单片机IO口模拟DTMF信号的实践问题

xuyongsos 发表于 2013-6-17 10:13

小弟看了本论坛teddeng的关于单片机纯软件使用IO口模拟DTMF信号的分析后，动手实践，用一款单片机搭了个电阻网络电路来实现DTMF信号，发现了个问题。
我用65US的采样频率，144的表格，12M晶振，8051的12T单片机，6个IO口。
问题点，中断程序执行实践超过65US，代码如下，我做测试，只实现输出某个特定周期的一个正旋波形
void Timer1_Interrupt(void) interrupt3 //Timer1 65US
{

TH1 = 0xFf;
TL1 = 0x2e;
ucfreqH_ext +=ucfreqH_step;
ucfreqL_ext +=ucfreqL_step;
ucfreqH = (char)(((ucfreqH_ext+4)>>3)%144);
ucfreqL = (char)(((ucfreqL_ext+4)>>3)%144);
P1=uc_SinParam;
}
然后用示波器量波形，发现周期比表格理论的大了。查找问题，量某个IO口的波形图。发现最快的电压跳变实践是190US，远远超过65US的理论值。
网上有理论说，用普通的51能实现DTMF，不知道问题出在哪里了？求大神解惑

xuyongsos 发表于 2013-6-17 11:08

自己顶顶~
我把问题简单化下，不谈自己的实践，网上有个 “双龙DTMF演示程序的两点疑问，做过DTMF(软件PWM方法)的请进”的帖子，我是看了这个帖子去动手实践的，实例代码如下
#include <io8515v.h>
#include <macros.h>
#defineXtal    8000000       // 系统时钟频率
#defineprescaler1             // T1预分频系数
#defineN_samples128          // 在查找表中的样本数
#defineFck    Xtal/prescaler // T1工作频率
#definedelaycyc 10             // 读取port C口延时循环数
#pragma interrupt_handler ISR_T1_Overflow:7
/*************************** 正弦表 *****************************
   样本表: 一个周期分成128个点，每点按7位进行量化
****************************************************************/
flash unsigned char auc_SinParam =
{64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,
118,120,121,123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,
124,123,121,120,118,117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,
79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48,45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,
12,10,9,7,6,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6,7,9,10,12,14,16,18,21,23,
25,28,31,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60};
//***************************x_SW*************************
// x_SW 表(8倍): x_SW = ROUND(8*N_samples*f*510/Fck)
//************************************************************
const unsigned char auc_frequencyH = {
107,96,
87,79};
const unsigned char auc_frequencyL = {
61,56,
50,46};

//**************************全局变量 ****************************
unsigned char x_SWa = 0x00;             // 高频信号脉冲宽度
unsigned char x_SWb = 0x00;             // 低频信号脉冲宽度
unsigned intX_LUTaExt = 0;
unsigned intX_LUTbExt = 0;
unsigned intX_LUTa;
unsigned intX_LUTb;

/*****************************************************************
               定时器溢出中断服务程序
******************************************************************/
void ISR_T1_Overflow (void)
{
X_LUTaExt += x_SWa;
X_LUTbExt += x_SWb;
X_LUTa=(char)(((X_LUTaExt+4) >> 3)&(0x007F));
X_LUTb=(char)(((X_LUTbExt+4) >> 3)&(0x007F));
      // 计算 PWM 值: 高频值 + 3/4 低频值
OCR1A = (auc_SinParam + (auc_SinParam-(auc_SinParam>>2)));
}

/***********************************************************
                     初始化
***********************************************************/
void init (void)
{
MCUCR=0x00;
TIMSK= 0x80;                   // T1 溢出中断使能
TCCR1A = (1<<COM1A1)+(1<<PWM10); // 不翻转、8位PWM
TCCR1B = (1<<CS10);             // 预分频系数为1、即CLK/1
DDRD = (1 <<PD5);             // PD5 (OC1A)用作输出
_SEI();                            // 全局中断使能
}
/*********************************************************************
   为从PORT C口读取稳定的按键数据，所必须的延时程序（消抖延时）
*********************************************************************/
void Delay (void)
{
int i;
for (i = 0; i < delaycyc; i++) _NOP();
}

/********************************************************************
                        主程序
   从PORT C口读取按键数据(如：SL+ AVR实验板) ，来确定产生哪个
   高频(列)和低频(行)信号的混合信号，并且修正 x_SWa 和 x_SWb。
               行-> PINC 高四位
               列-> PINC 低四位
*********************************************************************/

void main (void)
{
unsigned char uc_Input;
unsigned char uc_Counter = 0;
init();
for(;;){
// 高四位 - 行
DDRC= 0x0F;       // 高四位输入、低四位输出
PORTC = 0xF0;       // 高四位打开上位、低四位输出低电平
uc_Counter = 0;
Delay();                      // 延时等待 Port C 电平稳定
uc_Input = PINC;                // 读取 Port C
do
{
   if(!(uc_Input & 0x80))       // 检查MSB是否为低
   {
                                 // 取低音脉冲宽度并结束循环
   x_SWb = auc_frequencyL;
   uc_Counter = 4;
   }
   else
   {
   x_SWb = 0;                // 没有频率调制要求
   }
   uc_Counter++;
   uc_Input = uc_Input << 1;    // 左移一位
}
while ((uc_Counter < 4));
// 低四位 - 列
DDRC= 0xF0;       // 高四位输出、低四位输入
PORTC = 0x0F;       // 高四位输出低电平、低四位打开上拉
uc_Counter = 0;
Delay();             // 延时等待 Port C 电平稳定
uc_Input = PINC;
uc_Input = uc_Input << 4;
do
{
   if(!(uc_Input & 0x80)) // 检查 MSB 是否为低
   {

   x_SWa = auc_frequencyH;//取高音脉冲宽度并结束循环
   uc_Counter = 4;
   }
   else
   {
   x_SWa = 0;
   }
   uc_Counter++;
   uc_Input = uc_Input<< 1;
}
while (uc_Counter < 4);
}
}
----------------------------------------------------------------------
我实践中的疑问点就一个，定时器溢出中断的时间是多长？？？？？？

coody 发表于 2013-6-17 12:05

完全没有问题，至少要用6个IO做R-2R的DAC，用类似DDS的方法来合成DTMF，成功率很高的。
软件解码DTMF都可以的。

xuyongsos 发表于 2013-6-17 12:22

我在实践中的疑问点是中断周期应该是多久？

xuyongsos 发表于 2013-6-18 10:07

求大神帮忙解惑，我自己顶住先

gx_huang 发表于 2013-6-18 12:38

中断周期要固定，进入中断到输出数据的时间也要固定，中断执行时间要小于中断周期。
可以第一次进中断，先计算下一次中断的输出值。
第二次进中断，先输出上次中断的值，再计算下次的输出值。

xuyongsos 发表于 2013-6-18 12:49

感谢gx_huang的回复。“可以第一次进中断，先计算下一次中断的输出值。
第二次进中断，先输出上次中断的值，再计算下次的输出值”无论如何，中断里都要计算输出的值和并且输出。这个时间是固定的，我根据看到的事例整出来，上面2个动作的时间超过了中断的定时，不懂得地方也就在这里了。

gx_huang 发表于 2013-6-18 17:24

你的理解是错的。
中断处理时间超过了中断周期，只能优化程序，或者加高主频。
每次处理数据的时间并不固定的，数据处理函数里会有条件判断，时间不是每次都一样的，会导致抖动。

xuyongsos 发表于 2013-6-19 10:31

不是我理解错了，是你还没搞清楚我的问题点。
/*****************************************************************
               定时器溢出中断服务程序
******************************************************************/
void ISR_T1_Overflow (void)
{
X_LUTaExt += x_SWa;
X_LUTbExt += x_SWb;
X_LUTa=(char)(((X_LUTaExt+4) >> 3)&(0x007F));
X_LUTb=(char)(((X_LUTbExt+4) >> 3)&(0x007F));
      // 计算 PWM 值: 高频值 + 3/4 低频值
OCR1A = (auc_SinParam + (auc_SinParam-(auc_SinParam>>2)));
}
这个是一个算法的体现，每65US一次的中断里来计算步进值，然后查表得出2个不同频率的正玄波同一时间的电压值相叠加。
这个整套代码是网上的大神放出来的，我只是来实现。在实现的过程中，我发现上面这段放在中断里的代码运行时间超过了
65US，这样运算出来后的正玄波周期时间就超过了预定的周期时间，并不能得到我想要的频率的正玄波。
我不知道其中的问题出在哪里。我也相信我上面放出的代码是正确的，因为我查过不少资料，用IO口配合电阻网络来模拟输出
DTMF信号是绝对可行的。

gx_huang 发表于 2013-6-19 11:28

你说没有理解错，其实你还是没有理解。
我很清除你的问题点，就是2个：
1、来不及
2、输出的间隔有抖动

我不是说的很清楚吗？
中断处理时间超过了中断周期，只能优化程序，或者加高主频。
每次处理数据的时间并不固定的，数据处理函数里会有条件判断，时间不是每次都一样的，会导致抖动。
你无法用低速的MCU实现软件DTMF输出的。

dengm 发表于 2013-6-19 11:47

编译器速度优化编译, 最好用汇编实现

xuyongsos 发表于 2013-6-19 12:59

这是我网上找到的资料，就是通过低速单片机，12T的51，实现了的，我代码里也能看出来，有个是用8MHZ的晶振#defineXtal 8000000 // 系统时钟频率。

xuyongsos 发表于 2013-6-19 13:17

www===**/mcu/2012/0707/article_9383_3.html（把===改为.）
这个链接是整套理论，有用DA实现和IO实现的对比效果。有兴趣的朋友可以看看。
早有人用低频率的单片机实现了，我只是如今做个DEMO再现一下。
void Timer1_Interrupt(void) interrupt3 //Timer1 65US
{

TH1 = 0xFf;
TL1 = 0x2e;
ucfreqH_ext +=ucfreqH_step;
ucfreqL_ext +=ucfreqL_step;
ucfreqH = (char)(((ucfreqH_ext+4)>>3)%144);
ucfreqL = (char)(((ucfreqL_ext+4)>>3)%144);
P1=uc_SinParam+(uc_SinParam - (uc_SinParam>>2 ) );
}
我测试的时候，取P1=uc_SinParam，只取一个高频波出来，然后示波器量输出发现波形周期大过理论周期，再去查IO口的反转电平最小周期，理论应该是中断时间65US，结果超过了。所以我就奇怪前辈们是怎么实现的了，我这样的情况问题又出现在哪里？

gx_huang 发表于 2013-6-19 14:07

人家是汇编，最多单字节加法，中断指令时间严格计算的。
你倒好，C语言，还有好多数**算，有双字节的除法？
65US太短，我以前用122US，8.196KHz采样。还用24MHz晶体，当然，记得12MHz也可以。

coody 发表于 2013-6-19 14:30

根据DDS原理来做双频率发生器，直接数字叠加再DAC输出，对正弦波表采样输出的最小采样频率是16KHZ，用32KHZ的话，就非常好了，DTMF最高频1633HZ，都可以接近20个采样点，外接至少2阶的低通。

xuyongsos 发表于 2013-6-19 16:14

感谢gx_huang，我明白问题出在哪了。我看的理论分析，是不会错的。但是我找到的实例代码，有没有问题，就不知道了。我验证的是是根据实例代码来写的。
void ISR_T1_Overflow (void)
{
X_LUTaExt += x_SWa;
X_LUTbExt += x_SWb;
X_LUTa=(char)(((X_LUTaExt+4) >> 3)&(0x007F));
X_LUTb=(char)(((X_LUTbExt+4) >> 3)&(0x007F));
// 计算 PWM 值: 高频值 + 3/4 低频值
OCR1A = (auc_SinParam + (auc_SinParam-(auc_SinParam>>2)));
}
这个实例代码，根本看不出中断时间，我自己写的是65US的中断，算法跟这个一样，还稍微复杂点，带2字节的除法运算。问题就出在这里了。
上面的中断代码C写的，编译成汇编后，12T的51，用8MHZ晶振，我估计也不是65US内能跑完的。

autopccopy 发表于 2013-6-19 19:15

试试1T单片机并使用高主频？

例如：STC IAP15F2K61S2-I35-PDIP40，主频可调到35M，1T的速度。;P

fishszlkcy 发表于 2022-1-16 11:15

coody 发表于 2013-6-17 12:05
完全没有问题，至少要用6个IO做R-2R的DAC，用类似DDS的方法来合成DTMF，成功率很高的。
软件解码DTMF都可以 ...

你好，Coody；请问可以提供一个软件解码，编码DTMF信号的软件例子吗？谢谢

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