摘要 當人們無法在一些危險場所進行現(xiàn)場作業(yè)或控制時，智能小車可得到應用。近年來，雙音多頻信號技術使撥號速率提高，并應用在交互式控制中，更可組成有線或無線的通信系統(tǒng)?？紤]到項目要求的實時遠程控制和成本等因素，使用基于GSM網(wǎng)絡的雙音多頻信號來控制由步進電機驅動的小車，使小車能被準確和實時地遠程控制，進而完成所需的移動任務。
關鍵詞 雙音多頻信號；GSM；步進電機

    智能小車在遠程控制中的應用，可在一些危險場所，人們無法現(xiàn)場作業(yè)或進行控制，如農(nóng)場儲水池、洞穴、有害或放射性實驗室等。準確和實時地遠程控制，是遙控和智能控制的一個研究方向。無線通信技術應用，如無線局域網(wǎng)(WiFi、藍牙、ZigBee、2．4 GHz無線通信等。其中雙音多頻信號(Dual Tone Multiple Frequency，DTMF)用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸時，無需專用數(shù)據(jù)傳輸線且可靠性高，可用于自動控制系統(tǒng)。近年來，雙音多頻信號應用在交互式控制中，使撥號的速率提高。把雙音多頻信號的發(fā)送電路用于主控系統(tǒng)，接收電路用于被控系統(tǒng)，便可組成有線或無線通信系統(tǒng)。GSM(Global System for Mobile communications，GSM)技術應用廣泛，可通過手機或固話機作終端，通過雙音多頻信號的GSM網(wǎng)絡通信方式無線控制小車的移動，具體由終端上的5個數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)控制，使小車按照指令驅動步進電機完成移動任務。

1 系統(tǒng)分析與設計
    設計了基于GSM模塊的雙音多頻信號控制的小車。如圖1所示，小車系統(tǒng)主要由CMOS的PIC18F452微控制器作為控制主機，外接GSM調(diào)制解調(diào)器、雙音多頻解碼器、步進電機、以及40 MHz晶振和+5 V電源。此系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、抗干擾能力強、適用范圍廣，并且易于擴展。通過一系列設計規(guī)則要求實現(xiàn)各模塊之間的有效通信。GSM調(diào)制解調(diào)器向用戶提供標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸。它與PIC微控制器之間以ASCII字符形式傳輸AT指令串。步進電機也根據(jù)AT指令控制線圈的電流方向，使轉軸轉動控制小車完成任何方向和旋轉移動，以配合小車的全方位運動規(guī)劃。電機轉速、停止位置都取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。PIC微控制器提供的控制信息序列，是通過雙音多頻信號解碼轉換為數(shù)字形式而得到控制步進電機脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)。

1．1 GSM調(diào)制解調(diào)器
    GSM通過相鄰基站的互連構成通信網(wǎng)絡，并使用900 MHz或1 800 MHz作為傳輸?shù)墓ぷ黝l段。項目選擇雙頻段的GSM調(diào)制解調(diào)器GSM100T，支持熱插拔功能，并以RS232串口連接計算機操作系統(tǒng)或單片機進行通信，其硬件控制設置通常為每秒115．2 kbit，8位有效數(shù)據(jù)，1停止位，不使用校驗位。根據(jù)GSM相關事件與服務響應，在應用程序中進行AT指令交換，并且AT指令分為數(shù)據(jù)模式和控制模式。在控制模式中，包括網(wǎng)絡注冊檢查、接收信號強度、接撥號、掛斷、信號中斷、占線等，程序在指令寄存器的物理地址直接調(diào)用控制指令，如S7=60，表示設寄存器寄存器#7的數(shù)值為十進制60。那么，PIC微控制器通過AT指令對GSM調(diào)制解調(diào)器進行基本的控制操作。
1．2 雙音多頻及其編解碼器
    雙音多頻信號是音頻電話的撥號信號，它本不用于數(shù)據(jù)信號的傳送，而是傳送控制信號，并指定了每兩個音頻信號的間隔為600 ms。每一個號碼由兩個音頻信號組成，該雙音頻由按鍵所在的行和列對應的頻率決定，如圖2所示。每按下一個數(shù)字，則行與列的對應輸入端為低電平。這樣，就形成一種雙音頻組合，以產(chǎn)生相應的雙音多頻信號。終端上的5個數(shù)字按鍵(2、4、6、8、5)分別同步產(chǎn)生兩個頻率和兩個相差4 dB幅度的信號，此信號通常由RC網(wǎng)絡電路產(chǎn)生。加拿大Mitel公司生產(chǎn)的雙音多頻信號編／解碼芯片系列芯片是該系列產(chǎn)品中較新的一種，該芯片功能強、功耗低、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應用于程控交換機、無線通信設備、移動通信等系統(tǒng)中。項目使用MT8880編碼器芯片，它由兩個二階數(shù)字正弦波振蕩器構成，一個用于產(chǎn)生行頻，一個用于產(chǎn)生列頻。對雙音多頻信號進行高精度解碼并不容易，接收設備對2％的偏差能可靠地接收。這里使用MT8870D解碼器芯片，其內(nèi)部使用了6階濾波，能減少失真并產(chǎn)生理想的正弦信號。

1．3 步進電機的控制
    項目使用混合式步進電機，它是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，利用電子電路將直流電變成分時供電，多相時序控制電流。步進電機的驅動電路通常被稱為H橋式電路，如圖3所示。當X是邏輯“1”、X’是邏輯“0”時，Q2閉合，Q1打開，而Q4使Q3閉合。電源電流經(jīng)Q1從左至右流過電機線圈，接著流向D2和Q4到地。當X是邏輯“0”、X’是邏輯“1”時，電流流向Q3，從右至左流過電機線圈，然后到D1和Q2再到地。那么以電流的方向形成序列的形式，并可通過序列的改變使步進電機作逆時針方向轉動。如圖4所示，電流經(jīng)過線圈X和線圈Y時，兩個重疊的電磁鐵，并驅動轉軸轉動。當電流經(jīng)過線圈X的方向改變時，轉軸轉動，線圈Y電流的方向改變相繼將轉軸轉動，重復以上步驟，步進電機能進行連續(xù)單向轉動。此系統(tǒng)使用步進電機驅動芯片L293，它是多相時序控制器。單片機需把雙音多頻信號解碼進行處理以符合驅動步進電機的序列要求。

    PIC微控制器向步進電機驅動電路按順序輸入“0101”→“1001”→“1010”→“0110”序列，使電機進行順時針轉動，按順序輸入“01 01”→“0110”→“1010”→“1001”序列時，電機進行逆時針轉動。PIC微控制器需合理分配和設置所需端口。PIC單片機的PORTD端口作為DTMF(Q3～Q4)數(shù)據(jù)輸入端口，PORTC端口連接串口RS-232，PORTB端口連接步進電機。

2 系統(tǒng)性能測試
    測試分3個階段進行。第一階段，對GSM調(diào)制解調(diào)器進行響應測試，以確保正確的響應。當接收到GSM信號呼入時，通過AT指令可進行回應，一系列響應如表1所示。第二階段，以固定序列驅動步進電機，以確保正確的電機轉向。第三階段是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，使用終端按鍵產(chǎn)生雙音多頻GSM信號，小車接收GSM信號呼入后按相應的驅動序列進行移動。實驗表明，小車能按要求行駛，實現(xiàn)可靠的遠程控制。

3 結束語
    雙音多頻信令具有良好的傳輸速度，使其廣泛應用于各種通信和控制系統(tǒng)中。項目設計了基于GSM網(wǎng)絡雙音多頻信號控制的小車。只要在GSM網(wǎng)絡范圍內(nèi)，能夠準確、實時地遠程控制小車，可以取代一些特殊和危險環(huán)境作業(yè)的人工操作。