手持台拓展DTMF信令功能在铁路中的应用研究

手持台拓展DTMF信令功能在铁路中的应用研究

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李达

中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所         内蒙古呼和浩特 010010

1.引言

列车在发车前要对空气制动机进行制动试验，简称“试风”。试风需要做充风试验、漏泄试验、感度试验、安定试验和持续试验。在完成这些试验过程中，要对列车的风管充气和排气，使得风管的气压(简称“风压”)为各种不同的试验值。过去，这种测试是人工进行的，误差大，人为因素多，原始测试的数据不能保存，给事后的技术分析与复核造成困难。自从计算机控制技术引进列车试风系统后，上述的缺点得以改进。由于列车的编组较长，以40节车辆为例，列车长度为有1Km。所以，以前一般的微机控制的列车自动试风系统都只测试风管进气端，即靠近微机控制端的风压，而不测试列车尾端(简称“列尾”) 的风压。当进气端的风压到额定值时，根据气压传动的规律，尾端风压并不与进气端风压一致，使得试风系统留有缺憾。

目前铁路行业大多数一线员工利用无线便携电台，使用DTMF (双音多频)方式，把列尾端测试的风压传送到控制的微机，供系统综合考虑风压，从而控制充风和排风的阀门，完成自动的试风试验。此前市场上有具备此功能的手持台，但由于这类手持台使用市场范围小，各厂家不再研发和生产，导致现各铁路集团公司车辆试风作业手持台使用极为紧张，部分手持台甚至存在“带病作业”，严重影响到后续作业生产。

为解决此类问题，呼铁局科研所设计并研发了一款用于手持台的DTMF双音多频信令发射器，通过手持台无线载波频率将DTMF双音多频试风动作指令发射出去，进行遥控试风。

2.手持台拓展DTMF信令功能工作原理

    所谓双音频（DTMF）是指用一频率较高的信号与一频率较低的信号叠加，“4”是770HZ和1209HZ信号的叠加，“3”是697HZ和1477HZ信号的叠加等。DTMF编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。向DSP装入相应的系数和初始条件，就可以只用两个振荡器产生所需的八个音频信号。典型的DTMF信号频率范围是700~1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足Nyquist条件。DTMF双音频信号由两个二阶数字正弦振荡器产生，一个用来产生行音频信号，另一个产生列音频信号。

    CCITT规定每秒最多按10个键，即每个键时隙最短为100MS，其中音频实际持续时间至少为45MS，不大于55MS，时隙的其他时间内保持静默，因此按键产生双音频信号时，相继的两个信号间隔一段时间；解码器利用这个时间识别出双音频信号，并转换成对应的数字信息，而且要识别出间隙信息。因此流程包含音频任务和静默任务，前者是产生双音频采样值，后者产生静默样值，每个任务结束时，要重置定时器和下一个任务。其中静默任务还要加上一个任务：从数字缓冲区取出数字并解包。解包就是将数字映射为对应的行列音频特性，装载指针指向振荡器特征表对应的正确位置。两个任务轮流执行。由CCITT（国际电报电话咨询委员会）的规定，数字之间必须有适当长度的静音，因此编码器有两个任务，其一是音频信号任务，产生双音样本，其二是静音任务，产生静音样本。每个任务结束后，启动下一个任务前（音频信号任务或静音任务），都必须复位决定其持续时间的定时器变量。在静音任务结束后，DSP从数字缓存中调出下一个数字，判决该数字。信号所对应的行频和列频信号，并根据不同频率确定其初始化参数。

    在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：行频组或列频组。每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0～9和6个功能键*、#、A、B、C、D。由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用分别从高低频中任意抽出1种进行组合来进行编码，所以又称之为“8中取2”的编码技术。根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。

3.手持台拓展DTMF信令功能实现

该功能的实现主要研究DTMF双音多频通信协议传输、多音频组合编码、电路及显示设计、附件外壳设计与制作、接口连接、与手持台结合结构的设计与实现等内容。主要实现0～9的10个数字键和*、#、A、B、C、D的16个功能键组合编码与发码。特别是在编码响应灵敏度、按键进程反馈、执行与删除、重新编辑、显示等方面要适用于试风作业受现场环境、气候、作业服装厚重等因素影响的特点。

任何一款设备，处理器都是设备的“大脑”，是一件设备是否性能卓越的关键因素。本设计成果处理器选用新唐N76E616高速1T8051微控制器，该处理器性能优越，内建LCD驱动，可大幅节省外部组件与缩小电路板尺寸。1T 8051MCU单字节/单周期的运算执行能力，可显著提升整体效能、降低功耗;同时内建ICE电路，简化客户端之开发与侦错流程。这些特色使得N76E616AL48特别适合应用于要求轻薄美型之小设备。

　　HT9200A双音多频信号发生器是被设计成带u C接口的。它们可由指令控制产生16种双频信号和8种单频信号，并由DIMF引脚输出。HT9200A提供一种串行模式，该芯片可以有多种应用，如安全系统、家庭自动化、通过电话线进行远程控制、通讯系统等。HA9200A由指令控制产生16种双频信号，并由DTMF引脚输出。HA9200A通过DATA引脚输入的一个5bit的代码来控制不同的DTMF信号输出，这5位代码按照D0到D4的顺序来传，并且数据要在CLK引脚下降沿到来之前放到输出锁存中。

在本设计中，采用N76E616来控制HT9200A的DTMF发生。由于DTMF的产生有两种方式，串行模式和并行模式，所以我们定义了三个宏_SERIAL_MODE_9200A 、SERIAL_MODE_9200B和_PARA当LEL_MODE,分别用于串行模式(SERIAL)和并行模式(PARALLEL)下产生DTMF信号。对于HT9200A来说，只有串行模式，而对于HT9200A的低电压工作模式而言则有两种模式，所以定义了一个宏TYPE_MODE,可以根据芯片型号和工作模式进行条件汇编。下图为DTMF发射的流程图。

图1   HA9200A工作流程图

   DTME解码采用MT8870，其是串行式DTMF电路，这个电路可以接收DTMF 信号，是一个完整的DTMF 接收器。它接收了DTMF 信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，然后将讯号送至数字译码器以解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线(Q1、Q2、Q3、Q4)输出到外部共享Bus 上。当MT8870 解出一个按键值且输出到外部时，其STD 接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，侦测到此脚有讯号时便马上将Q1-Q4 接脚所产生的值读入CPU，然后解出发射端的按键值。

MT8870是一个完整的DTMF接收器集成两个频带分离滤波器和数字解码功能。滤波器部分的用途开关电容技术的高和低组过滤器;解码器使用数字计数技术来检测和解码所有的16个双音多频tone-对成一个4位的代码。外部元件的数目是在芯片上提供一个差分输入的最小化由放大器，时钟振荡器和锁存三态总线界面。

该MT8870单片DTMF接收器提供了体积小，功耗低和高性能。其体系结构包括一个频带分离滤波器部，其分离和高低组音，接着是数字计数其中部分验证的频率和持续时间通过相应的之前所接收到的音码到输出总线。筛选部分低组和高组音调的分离是通过将DTMF信号到输入端来实现两个六阶开关电容带通滤波器，带宽，其中对应于低高群频率。过滤器部分还结合在缺口350和440赫兹特殊拨号音抑制。每滤波器的输出后面是一个单一的顺序切换电容滤波部分，它平滑的信号之前限制。限制是通过高增益进行其设有迟滞比较器防止检测不需要的低电平信号。该比较器的输出提供了全面的逻辑波动的DTMF来电的频率。

显示屏采用1602A字符型液晶显示模块。其是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示模块，分4位和8位数据传输方式，提供5×7点阵＋游标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。可提供的指令设置有：高清显示；游标回原点；显示开/关；游标开/关；显示字符闪烁；游标移位；显示移位元等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。内部操作之前，可以暂存来自MPU的控制信息。这样就给用户在MPU和外围控制设备的选择上，增加了余地。模块的内部操作由来自MPU的RS、R/W、E以及数据信号DB0 ~ DB7决定，这些信号的组合形成了模块的指令。

一般情况下，内部RAM的数据传送的功能使用最为频繁，因此，RAM中的地址指针所具备的自动加一或减一功能，在一定程度上减轻了MPU编程负担。此外，由于数据移位元元指令与写显示数据可同时进行，这样用户就能以最少系统开发时间，达到最高的编程效率。需特别注意：在每次访问模块之前，MPU应首先检测忙标志BF，确认BF=0后，访问过程才能进行。

键盘采用4×4薄膜键盘，其主要结构是一块带触点的PET薄片，在使用者与仪器之间起到一个重要的触感型开关的作用。薄膜按键上的触点位于PCB板上的导电部位，当按键受到外力按压时，触电的中心点下凹，接触到PCB上的线路，从而形成回路，电流通过。配合DTMF编码板使用，占用8个标准IO口，实现16个按键扫描，独立输入。接口为2.54mm，线长7.5mm。

连接部分根据手持台类型的耳麦接口可分为K头、M头，K头的插头有两个，上大下小，内部为4芯线。大头直径为3.5mm，长度14mm。小头直径为2.5mm，长度11mm大小头之间相距13.5mm。M头则大小头位置与K头相反，间距更近。

电源采用18650锂电池，标称电压3.7V，容量为2200mAh，工作发射电流10mA，综合工作时长可达8天。充电板采用TP4056充电模块，输入口为TYPE-C USB接口。

4.手持台拓展DTMF信令功能现场测试

本设计成果使用方便，便于一线员工使用。手持台开机并选择录入频点的信道，DTMF发射器开机，通过按压键盘将指令显示在屏幕上，通过上方中间和右边的按键进行发射，屏幕上显示SEND，并发出声音，手持台发射状态指示灯开启，完成发射。如果在按键指令输入时有错误，可按左边按键进行全部清除。

图3 实物测试图

本设计成果在中国铁路呼和浩特局集团有限公司包西车辆段进行了现场测试。该成果可通过配合常规无键盘手持台使用，实现DTMF信令发射功能，能够满足车辆试风作业要求。同时该成果操作简单，功能实用，电池容量为2200mA,发射电路10mA,满点可连续使用近200小时。

5.结论与展望

本设计成果研发主要背景是呼局包西车辆段上行车间DTMF信令手持台损坏严重，市场上已不销售该类型手持台，严重影响了现场作业。同样的此类情形在其它铁路局也存在，成为了一种普遍现象。为不影响现场作业，同时为了给集团公司节约成本，通过研制DTMF信令发射设备，使常规手持台实现信令发射。该设计成果搭载常规手持台可以进行数据发射，满足了现场作业人员需求。自手持台拓展DTMF信令功能的成果在现场试用以来，参试人员一致认为该设计成果在设计上贴合现场作业需求，硬件集成上实现了安全可靠，在使用的全键盘手持台不能使用的情况下，该成果可实现替代，有效提升了车辆试风作业工作效率。

为了更加切合实际需求，在以后的科研研发过程中课题组将继续深入研究。使设备向智能化、轻量化、小巧化方面做的更加优越。从而能够更好、更实用的解决现场问题。

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