Potřeba generování DTMF (Dual Tone Multi Frequency) volby bez použití speciálních integrovaných obvodů k tomu určených vznikla na základě cenové politiky a podmínek jednoho pražského dovozce telefonních obvodů od firmy Mitel. Přijímač (dekodér) tónové volby lze koupit za cca 30,- Kč, ale přijímač-vysílač již převyšuje částku 100,- Kč. Princip bude ukázán na nejmenším z rodiny „PICů“ – 12C508A.

Parametry DTMF volby

Nejprve je potřeba se seznámit s parametry tónové volby DTMF. Volba nabývá šestnácti stavů, kde každý stav je definován dvojicí tónů. Jeden tón je vždy z dolní čtveřice tónů a druhý z horní čtveřice tónů. Protože kombinací je 4x4=16 tak možných stavů je právě 16. Dalším parametrem je preemfáze, kdy tóny z horní skupiny jsou vyšší o 2 dB než tóny z dolní skupiny. Přesnost tónů je definována ± 1,5%. Další parametry jako délka tónu a mezery, zkreslení, úroveň atd. se týkají až konkrétní konstrukce zařízení.

Princip generování dvoutónu

Základní možnosti jsou dvě, buď jednotlivé vzorky posílat na port (např. 8bitů) a zde mít D/A převodník např. z odporů, ale zabírá vývody mikrokontroléru, naproti tomu je přesnější. Druhá možnost a tu si popíšeme, je generování PWM (Pulse Width Modulation). Zabírá jeden vývod mikrokontroléru, vyžaduje dolní propust na výstupu, ale modul PWM je u moderních mikrokontrolérů již standardní periférií. V našem příkladu použijeme ten nejhorší případ – mikrokontrolér bez přerušení a bez modulu PWM - PIC12C508A.

Při programově řešeném PWM je nutno dodržet několik zásad. Následující výpočty je nejlepší zapsat do tabulkového procesoru (Excel, T602 …) a tak se změna každého parametru okamžitě projeví ve všech výsledcích. Toto má velký význam při dodržení přesnosti < 1,5 % všech osmi tónů zároveň. Tělo celé programové smyčky určuje vzorkovací kmitočet, výpočet konstant představuje stejnosměrnou složku a porovnání výstupní hodnoty vzorku je v přímém vztahu s počtem úrovní vzorků.

V našem příkladu si zvolíme:

počet úrovní vzorku p_vz = 17 (9 je střední hodnota ± 8)
počet bodů sinusového průběhu v tabulce p_bod = 256
kmitočet oscilátoru je zvolen standardní f₀ = 3.579545 MHz
výpočet konstant je dlouhý k_kon = 33 instrukcí
porovnání výstupní hodnoty vzorku k_por = 4 instrukce

Toto je zadání, které je zvoleno z řešení programové smyčky PWM a parametrů mikrokontroléru PIC12C508A. Další potřebné údaje vypočteme z následujících vztahů:

• doba jedné instrukce: t_inst = 4 / f₀ ( 4 = za 4 periody fo vykoná 1 instrukci ) [s]
• vzorkovací kmitočet: f_vz = 1 / (( p_vz × k_por + k_kon ) × t_inst ) [Hz]
• základní krok kmitočtu: f_krok = f_vz / p_bod [Hz]
• výpočet konstanty kn pro požadovaný kmitočet f_n: k_n = f_n / f_krok [-]
• skutečný generovaný kmitočet: fskut = ( zaokrouhlit na celé k_n ) × f_krok [Hz]
• výpočet přesnosti generovaného kmitočtu: d = ( 100 × ( f_n - f_skut ) / f_n ) [%]
• výpočet konstanty časovače TMR: k_TMR = 8 + ( 256 – ( k_kon + k_por × p_vz )) [-] ,
  kde konstanta 8 je stejně jako konstanty k_kon a k_por z konkrétně napsaného programu, jinak napsaný program nebo jiný mikrokontrolér tyto konstanty zásadně změní.

Program v mikrokontroléru se skládá ze tří částí. První část jsou dvě tabulky sinusového průběhu dlouhé 64, druhá sinusovka má o 2 dB větší amplitudu. 64 vzorků je dostačující, ale výpočet vzorku se provádí v délce 256 ( p_bod ) a výsledek se dělí 4 do rámce tabulky 64 a tak se výběr vzorků zpřesní.

Druhá část programu se týká komunikace – zadání kmitočtů a povel k vysílání. Komunikace je zvolena synchronní sériová třívodičová Clk, Data, Select. Takto je možné Clk a Data sdílet s jinou periférií (např. se sériovou EEPROM), signál Select slouží k řízení tak, že je-li „0“ tak program nevysílá a čte sériovou sběrnici (Clk a Data), je-li v „1“ tak posledních 6 bitů přečtených ze sériové sběrnice před změnou signálu Select definuje vysílané kmitočty a po dobu co je Selct v „1“ vysílá a signály Clk a Data se ignorují. Pokud je třeba vysílat stále stejný tón, tak stačí vysílání klíčovat signálem Select – posledně zapsané kmitočty zůstávají.

Sériová komunikace

Poslední část programu je smyčka PWM. Vývojový diagram je na obr.1. Princip generování dvoutónu je, že pro jeden kmitočet např. 770Hz je vypočtena konstanta k_n1 = 23 a pro druhý kmitočet 1209Hz je vypočtena konstanta k_n2 = 36. Při běhu smyčky PWM se jeden ukazatel po sinusovce posouvá o 23 a druhý o 36, vrácené hodnoty ze sinusovek se sečtou, vydělí 2 a tak se získá konkrétní vzorek amplitudy generovaný PWM. Protože se vzorky horních kmitočtů berou ze sinusovky o 2 dB větší než dolní kmitočty, tak je zaručena preemfáze. Proměnná K1 a K2 jsou ukazatele výběru vzorků sinusového průběhu, POC je pomocná proměnná, v proměnné HOD se vypočítá velikost vzorku, TMR je vnitřní časovač, který se inkrementuje od vnitřních hodin ( fo / 4 ). Vzorkovací kmitočet je více jak pětkrát vyšší než nejvýše generovaný kmitočet a tak výstupní signál lze snadno dolní propustí „vyčistit“ od vzorkovacího kmitočtu.

Příklad použití generátoru

Příklad zapojení generátoru

V našem příkladu je generátor v samostatném obvodu PIC12C508A. Oscilátor je možno vytvořit připojením krystalu nebo přivedením kmitočtu 3,579545 MHz od jiného obvodu v zařízení. Pasivní filtr dolní propusti 2. řádu vyžaduje připojení k následujícímu obvodu s vysokou vstupní impedancí. Tento filtr je vhodné nahradit aktivním filtrem 3. řádu, který splňuje dostatečné potlačení vzorkovacího kmitočtu PWM a zaručí nízkou výstupní impedanci. Na závěr je uvedena tabulka všech možných tónů na obr. 5, které lze v programu z našeho příkladu generovat. Kromě tónů DTMF volby lze ještě generovat jednotlivé sinusové tóny, které lze v konstrukci požít např. pro generování melodie, zvonícího signálu nebo oznamovacího/obsazovacího tónu.

Zapojení filtru 3. řádu

Tabulka generovaných tónů

Další informace nebo naprogramovaný obvod PIC12C508A lze získat na romjel@ volny.cz .