电信终端FSK数据通信的低功耗实现

摘  要： FSK数据是电信网络中进行信息交互的主要方式，用来传输来电显示及话费、短信息等多种格式的数据。对FSK数据的准确接收厦其低功耗设计是对电信终端的基本要求。本设计以MC68HC908AP64单片机度HT9032D解调芯片为硬件构架，以中断查询FSK方式工作，且在三种功耗模式中切换。该方案能够实现电信终端线路取电工作并准确接受FSK。文中结合主叫识别信息接收介绍这种方案。
关键词： 电信终端 主叫识别信息 FSK数据通信低功耗

    当前实现FSK数据通信的芯片种类繁多，发展迅速，在众多方案选择中，要考虑到开发成本，运行稳定性，是否能够实现线路取电等问题，而这些要求也会随着技术发展而不断提高。HC908AP64单片机是摩托罗拉公司推出的一款新型8位低功耗单片机，和低功耗的HT9032D配合，可构建FSK数据通信的新方案。该方案可以用来接收包括主叫识别信息等在内的多种平台信息。下面首先介绍主叫识别信息。

1主叫识别信息

    主叫识别信息传送CID(Calling Identity Delivery)是向被叫用户电话提供的一种服务业务。其方法是发端交换机将主叫号码等信息传送给终端交换机，终端交换机再将信息传送给被叫用户终端，如图1所示。

    主叫号码信息的信号采用的是连续二进制频移键控(BFSK)方式，数据传输方式为二进制异步串行方式，逻辑1的频率为1200Hz，逻辑o的频率为2200 Hz，传输速率为1200bps。主叫号码信息可以在被叫挂机(On_Hook)或摘机通信状态下传送。挂机状态下传送方法是，终端交换机将主叫信息在第1次振铃和第2次振铃期间传给被叫用户。对此已有相应的协议标准，例如：BeIl 202、CCITT V．23 1200波特率FSK数据传输标准。信息传送的数据格式有2种：单数据消息格式(Single Data MessageFormat)和复合数据消息格式(Multiple Data MessageFormat)。消息帧格式如下：

    ①信道占用信号由1组300个连续的“0”和“1”交替的位组成，其第1个比特为“0”，最后一个比特为“l”。②标志信号由180个(挂机传送)或80个(摘机传送)逻辑“1”组成。③标志位由0～10个逻辑“1”组成。④对于消息类型、消息长度、消息字、校验字这些数据字,每个数据字之前加1位“0”作为起始位，数据字之后加1位“1”作为结束位(即每个字占10个比特)。数据传送时信道占用信号首先发送，每个数据字中低位在前发送。

    两种主要的数据格式消息层的数据信号组成如图2和图3所示。

    与单数据格式(图2)一样，复合数据消息格式(图3)由消息头和消息体组成。不同的是，复合数据的消息体由一个或多个小的消息(称为参数消息)组成，参数消息同样具有参数头和参数体。参数头包括参数类型和参数长度。它们均为比特字，参数类型值用来识别后续参数字，参数长度指明参数体中参数字的数目。消息类型0x04对应着单数据格式，0x80对应着复合数据消息格式。取得格式后将接收到消息数据根据相应格式，进行处理[1]。

    来电显示在第1声振铃和第2声振铃之间发送，所以一般检测到振铃时开始接收来电显示信息。

2 FSK信息接收硬件方案和构建
    实现FSK信号解调的芯片有MC145447、MT8841／8843、HT9030／9031、HT9032C／D等多种。在选取芯片时，从以下几点考虑：

    ①是否可以实现低功耗。电信终端要求线路供电是一种趋势，所以最好MCU及解调芯片是低功耗芯片且功耗可调。

    ②对芯片的控制尽量简单，能够节约MCU的口线资源。由于MCU的外围电路很多有键盘扫描电路、显示控制电路、EEPROM的控制电路、时钟控制电路，都需要MCU来控制，所以MCU的口线资源对整个硬件的实现都比较宝贵。虽然口线复用能够在一定程度上解决这种资源紧张，但单口线复用对整个电路的控制带来不确定性。对解调芯片的控制有串口方式和并口方式。采用串口方式更能节约口线资源。

    ③在电路中有的资源(比如振铃检测电路)，要尽量复用，不要采用芯片及电路检测振铃多重控制，避免软件设计的复杂性。

    基于以上分析，选择HT9032D做解调芯片。它能实现Bell202 FSK和v．23解调，芯片内部包含电源掉电检测电路、振铃检测电路和载波检测电路。信号输入检测灵敏度高，电源工作电压较宽(3～5．5 V)，是进行电话FSK信息解码通信的较好的集成芯片。通过对其的PDWN硬件置“1”，就可工作在低功耗模式(I<1 μA)；PDWN硬件置“0”，就工作在正常模式(I<5 mA)。接收“1”的频率范围为(1200±12)Hz，接收“0”的频率范围为(2200±22)Hz，和MCU问的通信方式为1200 bps异步串口方式，解调器的引脚如表1所列。

    MCU采用MC68HC908AP64。这种芯片的工作电压范围为4．5～5．5 V和2．7～3．3两种，2 KB的RAM，60 KB的Flash存储器。有48针及42针的LQFP，42针SDIP等三种封装。该芯片本身功耗很低，而且能够运行STOP、WAIT命令，使其能够工作在低功耗监控模式。当外部中断或者时钟中断产生时能够唤醒它。STOP模式和WAIT模式的区别在于，STOP模式中断产生后能够自己马上进入全速模式工作，而WAIT模式必须要在中断中用指令控制该MCU进入全速模式工作。这样只有在需要的时候唤醒系统工作。这种模式切换很好地保证了本方案的功耗最低。对该芯片的编程控制，完全在C环境下进行，极大地减少了程序开发时间。硬件结构如图4所示。

    对于从电话线上传输来的FSK信号，信号传送在第1次振铃和第2次振铃之间。不振铃时，三极管Q1截至，Ring为高电平；振铃时，振铃信号经过C1耦合及Z1稳 压，Q1基极高电平，导通，集电极为低电平，唤醒单片机启动判断，检测Ring上的波形是否为25 Hz的信号。是， 为振铃，则启动FSK接收。0．5s后，FSK信号经过C3、 C4、R1、R2的隔直和衰减，输入到FSK接收器HT9032D 的差分输入端TIP和Ring脚，将FSK信号读取解调后从 DOUT脚输出。ASCII码的数字都有奇偶校验位，采用奇 偶校验的方式传送。串行序列，由MC68HC908AP64单片机接收处理，提取出相应的电话FSK信息，送到多功能LCD显示模块，驱动数码显示和EEPROM保存[2]。

3 FSK信息接收通信软件的实现
    对于单片机系统，硬件的实现确定了底层软件的实现方法。

3.1 HT9032D工作模式切换
    HT9032D工作模式可以控制，一般将它的PDWN置成“1”，使其处在低功耗模式；只有在MCU检测到振铃时，或者打完电话，话机上呼请求平台资费信息时，才开启HT9032D的接收(PDWN置成“0”)。接收完毕或者话费接收失败，平台重发超时，开启HT9032D又被置为低功耗状态。

3.2串口实现接收
    由于是多种FSK数据的接收，要做到各种数据接收和各个模块之间的复用，所以将FSK接收分成图5所示物理层、数据链路层和应用层，每个层之间是透明的。这样结构简单，便于设计和维护。

（1)物理层
    因为在单片机系统中，MCU一般只有一个硬件串口，且往往被用来作程序升级等功能，所以串口资源不足，而且配置1200 bps的波特率方式接收FSK解调芯片的DOUT的数据，受到晶振的频率和MCU的功能的限制，本方案采用在一般的口线上实现软串口方式接收HT9032D数据。由于DOUT数据输出方式为1200 bps异步串口方式，即每个bit数据的时间为1／1200=μs，本方案采用278μs的中断方式对HT9032D数据输出脚DOUT进行不断扫描，，也就实现了每个bit的三点采样。通过三点采样的方式确定接收的bit，极大地提高了软件对接收数据的判断正确度。取样示意图如图6所示。

(2)链路层
    链路层主要是为了同步处理及数据类型判断。分析几种FSK数据的特点发现，它们的结构基本都由以下部分构成[3]：

    信道占用信号和标志信号构成同步信号，所以在接收数据前同步是关键。

    链路层的软件流程如图7所示。

    同步的过程分五步：第一步接收到“0”和“1”的交替位；第二步计数并判断信道占用信号是否成功接收，成功接收则进入第三步接收标志信号；第三步接收到连续的“1”的交替位进人第四步标志信号计数；第四步计数并接收判断标志信号是否成功接收，成功接收则进入第五步接收数据信号；第五步接收消息层数据，根据不同的数据消息类型取出相应的消息层数据信号。由于这五个步骤都是在278 μs中断模块中实现的，保证了每次中断只会运行其中的一个步骤，所以加快了中断的运行速度，保证了程序的稳定性。

(3)应用层
    将链路层分离出来的消息层数据信号，按照单复数来电显示的格式分拣。分拣成功后发送到显示模块显示并存储到EEPROM，为来电显示查询提供帮助。

3．3在软件设计时应该注意的几个问题
    ①在接收平台的资费信息时，一定要注意平台和终端的协议不一定和实际的同步码的个数相符合，所以一定要在不同平台的测试过程中，通过示渡器测量DOUT输出的同步码的长度。

    ②由于有一些和1200 Hz和2200 Hz相近的信号容易被识别成同步信号，比如回铃音信号，造成数据误判断，所以在链路层中一定要将该信号滤除掉，以免影响其他有用信号的接收。

    ③由于软串口接收数据的物理层是用定时中断的方式工作的，当定时中断被别的中断中断时，容易造成数据读错，所以在接收FSK数据时，一定要关闭所有其他
中断。

    ④278 μs中断的启动必须是先检测到铃声后再进行；同时，接收完数据后要停止该中断。这样可以有效地减少功耗。

结  语
    HT9032D与MC68Hc908AP64结合的方案，从软硬件两方面综合考虑了低功耗和接收准确度的问题，可以很方便地实现电话FSK信息的解码、接收通信，实现用电话网进行用户远程数据结算等功能。本方案已在一款新型智能公话中使用，并和中兴、华为、贝尔等智能网平台进行数据通信测试，运行效果良好。