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以MXS51為內核構造的單片集成系統
摘要：介紹一種以MCS51為核，加上FSK、DTMF、數字調制/解調等外國電路組成的控制系統。在類似控制系統中，如何滿足系統要求且與MCS51微處理器兼容和如何減少系統面積是設計中的兩大關鍵問題。通過分析MCS51的指令和時序關系，設計出具有自主知識產權的與MCS51兼容的微處理器，完成它與外國電路集成和自測試電路的插入。該系統在FPGA和門陣列上分別進行了布局布線和后仿真，并通過了FPGA的原型樣機測試。引言
隨著電信市場的日益開放、競爭、運營商面蜊更大的壓力，須提高投資回收效率，提高固定電話的ARPU值。中國移動推出出的短信息服務取得了很好的經濟效果和社會效益，短信正以其特有的快捷和方便，影響著人們日常生活的許多方面。“固定電話信息化”和相關標準的出臺，固定電話的廠商也推出類似的服務，從而實現傳統電話的增值。
但固網短信存在兩方面的“瓶頸”；在終端和內容上均有缺失。在終端方面是價格問題，應該考慮如何將價格降到用戶可以接受的范圍。
本系統就是針對這樣的市場需求而設計。它需要1個滿足系統要求的微處理器、1個大的字庫來支持。同時，該芯片必須控制在一定面積下，以降低成本。
本文將著重介紹與MCS51兼容的微控制器的設計和DTMF解碼中的數據處理。
1 與MCS51兼容的微控制器設計
Intel MCS51系列是一種8位微處理器。外部程序與數據存儲器的尋址范圍可達到64K.MCS51有5個中斷源，其中2個為外部中斷源，每個中斷源的優先級是可編程的。為了滿足固網短信系統功能需求。主要對MCS51進行如下三方面的擴展。SFR擴展、存儲器擴展，外部中斷擴展。
1.1 SFR擴展
為了與MCS51兼容。把FSK、DTMF中的控制寄存器和狀態寄存器MCS51的SFR統一編址。這樣8051管理、控制、監視FSK、DTMF時，可將FSK、DTMF對應的地址看作是片內數據存儲器的直接地址。因此，可以使用片內數據存儲器相同的操作方法，不用增加指令來完成這些功能，這種結構的擴展可以看作是MCS51內部總線的擴張和把FSK、DTMF看成MCS51的兩個擴展的內部模塊，結構如圖1所示。
1.2 存儲器擴展
因為固網系統需要一個龐大的字庫來支持，所以MCS51的64KB存儲能力是不夠的。通過添加一個MMU模塊，將CPU該存能力擴展到2MB。當CPU訪問外部存儲器時，先用16位的邏輯地址高位進行頁表查詢，得到相應的擴展地址，然后將擴展地址和邏輯地址的低位一起構成21位的物理地址，來完成對外部存儲器的操作，數據通路如圖2所示。
1.3 外部中斷的擴張
為了讓系統能舊電故障等異常事件中斷請求信號，保留了MCS51原來的兩個外部中斷源，同時增加了7個外部中斷和相應的3個寄存器，分別用于鎖存中斷、屏蔽中斷和對中斷的優先級進行控制。如圖3所示。
中斷的實現，CPU在每一個機器周期預序檢查每一個中斷源，如果發現有中斷請求且沒有在處理相同或更高的優先級中斷，CPU就處理該中斷。先得相應的優先級狀態位置位，然后捃一個硬件子程序。該子程序把中斷處理程序的入口地址送到程序計數據。各中斷源程序的入口地址如表1.中斷處理程序從該地址開始一直執行到RETI指令為止，然后將相應的優先級級位清0.
表1 中斷服務程序的入口地址
2 DTMF數據處理
DTMF解碼數據處理主要完成兩個功能，一是數據截取，一是DTMG解碼。
2.1 數據截取
根據抽樣速率和DTMG占空比及持續時間，可以對接收的數據進行截斷。根據FFT的要求，前后兩段數據之間應該有一定長度的公共部分。計算出截新的數據幀的長度為128字。為了減少面積，我們比較了幾個方案。在不會出現溢出的情況下，最后采取了圖4所示的設計方案。
圖3
數據截取由一個256字的雙口RAM完成。復位時，對前32字清零。A/D采樣的數據幀先放到寫數據段1中，再放到寫數據段2中，按照寫數據段1和寫數據段2交替寫入數據。在每次寫完一個數據段之后，產生一個數據改變脈沖。用來表明已完成1幀數據，可以進行數據讀取，從而啟動數據讀取操作。
數據讀取時，為了保證每次數據讀取時與前后兩段都有32字的公共部分，第一次從讀數據段1中讀出160字的數據，其前32字的數據為上一幀數據的最后32字的數據；下一次在讀數據段2中讀出160字的數據，然后兩個數據段讀出數據前后之間都有32字的共有數據。
2.2 DTMF解碼
對于DTMF解碼中用到的FFT，我們采用經典的Goertzel算法。其思想是利用簡單的遞歸運算代替復雜的FFT運算，且只需要計算幾個頻率占上的值，大大簡化了計算量，通過比較幾個頻率點上數值的大小和判斷占空時間，就可確定發送的DTMG頻率組合。為了減少設計中用到的乘法驗證，在滿足通信標準的前提下，將寬度降到12位。Goertzel算法的計算公式如下：
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