSM信號(hào)呼入時(shí)，通過AT指令可進(jìn)行回應(yīng)，一系列響應(yīng)如表1所示。第二階段，以固定序列驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以確保正確的電機(jī)轉(zhuǎn)向。第三階段是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，使用終端按鍵產(chǎn)生雙音多頻GSM信號(hào)，小車接收GSM信號(hào)呼入后按相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，小車能按要求行駛，實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程控制。

表1 AT指令測試

3 結(jié)束語

雙音多頻信令具有良好的傳輸速度，使其廣泛應(yīng)用于各種通信和控制系統(tǒng)中。項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于GSM網(wǎng)絡(luò)雙音多頻信號(hào)控制的小車。只要在GSM網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程控制小車，可以取代一些特殊和危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)的人工操作。

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