NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHỐNG GỌI TRỘM ĐIỆN THOẠI

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHỐNG GỌI TRỘM ĐIỆN THOẠI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA ĐIỆN TỬ VI ỄN THÔNG

Hoàng Đình Thiệp

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHỐNG GỌI TRỘM ĐIỆN THOẠI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử Viễn thông

HÀ NỘI – 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hoàng Đình Thiệp

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHỐNG GỌI TRỘM ĐIỆN THOẠI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Ngành: Điện Tử Viễn Thông

Cán bộ hướng dẫn: Th.s Chử Văn An Cán bộ đồng hướng dẫn : CN Trần Thanh Hải

HÀ NỘI – 2005

[1].Tống Văn On, Hoàng Đức Hải Họ vi điều khiển 8051 NXB Lao động- Xã hội, 2001 [2] TS Ngô Diên Tập Vi xử lý trong đo lường và điều khiển NXB khoa học kĩ thuật [3] Vũ Đức Thọ Thiết bị đầu cuối thông tin NXB Giáo Dục, 2002

[4] Http://www.atmel.com

[5].Http://www.zarlink.com

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG ĐIỆN THOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY ĐIỆN THOẠI

1.1: Sự ra đời của máy điện thoại và mạng điện thoại

1.1.1: Sơ lược về lịch sử phát triển

Các hệ thống điện thoại đã được phát triển từ mạch tương tự, tương đối đơn giản do Alexander Graham Bell phát minh vào năm 1876 mạch điện này như hình vẽ:

i(t)

Đường dây điện thoại

Đường dây điện thoại Nguồn ắc quy

Không có tiếng nói

Có tiếng nói

Hình 1: Hệ thống điện thoại cổ điển

Hai máy điện thoại được nối với nhau qua đường dây điện thoại là cáp xoắn đôi & máy điện thoại được cấp nguồn từ các trạm trung tâm (Central office) Nguồn cung cấp dòng điện một chiều chạy trong vòng dây điện thoại khép kín Micro phone than được sử dụng trong điện thoại Nó gồm bột than được đóng gói không chặt vào một hộp có mặt co giãn được gọi là máy rung, khi các sóng áp lực âm thanh đập vào màng rung, bột than bị nén và giãn Việc nén giãn này tạo ra một điện trở biến đổi làm cho dòng điện trong mạch vòng được điều chế Từ đó tạo ra một tín hiệu dòng điện âm thanh (như hình vẽ ) Ống nghe của điện thoại gồm một nam châm điện với một màng rung thuận từ đặt trong một từ trường Dòng điện âm tần truyền cảm ứng qua nam châm điện làm cho màng rung của ống nghe rung và âm thanh được tái tạo lại

Hệ thống điện thoại hai dây đơn giản trong hình (1.1) có 3 thuận lợi:

- Rẻ tiền

- Các máy được cấp nguồn từ trạm trung tâm qua đường điện thoại vì vậy không cần nguồn tại nơi thuê bao

- Mạch điện song công

Hệ thống hai dây này có bất lợi là không thể sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu chỉ theo 1 hướng Bởi vậy đối với các kết nối điện thoại đường dài cần có kĩ thuật cao cấp hơn là mạch 4 dây

Tóm lại, các mạch điện thoại có thể được chia thành 2 loại chính:

+ Mạch 2 dây (mạch vòng cục bộ)

+ Mạch 4 dây

1.1.2: Mạng điện thoại

Bộ mã hóa PCM

Bộ phân kênh TDM

Nhận tín hiệuDS-0

từ CO DS-0

Bộ giải

mã PCM

24DS-0

Truyền tín hiệu DS-1 đến CO Dây xanh lá cây

24DS-0

Hình 2: Hệ thống điện thoại có các thiết bị đầu cuối từ xa

Hệ thống vòng cục bộ được sử dụng hiện nay sẽ được mô tả đơn giản như sau:

Trạm chuyển mạch cục bộ nối hai bên hội thoại bằng cách tạo 1 kết nối cứng giữa 2 vòng cục bộ thích hợp về cơ bản đây là một kết nối nối tiếp với một nguồn (đặt tại trạm điện thoại)

Dây có điện áp dương từ trạm trung tâm được gọi là dây đầu nhọn (tiplead) và

nó được đánh dấu màu xanh lá cây Dây có điện áp âm được gọi là dây đấu vòng (ring lead) và được đánh dấu màu đỏ

Các thuật ngữ đầu nhọn và đầu vòng được xuất xứ từ thời sử dụng một bảng chuyển mạch phích cắm tại trạm trung tâm và các đầu này được nối vào một phích cắm có các tiếp xúc đầu nhọn và đầu vòng Giắc cắm này tương tự giắc của một ống nghe phone stereo có các tiếp xúc đầu nhọn vòng và vỏ bọc Đầu tiếp đất được nối vào

vỏ bọc

Kết nối cuộc gọi:

Bên gọi nhấc Handset( tổ hợp ống nghe và micro) lên hành động này đóng tiếp điểm chuyển mạch (off book) để cho dòng DC chạy qua đường dây điện thoại của người gọi Dòng điện này khoảng 40mA, được thụ cảm tại trạm trung tâm là trạm thiết lập một tín hiệu tone mời quay số trên đường dây bên gọi (khoảng 400 Hz) Bên gọi có thể quay số bằng cách sử dụng quay số xung hoặc đa tần nếu sử dụng quay số xung, dòng điện DC bị ngắt một số lần bằng số được quay (với tốc độ10 xung/s) Ví dụ: có 5 lần ngắt dòng điện khi quay số 5 Khi nhận được dãy số hoàn chỉnh của bên gọi, trạm trung tâm đặt bộ tạo chuông (90v, 20v, bật 2s, tắt 4s) vào đường dây tương ứng số được quay Kết quả làm rung chuông điện thoại Khi bên được gọi nhấc ống nghe, dòng điện DC chạy vào đường dây báo hiệu cho trạm trung tâm biết để ngắt bộ tạo chuông và nối 2 bên với nhau qua chuyển mạch Dòng điện một chiều bây giờ chạy qua các đường dây của cả hai bên gọi và được gọi Cả hai bên có thể nói và nghe đồng thời, đây là hoạt động tràn song công

Việc cung cấp cho mỗi thuê bao một đôi dây riêng trên tất cả các đường tới trạm trung tâm là rất tốn kém Trong các ứng dụng mà ở đó một số lượng lớn thuê bao tập trung cách trạm trung tâm một khoảng cách nào đó thì giá thành của hệ thống giảm

đi đáng kể bằng cách sử dụng các thiết bị đầu cuối từ xa (remote Terminal_RT) Các

RT còn cho phép đặt các máy điện thoại cách trạm trung tâm một khoảng cách bất kì

Thiết bị đầu cuối từ xa RT cung cấp điện áp ắc qui và dòng điện rung chuông cho máy điện thoại của thuê bao Đường 2 dây rung các tín hiệu voice frequency

(VF_tần số thoại) song công đến và đi khỏi thuê bao được chuyển sang đường bốn dây mang 2 đường đơn công phát và thu tín hiệu bằng một mạch lai (hybrid) Mạch lai là một mạch biến áp cân bằng (hay một mạch điện tử tương đương ) để tạo lên sự cách li giữa tín hiệu phát và thu Do vậy hiện tượng tự dao động sẽ không sảy ra khi tín hiệu phát đã được khuếch đại hồi tiếp qua đường dây thu Tín hiệu thoại VF phát được chuyển đổi thành tín hiệu PCM và nó được ghép kênh phân chia theo thời gian với các tín hiệu PCMđến từ thuê bao khác nối vào RT Tín hiệu TDM được gửi đi trên một đường trung kế tới trạm trung tâm Tương tự tín hiệu thu được từ đường trung kế được phân kênh và giải mã để được tín hiệu VF cho thuê bao

Trong các hệ thống điện thoại hiện nay người ta thay thế các chuyển mạch tương tự tại Central Office bằng các chuyển mạch số Các chuyển mạch tương tự được điều khiển bằng mạch logic chuyển tiếp đầu nối sẵn hiện nay, các trạm điện thoại hiện đại sử dụng các hệ thống chuyển mạch điện tử (ESS_Electronic Switching System) Với ESS cần có một máy tính điều khiển hoạt động chuyển mạch bằng phần mềm gọi

là điều khiển bằng chương trình lưu trữ Hơn nữa các ESS gần đây sử dụng chuyển mạch số thay cho chuyển mạch tương tự Trong một Central Office chuyển mạch số, tín hiệu VF của khách hàng được chuyển đổi sang PCM và được ghép kênh phân chia theo thời gian với các tín hiệu PCM khác vào một đường số tốc độ cao (khi các RT được sử dụng, việc chuyển đổi tín hiệu VF sang PCM được thực hiện tại RF) Trạm trunng tâm số chuyển mạch một cuộc gọi bằng cách đặt dữ liệu PCM của bên gọi vào khe thời gian TDM đã gán cho bên đích (bên được gọi ) Đây gọi là trao đổi khe thời gian (ISI_Time Slot Interchange) Chuyển mạch số (cho một khách hàng ) và nó cho phép chuyển mạch giữa dữ liệu và hình ảnh đã số hóa cũng như âm thanh PCM Tuy nhiên nhiều trạm trung tâm chuyển mạch tương tự hiện nay vẫn được sử dụng vì lí do kinh tế, tất nhiên các tín hiệu VF phải được chuyển sang PCM,TDM trước khi một chuyển mạch số có thể sử dụng

Đối với cuộc gọi đường dài, trạm trung tâm cục bộ chuyển mạch cuộc gọi tới đường trung kế để nối với một trạm trung tâm ở xa Các đường trung kế thường mang tín hiệu TDM hoặc FDM, nhưng TDM được ưa chuộng hơn Nếu Central Office cục

bộ sử dụng các chuyển mạch tương tự, mạch 2 dây phải được chuyển thành 4 dây (sử dụng mạch lai) vì các bộ lặp một chiều được sử dụng 1 chuyển mạch số thì bộ chuyển mạch số đóng vai trò tương đương RT so với central office ở xa và 2 CO được nối với nhau qua các trung kế TDM tốc độ cao

Tóm lại: thuê bao điện thoại tương tự được nối với một CO hoặc một thiết bị đầu cuối từ xa RT qua đường dây thuê bao cácp xoắn đôi CO và RT cũng xem như một thiết bị đầu cuối của vòm thuê bao và nó có các chức năng:

+ Kết thúc đường dây với một tải AC 900Ω( cân bằng với đất )

+ Cung cấp dòng Dc từ nguồn của nó qua các điện trở 200 Ω cân bằng (đối với điểm điều khiển thì tổng trở DC là 400Ω)

+ Kiểm tra dòng điện để xác định trạng thái cúp máy hoặc nhấc máy

+ Nhận thông tin quay số từ thuê bao

+ Sử dụng điện áp rung chuông và báo hiệu tiến trình gọi (âm quay số, báo bận, báo rung chuông …)

+ Chuyển đường 2 dây sang 4 dây trong các CO số hoặc trên các cuộc gọi đường dài

+ Cung cấp chuyển đổi số_tương tự và tương tự _số cho các hệ thông số + Kiểm tra đường thuê bao và điểm cuối đường dây

+ Cung cấp sự cách ly và bảo vệ cần thiết cho CO và RT

1.2: Cấu tạo chung của máy điện thoại

Đặc điểm kĩ thuật của máy điện thoại phụ thuộc kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu thoại của mạng (ghép kênh theo tần số, ghép kênh theo thời gian, ghép kênh theo mã), hai kĩ thuật sau đều thuộc điện thoại số, kĩ thuật đầu là điện thoại tương tự

Chức năng căn bản của máy điện thoại là:

- Phát và tiếp nhận báo hiệu;

- Phát mã số thuê bao bị gọi;

- Phát và thu tín hiệu thoại để nói chuyện;

- Khử trắc âm, chống các loại nhiễu và điều chỉnh âm lượng để âm thu được

là dễ nghe nhất

Hiện nay kĩ thuật vi xử lí được dùng trong các máy điện thoại khiến khả năng dịch vụ và cung cấp tiện ích của máy điện thoại rất phong phú Kĩ thuật máy tính trong mạng thông tin điện thoại số chủ động và kết hợp với thiết bị đầu cuối tạo ra nhiều dịch vụ điện thoại chất lượng cao

Máy điện thoại gồm các khối sau:

- Chuông;

- Chuyển mạch nhấc - đặt;

- Quay số;

- Tổ hợp (ống nói và tai nghe trên cấu trúc có tay cầm);

- Mạch khử trắc âm, diệt tiếng “keng” “click”, điều chỉnh âm lượng

Ngoài các khối cơ bản trên, máy điện thoại còn có thể có: Hệ thống vi xử lí, hệ thống ghi âm, màn hình và các hệ thống hỗ trợ truyền dẫn

Dưới đây là một sơ đồ khối của máy điện thoại:

Chống đảo cực

Thu chuông

Chuyển mạch nhấc đặt

Quay số

Diệt tiếng keng/click

Bảo vệ

quá áp

Hình 3: Sơ đồ khối máy điện thoại

+ Khối bảo vệ quá áp để chống điện áp cao do đường dây điện thoại chập với đường dây điện lực hoặc sét đánh Mạch thường gồm 2 diode zener mắc ngược chiều nhau:

Nếu có điện áp lớn hơn điện áp của diode +0,6v thì diode sẽ thông và điện áp

dư ra sụt trên điện trở của đường dây

+ Mạch chống đảo cực điện áp: Để điện áp một chiều từ tổng đài đưa đến các khối sau nó có cực tính ổn định, mạch thường dùng cầu diode:

Hình 5:Mạch chống đảo cực bằng cầu diode

L1

L2

Dù điện áp trên L1 và L2 thế nào thì điện áp trên A vẫn là (+) và trên B vẫn là (-)

Với mạch lúc nào cũng có 2 diode thông và 2 diode cấm

Mạch này có cấu tạo đơn giản và giá thành hạ nhưng lúc nào cũng có 2 diode tham gia và mạch cấp nguồn sụt áp trên diode là 1,2v÷ 1,4v Đối với những điện thoại

ở gần tổng đài thì sụt áp trên mạch chống đảo cực không ảnh hưởng đến chất lượng đàm thoại nhưng với những điện thoại ở xa tổng đài thì sụt áp này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng đàm thoại Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng mạch chống đảo cực dùng IC

cơ khí và nhờ cộng hưởng cơ học khi quả chuông đập vào nắp chuông

Với chuông của máy điện thoại ấn phím người ta IC hóa hoàn toàn Tín hiệu chuông được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều để nuôi IC chuông hoạt động Chuông có

âm thanh đa âm

+ Chuyển mạch nhấc đặt: gồm một hệ thống tiếp điểm đặt ở phía dưới của bộ

đỡ tổ hợp, khi nhấc tổ hợp lên mạch đàm thoại được nối thông và có nguồn cung cấp, khi đặt tổ hợp xuống mạch đàm thoại bị ngắt đồng thời mạch thu chuông được đấu sẵn trên đường thuê bao để tiếp nhận các cuộc gọi từ thuê bao khác đến Chuyển mạch nhấc – đặt có thể là cơ khí, từ, quang… tùy loại máy

+ Bộ gửi mã số thuê bao:

Để gửi số thuê bao tới tổng đài: Có 2 phương pháp là xung thập phân và lưỡng

âm đa tần ( Dual Tone Multi Frequency_ DTMF)

Máy dùng đĩa quay số sử dụng phương pháp xung thập phân

Máy ấn phím dùng cả 2 phương pháp trên

Hình 7: Ma trận bàn phím DTMF

21

+ mạch diệt tiếng keng/click

Trong máy điện đĩa quay số thì khi quay số hoặc nhấc đặt tổ hợp thì tai nghe thấy tiếng kêu của chuông Điều này do quá trình quá độ của xung quay số hoặc đột biến dòng 1 chiều khi nhấc đặt tổ hợp gây lên Trong điện thoại ấn phím không phát ra tiếng keng/click khi nhấc đặt tổ hợp nhưng vẫn gọi như vậy do thói quen cần thiết phải khử những tiếng này

Đề ra 2 phương án:

- Cắt tần số: tần số tín hiệu chuông lớn hơn tần số của xung quay số do đó có thể dùng 1 mạch lọc thông cao để tín hiệu chuông thì cho qua, tín hiệu quay số thì không cho qua Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này thì phỉa dùng tụ và cuộn cảm giá trị lớn nên thực tế phương án không được sử dụng

- Định hướng điện áp

Hầu hết tất cả các loại tổng đài tín hiệu chuông do tổng đài cung cấp thường lớn hơn rất nhiều so với tín hiệu của xung quay số và tín hiệu thoại phương án diệt tiếng keng/click dựa trên phương pháp tạo nên mức ngưỡng của tín hiệu chuông Phương án này có nhược điểm duy nhất là làm giảm độ nhạy của chuông nhưng thực

tế vẫn dùng phương pháp này Chỉ cần 1 diode zerner để tạo mạch này

+ Mạch bù trừ chiều dài đường dây thuê bao

Trước đây khi đàm thoại bằng các máy điện thoại ta thường thấy hiện tượng các thuê bao ở gần tổng đài thì chất lượng đàm thoại tốt hơn còn các thuê bao ở xa thì chất lượng đàm thoại kém hơn Sở dĩ có hiện tượng đó là do ảnh hưởng của điện trở của đường dây thuê bao Nếu đường dây thuê bao càng dài thì điện trở càng lớn Để khắc phục hiện tượng này đối với điện thoại thế hệ mới người ta thiết kế các bộ khuếch đại nói, nghe có hệ số khuếch đại phụ thuộc vào điện trở đường dây thuê bao

+ Mạch sai động kết hợp mạch cân bằng

Mạch này dùng khử hiện tượng trắc âm là hiện tượng nói chuyện trước ống nghe, một phần năng lượng của tiếng nói lọt lên tai nghe của mình gây cảm giác khó chịu vì vậy cần giảm nhỏ hiện tượng này khi thiết kế mạch các nhà sản xuất không khử hết trắc âm mà để lại 10÷15% để tạo cảm giác tự nhiên cho người nói chuyện và để người sử dụng kiểm tra giọng nói của mình trong khi đàm thoại

+ Micro và loa

Micro là thiết bị biến đổi giọng nói thành tín hiệu điện để truyền lên đường dây thuê bao, loa (tai nghe) là thiết bị tái tạo tín hiệu thoại từ tín hiệu điện trên đường thuê bao

Micro và loa có nhiều loại:

- Micro và loa hệ điện động

- Micro và loa hệ điện từ

- Micro và loa hệ tĩnh điện

- Micro điện áp và micro bột than

Tùy từng nhu cầu mà dùng loại micro và loa cho phù hợp

1.3: Khảo sát một số thông số của máy điện thoại

1.3.1: Khi đặt máy

1.3.2: Khi nhấc máy

1.3.3: Khi quay số

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỆN THOẠI

Do có rất nhiều loại máy diện thoại nên việc khảo sát nguyên lí làm việc của tất cả các loại máy là rất khó khăn, hơn nữa hiện nay cùng với sự phát triển của công

nghệ thì các loại máy điện thoại thường xuyên thay đổi mẫu mã và thêm nhiều tính năng, nhưng nói chung các loại máy điện thoại đều có nguyên lí hoạt động tương tự nhau Ở đây ta sẽ xét nguyên lý hoạt động của một loại máy điện thoại ấn phím loại đơn giản (máy điện thoại ấn phím PH-117) để có thể nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các loại điện thoại khác

2.1 Đặc điểm cơ bản, sơ đồ nguyên lý và tác dụng của các linh kiện

2.1.1.Các đặc điểm cơ bản:

- Máy có hai phương thức gửi mã số thuê bao: Lưỡng âm đa tần (TONE) và xung thập phân Việc chọn lựa phương thức gửi số nào là phụ thuộc vào vị trí của khóa P-T

- Có thể điều chỉnh âm lượng của chuông ở ba mức Low (L), Medium (M), High (H)

2.1.3 Sơ đồ nguyên lý (trang sau)

2.1.3 Tác dụng của các linh kiện

- IC1: IC chuông;

- IC2: IC gửi số;

- Q2: Đệm để phát xung kích thích Q1 làm việc;

- Q6: Làm việc ở chế độ mở bão hòa có tác dụng nối đất cho Micro;

- Q8: Khuếch đại tín hiệu thoại trong trường hợp phát thoại đồng thời khuếch đại tín hiệu lưỡng âm đa tần;

- D1-D4: Cầu chống đảo cực điện áp;

- D5-D8: Chỉnh lưu tín hiệu chuông thành nguồn 1 chiều cung cấp cho IC chuông hoạt động;

- Gần Q5,Q7 có LED báo hiệu nhấc đặt tổ hợp

IC chuông được cấp điện áp 1 chiều với cực tính dương ở chân 1 và đất ở chân

5 Điện trở R3C3 và R4C4 đểxác định 2 tần số của bộ tạo dao động âm tần lối ra của

IC chuông ở chân 8 ,trong mạch thu chuông người ta dùng đĩa phát âm

Tín hiệu chuông từ tổng đài đưa dến là ngắt quãng do đó tiếng chuông cũng ngắt quãng

2.2.2.Mạch cấp nguồn

Khi nhấc tổ hợp thì chuyển mạch HS1 và HS2 được đóng HS2 đóng nối chân

10 của IC2 với đất để IC kiểm soát và biết được tổ hợp đã được nhấc khi đó chân 11 của IC2 đưa ra một điện áp (+) cấp cho bazơ của Q2 làm cho Q2 thông,Q2 thông làm cho điện trở R14 nối vởi colector của Q2 coi như được nối đất qua bộ phân thế của R13

và R14 dẫn đến Q1 thông và cấp nguồn cho toàn máy

Khảo sát cấp nguồn cho IC2 có 3 mạch:

+) Mạch qua R5 và D10 đưa vào chân 14 và chân 6 của IC2 nối đất nối với phần âm của cầu chấm đảo cực làm kín mạch nguồn Mạch cấp nguồn trên là mạch phụ vì R5 là rất lớn nên khi ta đặt tổ hợp thì các mạch khác trong điện thoại đều bị ngắt nhưng qua chân 14 các bộ nhớ trong IC2 vẫn được cấp nguồn nhưng ở tổng đài vì điện thoại tiêu thụ dòng rấ nhỏ nên tổng đài vẫn biết thuê bao đang ở trạng thái không nhấc tổ hợp

Khi nhấc tổ hợp một mạch nữa cấp điện cho IC2 tức là qua R6 và diode D14 để tạo điều kiện cho các mạch bên trong IC2 hoạt động trước khi IC khởi động , khi chân

10 của IC2 nối đất IC2 được khởi động đưa ra điện áp có mức cao ở chân 11 do đó Q2 đóng và dẫn đến Q1 ,Q1 đóng cấp nguồn cho cả phần thoại qua R18 và D15 cũng cấp nguồn cho IC2 Mạch cấp nguồn đó mới là mạch cấp nguồn chính

Mạch cấp nguồn cho micro

Điện áp dương từ cầu chống đảo cực (D1 ÷ D4 )qua Emitor và Colector của Q1rồi qua C , E của Q7 mắc song song với R28 vả R27 qua R24 nối với C,E của Q6 nối xuống đất Ngoài ra Q5 ,Q7 ,Q8 cũng được cấp nguồn Q8 là tầng khuếch đại có tải là loa

2.2.3 Mạch phát thoại

Khi ta nói trước Micro tín hiệu lối ra của Micro là tín hiệu âm tần qua điện trở

R23,C14 đưa vào bazơ của Q5 được khuếch đại bởi Q5 & Q7, sau đó đưa tới C, E của Q1lên đường dây thuê bao tới tổng đài và tới máy bên kia

• Mạch phát xung

Khi bàn phím được ấn 1 phím thì tiếp điểm hàng sẽ chạm vào cột , IC2 căn cứ vào hàng và cột sẽ biết được phím nào được ấn và điều khiển bộ đếm trong IC làm việc, với sự tham gia của mạch tạo dao động dùng thạch anh, với tần số 3,56 MHz Thạch anh được mắc vào chân 7 và chân 8 của IC2 khi đó ở chân 11 các điện áp cao thấp liên tục theo dãy xung được phát ra, khi bắt đầu quá trình phát xung điện áp ở chân 11 bị kéo xuống mức thấp do đó làm Q2 cấm dẫn đến Q1 cấm, Q2 và Q1 cấm đường dây thuê bao coi như hở mạch, như vậy là một xung (xung không dòng) được gửi về tổng đài, kết thúc xung thứ nhất điện áp ở chân 11 lại nhảy lên mức cao làm cho

Q2 thông kéo theo Q1 thông, đường dây thuê bao xem như kín mạch tức là trong mạch

có dòng điện Khi bắt đầu xung thứ 2 điện áp ở chân 11 lại nhảy xuống mức thấp, quá trình tương tự như xung thứ nhất và tiếp diễn khi gửi hết loạt xung Như vậy khi phát xung dòng điện trên đường dây thuê bao sẽ thay đổi theo xung do đó tổng đài nhận biết được mã số của thuê bao gửi đến

Mạch phát tín hiệu lưỡng âm đa tần (TONE)

Tương tự như trường hợp trên khi IC2 nhận được lệnh của bàn phím thì các bộ đếm, các bộ chia sẽ làm việc để tạo ra các tín hiệu có tần số tương ứng với hàng và cột của phím được ấn sau khi qua mạch lọc, cộng hai tín hiệu đưa ra ở chân 12 của IC2 qua điển trở R21và tụ 13 đưa tới bazơ của Q5 và Q7 đưa ra ở colector của Q5 và Q7 qua C,E của Q1 , qua cầu chống đảo cực lên đường dây thuê bao về tổng đài Dù việc gửi

số đến tổng đài bằng phương thức nào thì trong quá trình gửi số IC2 cũng đưa ra điện

áp (-) ở chân 9 Qua diode D90 và D91 đặt tới bazơ của Q6 và Q8 làm cho 2 transistor này đều cấm diệt được tiếng click xuất hiện ở tai nghe và ngắt mạch micro để đảm bảo việc gửi mã số đến tổng đài được chính xác

tính mạnh cung cấp cho ta một giải pháp hiệu quả về chi phí và rất mềm dẻo với các ứng dụng điều khiển

AT89C2051 có các đặc trưng chuẩn sau: 2K Bytes Flash, 128 bytes RAM,15 đường vào / ra (I/O), hai bộ định thời/đếm 16-bit, một cấu trúc vector ngắt hai mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt, một cổng nối tiếp song công, bộ so sánh độ chính xác tương tự, một mạch tạo dao động và tạo xung clock trên chip

Ngoài ra, AT89C2051 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số giảm xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần mềm

Ở chế độ nghỉ, dừng CPU trong khi cho phép RAM, các bộ định thời/đếm, cổng nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục chức năng

Chế độ nguồn giảm, duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác của chip cho đến khi

có reset cứng tiếp theo

Cấu tạo chân

RST/VPPRXD(P3.0)TXD(P3.1)XTAL2XTAL1

INT0 INT1

TO(P3.4)T1(P3.5)GND

VCC P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1(AIN1) P1.0(AIN0) P3.7

Hình 9: Cấu tạo chân của Vi điều khiển AT 89C2051

3.1: Mô tả chức năng của các chân

- Vcc: điện áp nguồn (5V)

- GND: đất

- Port 1 : là một port I/O 8 – bit hai chiều có pullup nội Đầu ra port 1 có thể

điều khiển 4 đầu vào TTL Khi viết các mức 1 ra các chân port thì chúng được kéo lên

do có điện trở nội và có thể dùng làm đầu vào Khi vai trò là cổng nhập, những chân của port 1 bị kéo suống thấp sẽ đổi dòng vì có nội kéo lên

Hơn nữa, P1.0 và P1.1 có thể dùng như là đầu vào bộ đếm timer/counter 2 bên ngoài (P1.0/T2) và xung kích (P1.1/T2EX )

Port 1 cũng nhận những byte địa chỉ thấp trong khi lập trình Flash và trong khi kiểm tra Flash

Bảng 1: Chức năng của P1.0 và P1.1

Chân Chức năng thay thế

P1.0 T2 (đầu vào đếm cho Timer/Counter)

P1.1 T2EX (xung kích capture/reload cho Timer/Counter 2 và

điều khiển trực tiếp)

- Port 3 : là một port I/O 8 – bit hai chiều có pullup nội Đầu ra port 3 có thể

điều khiển 4 đầu vào TTL Khi viết các mức một ra các chân port thì chúng được kéo lên do có điện trở nội và có thể dùng làm đầu vào Khi vai trò là cổng nhập, những

chân của port 3 bị kéo suống thấp sẽ đổi dòng vì có nội trở kéo lên

Port 3 cũng có chức năng của họ MSC- 51 được liệt kê ở bảng sau:

Bảng 2 Chức năng đặc biệt của cổng 3

P3.0 RXD B0H Nhận dữ liệu cho port nối tiếp

P3.1 TXD B1H Truyền dữ liệu cho port nối tiếp

P3.4 T0 B4H Ngõ vào từ bên ngoài cho timer/counter 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào từ bên ngoài cho tmer/counter 1 P3.7 RD B7H Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Port 3 cũng nhận vài tín hiệu điều khiển trong lúc lập trình Flash và trong lúc kiểm tra Flash

- RST : là ngõ vào Reset Khi ngõnày đưa lên cao (trong ít nhất hai chu kì

máy ), các thanh ghi bên trong AT89C2051 được tải những giá trị thích hợp để khởi

động hệ thống

- ALE/PROG (Address Latch Enable ) : ALE là xung xuất cho phép chốt

byte địa chỉ thấp khi truy cập bộ nhớ ngoài Chân này còn là ngõ vào của xung lập trình (PROG) khi lập trình Flash

Trong hoạt động bình thường, ALE được phát xung với tần số 1/6 tần số dao động on – chip và có thể được dùng như xung thời gian chuân bên ngoài Tuy nhiên, cần chú ý làmột xung ALE sẽ bị mất khi truy cập bộ nhớ ngoài

Có thể huỷ bỏ chức năng của ALE bằng cách set bit 0 của thanh ghi ở vị trí 8EH Một bit này được set, ALE chỉ tích cực khi có lệnh MOVX hoặc MOVC Nếu không có các lệnh này thì ALE ở mức cao Việc set bit 0 của thanh ghi ở vị trí 8EH không làm ảnh hưởng đến vi điều khiển khi truy cập bộ nhớ ngoài

- PSEN (Progam Store Enable ) : PSEN là xung strobe báo hiệu việc đọc bộ

nhớ trương trình ngoài, PSEN tích cực hai lần (mức thấp ) mỗi chu kì máy, ngoại trừ hai xung PSEN bị mất khi truy cập dữ liệu ngoài Khi thi hành chương trình trong RAM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động ( mức cao )

- EA/Vpp (External Access ) : EA là ngõ vào để cho phép truy xuất bộ nhớ

chương trình từ bên ngoài khi được nối với GND Khi EA được treo lên nguồn Vcc, chương trình sẽ được thực thi trong ROM nội Chân này cũng nhận điện áp 12v (vpp)

trong khi lập trình Flash

- XTAL1 : Đầu vào của bộ khuếch đại dao động đảo và cũng là đầu vào đến

mạch tạo xung clock nội

- XTAL2 : Đầu ra của bộ khuếch đại giao động đảo

3.2: Khảo sát các khối bên trong 89C2051, tổ chức bộ nhớ

Ngôn ngữ cơ bản của MC51 sử dụng cách phân chia cố định đối với các vùng khác nhau của bộ nhớ RAM trong để giảm nhẹ công sức cho người sử dụng, khỏi cần phải có những hiểu biết tường tận về sự phân bố địa chỉ Vì thế sự xung đột bộ nhớ được loại trừ Các vùng được dự trữ chỉ có thể được sử dụng với các từ ngữ mở rộng Các địa chỉ bị cấm đã được sử dụng đối với các lệnh MC51 và cũng không cho phép trao đổi bằng bộ lệnh mở rộng

Bảng 3: Mô tả RAM trong

7Fh

… Ngăn xếp dùng cho 16 mặt bằng Procedme EndProc

Count 1 100

Loop1 07h R7

Bộ nhớ địa chỉ, đặt ở bên ngoài, được phân chia thành 8kbyte để dùng cho

chương trình và 24 kbyte dùng cho dỡ liệu Trong hệ phát triển có đặt hai “vùng” nhớ

RAM, 32 Kbyte Lệnh Reset RAM đặt con trỏ dữ liệu lên địa chỉ 2000h M ỗi lệnh WrRAM hoặc RdRAM viết hoặc đọc nối tiếp, trong đó mỗi lần con trỏ dỡ liệu DP lại được tăng lên 1 Theo cách này có thể sắp xếp dữ liệu một cách đơn giản, chẳng hạn

dữ liệu đo lường Một cách khác để tổ chức bộ nhớ RAM là sử dụng lệnh Reset RAM theo cách như trong bảng MC51.TAB Sự truy nhập tự do lựa chọn địa chỉ có thể đạt được bằng cách đặt trực tiếp dữ liệu DP

Bảng 4: MC51 TAB

7FFFh

Bộ nhớ dữ liệu

60h

Reset RAM WRRAM RDRAM 1FFFh

Mã chương trình

0033h

Procedure EndProc Begin End 0032h Tự do dùng cho các

vectơ ngắt

0000h Véctơ Reset

Interrupt : 1Dh Begin

3.2.1 Hoạt động của bộ định thời timer

3.2.1.1 Giới thiệu

Một định nghĩa đơn giản của timer là một chuỗi các flip-flop chia đôi tần sồ nối tiếp với nhau, chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp Ngõ ra của tầng cuối làm xung nhịp cho flip - flop báo tràn của timer (flip - flop cờ) Giá trị nhị phân trong các flip - flop của timer có thể xem như đếm số xung nhịp (hoặc các sự kiện) từ khởi động timer Ví dụ timer 16 bit sẽ đếm từ 0000H đến FFFFH Cờ báo tràn sẽ lên 1 khi

Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 89C2051

Trong các ứng dụng định nghĩa khoảng thời gian, người ta sử dụng lập trình timer ở một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer Cờ được sử dụng để đồng bộ hóa chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các ngõ vào hoặc gởi sự kiện ra các ngõ ra Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (Ví dụ: đo độ rộng xung)

Đếm sự kiện dùng để xác định số lần xảy ra của một số sự kiện Một “sự kiện” là bất cứ tác động ngoài nào có thể cung cấp một chuyển trạng thái trên một chân của 89C2051

3.2.1.2.Thanh ghi chế độ timer

Thanh ghi TMOD chứa hai nhóm 4 bit dùng để đặt chế độ làm việc cho timer0

và timer1

Bảng 5: Tóm tắt thanh ghi TMOD

7 GATE 1 Bit (mở cổng), khi lên, timer chỉ chạy khi INT1 ở mức cao

6 C/T 1 Bit chọn chế độ counter/ timer 1 = Bộ đếm sự kiện

0 = Bộ định khoảng thời gian

5 M1 1 Bit1 của chế độ ( mode)

4 M0 1

Bit 0 của chế độ 00: Chế độ 0: timer 13 bit 01: Chế độ 1: timer 16 bit 10: Chế độ 2: tự động nạp lại 8 bit 11: Chế độ 3: tách timer

3 GATE 0 Bit (mở) cổng

2 C/T 0 Bit chọn counter/ timer

1 M1 0 Bit 1 của chế độ

0 M0 0 Bit 0 của chế độ

3.2.1.3 Thanh ghi điều khiển Timer

Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho timer0 và timer1 Bảng 6: Tóm tắt thanh ghi TCON

TCON.7 TF1 8FH

Cờ báo tràn timer Đặt bởi phần cứng khi tràn, được xóa bởi phần mềm hoặc phần cứng khi bộ xử lí chỉ đến chương trình phục

vụ ngắt

TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển timer1 chạy Đặt/ xóa bằng timer để cho phần mềm chạy/ ngưng

TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn timer 0

TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển timer chạy

TCON.3 IE1 8BH

Cờ cạnh ngắt cạnh bên ngoài Đặt bởi phần cứng khi phát hiện một cạnh xuống ở INT1:xóa bằng phần mềm hoặc phần cứng khi CPU chỉ đến chương trình phục vụ ngắt

TCON.2 IT1 8AH Cờ kiểu ngắt một bên ngoài Đặt/xóa bằng phần mềm để ngắt ngoài tích cực cạnh

xuống/mức thấp

TCON.1 IE0 89H Cờ cạnh ngắt 0 bên ngoài

TCON.0 ITO 88H Cờ kiểu ngắt 0 bên ngoài

3.2.1.4 Chế độ timer

a Chế độ 1 – Chế độ TIMER 16 BIT:

Hoạt động như timer 16 bit đầy đủ

Cờ báo tràn là bit TFx trong TCON có thể đọc hoặc ghi bằng phần mềm

MSB của giá trị trong thanh ghi timer là bit 7 của THx và LSB là bit 0 của TLx Các thanh ghi timer (TLx/THx) có thể đọc hoặc ghi bất cứ lúc nào bằng phần mềm

Xung nhịp timer TLx

(8 bit)

THx(8 bit)

TFx

Cờ báo tràn

Hình 10: Chế độ Timer 16 bit

b Nguồn tạo xung nhịp:

Có hai nguồn tạo xung nhịp có thể có, được chọn bằng cách ghi vào C/T (counter/timer) trong TMOD khi khởi động timer Một nguồn tạo xung nhịp dùng cho định khoảng thời gian, cái khác cho đếm sự kiện

÷ 12

Bộ dao động trong

C/T 0: (lên) định khoảng thời gian

Xung nhịptimer

Chân T0

hoặc T1

Thạch

anh

Hình 11: Nguồn tạo xung nhịp

Định khoảng thời gian (interval timing):

Nếu C/T=0 hoạt động timer liên tục được chọn vào timer được dùng cho việc định khoảng thời gian Lúc đó, timer lấy xung nhịp từ bộ dao động trên chip Bộ chia

12 được thêm vào để giảm tần số xung nhịp đến giá trị thích hợp cho các ứng dụng Như vậy, thạch anh 12 MHz sẽ cho tốc độ xung nhịp timer 1 MHz Báo tràn timer xảy

ra sau một số (cố định) xung nhịp, phụ thuộc vào giá trị ban đầu được nạp vào các thanh ghi timer TLx/THx

Đếm sự kiện (Event Counting):

Nếu C/T=1, timer lấy nguồn xung nhịp từ bên ngoài Trong hầu hết các ứng dụng, nguồn bên ngoài này cung cấp cho timer một xung khi xảy ra một sự kiện – timer dùng đếm sự kiện Số sự kiện được xác định bằng phần mềm bằng cách đọc các thanh ghi TLx/THx vì giá trị 16 bit trong thanh ghi này tăng thêm một cho mỗi sự kiện

Nguồn xung nhịp ngoài có từ thay đổi chức năng của các port 3, bit 4 của port

3 (P3.4) dùng làm ngõ vào tạo xung nhịp bên ngoài cho timer 0 và được gọi là “T0”

Và P3.5 hay “T1” là ngõ vào tạo xung nhịp cho timer 1

Trong các ứng dụng bộ đếm, các thanh ghi Timer được tăng thêm 1 tương ứng với chuyển từ 1 xuống 0 ở ngõ vào bên ngoài: Tx, ngõ vào bên ngoài được lấy mẫu trong S5P2 của mọi chu kỳ máy Như vậy, khi ngõ vào cao trong một chu kỳ và thấp trong một chu kỳ kế thì số đếm được tăng thêm một Gía trị mới được xuất hiện trong các thanh ghi trong S3P1 của chu kỳ theo sau chu kỳ trong đó phát hện sự chuyển tiếp

Do đó, mất 2 chu kỳ máy (2µs) để ghi nhận sự chuyển 1 sang 0, tần số ngoài tối đa là 500KHz (giả sử hoạt động ở 12 MHz)

c Bắt đầu, dừng và điều khiển các Timer:

Phương pháp đơn giản nhất để bắt đầu (cho chạy) và dừng các timer là dùng các bit điều khiển chạy: TRx trong TCON TRx bị xóa sau khi Reset hệ thống Như vậy, các timer theo mặc nhiên là bị cấm (bị dừng) TRx được đặt lên 1 bằng phần mềm

để cho các timer chạy

Các thanh ghi timer

ở mức cao, timer được mở cổng và được cấp xung nhịp 1 MHz (nếu µC8031/8051 hoạt động ở tần số 12 MHz) Khi INT0 xuống thấp, timer bị ‘đóng cổng’ và thời khoảng của xung tính bằng µs là số đếm trong TL0/TH0 (Có thể lập trình INT0 để tạo ra một ngắt khi nó xuống thấp)

Hình sau minh họa Timer 1 hoạt động ở chế độ 1 như một timer 16 bit Các thanh ghi timer TL1/TH1 và cờ báo tràn TF1 trong sơ đồ chỉ các khả năng có thể có của nguồn tạo xung nhịp và dễ cho chạy, dừng và điều khiển timer

÷ 12

Bộ dao động trong

0: lên 1: xuốngT1

TR1

GAT INT

C/T

TF1 TH1

TL1

0: lên 1: xuống

Hình 13: Minh họa hoạt động của Timer1 trong chế độ 16bit

d Khởi động và truy xuất các thanh ghi:

Thông thường các thanh ghi được khởi động một lần ở đầu chương trình để đặt chế độ làm việc đúng Sau đó, trong thân chương trình, các timer được cho chạy, dừng, các bit cờ được kiểm tra và xóa, các thanh ghi timer được đọc và cập nhật v,v… theo đòi hỏi của các ứng dụng

TMOD là thanh ghi thứ nhất được khởi động vì nó đặt chế đô hoạt động Ví

dụ các lệnh sau khởi động timer1 như timer 16 bit (chế độ 1) có xung nhịp từ bộ dao động trên chip cho việc định khoảng thời gian:

MOV TMOD = 00010000B

Nếu cần số đếm ban đầu, các thanh ghi timer TL1/TH1 cũng phải được khởi động Nhớ lại các timer đếm lên và đặt cờ báo tràn khi có sự chuyển tiếp FFFFH sang 0000H Một khoảng 100µs có thể được định thời bằng cách khởi động giá trị cho TL1/TH1 làFF9C:

MOV TL1, # 9CH

MOV TH1, # OFFH

Rồi timer được cho chạy bằng cách điều khiển bit như sau:

SETB TR1

Cờ báo tràn được tự động đạt lên sau 100µ s Phần mềm có thể đợi trong 100µ

s bằng cách dùng lệnh rẽ nhánh có điều kiện nhảy đến chính nó trong khi cờ báo tràn chưa được đặt lên 1:

WAIT: JMB TF1, WAIT

Khi timer tràn, cần dừng timer và xóa cờ báo tràn trong phần mềm:

CLR TR1

CLR TF1

* Đọc timer đang chạy:

Trong một số ứng dụng cần đọc giá trị trong các thanh ghi timer đang chạy Vì phải đọc 2 thanh ghi timer, “sai pha” nếu byte thấp tràn vào byte cao giữa hai lần đọc Giá trị có thể đọc được không đúng Giải pháp là đọc byte cao trước, kế đó đọc byte thấp rồi đọc byte cao một lần nữa Nếu byte cao đã thay đổi thì lặp lại các hoạt động đọc Các lệnh dưới đây đọc các lệnh thanh ghi timer TL1/TH1 vào các thanh ghi R6/R7:

AGAIN: MOV A,TH1

Một hệ thống được điều khiển bằng interrupt cho ta ảo giác là làm nhiều việc đồng thời Dĩ nhiên là CPU đồng thời không thể thực thi hơn một lệnh Nhưng nó có thể tạm treo việc thực thi một chương trình để thực thi một chương trình khác, rồi quay về chương trình thứ nhất Theo cách này, interrupt giống như một chương trình con, nhưng có một khác biệt trong hệ thống được điều khiển là sự ngắt quãng không xảy ra như kết quả của một lệnh, mà đáp ứng một sự kiện xảy ra bất đồng bộ với