監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和廠商一直希望微控制器能夠?yàn)槿粘１O(jiān)視應(yīng)用提供不斷增加的通用功能，包括滿足用電計(jì)量、汽車監(jiān)控、數(shù)據(jù)搜集和傳感器調(diào)節(jié)等方面的要求。maxq3120 就是為了滿足這些要求而開發(fā)的低功耗、高速微控制器。它的主要技術(shù)規(guī)范如下。 

　　•16 位、每秒8 百萬(wàn)條指令(8mips)、單周期risk 核 •32kb 閃存(flash 存儲(chǔ)器) • 512b ram •具有獨(dú)立波特率產(chǎn)生器的2 個(gè)uart •3 個(gè)定時(shí)器，其中1 個(gè)支持pwm d/a • 紅外通信功能 •可驅(qū)動(dòng)112 段lcd 的控制器 • 依靠電池備份、具有日歷和亞秒鬧鐘功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 •16 x 16 位單周期乘法器和40 位累加器 •2 個(gè)16 位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 

　　下面介紹利用maxq3120 微控制器的以上特性和模擬i/o 及DSP 功能可以完成一些什么樣的任務(wù)。 

　　語(yǔ)音記錄子系統(tǒng) 

　　概念: 給一組工程師一片adc，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)如何用它來(lái)記錄語(yǔ)音。但是，除了簡(jiǎn)單的記錄聲音，maxq3120 還能夠做很多事情。以maxq3120 為核心，配合用戶接口元件和廉價(jià)的nand 閃存，就可構(gòu)建一個(gè)功能完善的語(yǔ)音記錄子系統(tǒng)。 

　　細(xì)節(jié): 可以利用maxq3120 的一個(gè)adc 和pwm 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)音頻i/o。adc 的額定輸入電壓為+1v 到-1v，其內(nèi)置的前置放大器的可編程增益可達(dá)16。通常，具有內(nèi)置阻抗匹配的電容式拾音頭可以直接連接到adc 的輸入端。如果需要低噪聲或高增益，可以采用maxim 公司的前置放大器max4467 ，該放大器能為拾音頭提供所需的偏置，且為電池供電的應(yīng)用提供功耗極低的關(guān)斷模式。在輸出端，用一個(gè)單級(jí)放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，該放大器同時(shí)還具有一定的抗混疊和pwm 平滑功能。 

　　音頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，必須進(jìn)行壓縮和存儲(chǔ)，以備重放。8mips 的處理能力使maxq3120 擁有足夠的“馬力”來(lái)應(yīng)付許多常用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編碼任務(wù)。此領(lǐng)域的“金科玉律”是itu g.711 編碼，其工作速率為64kbps ，每秒發(fā)送和接收8000 個(gè)8 位采樣。itu g.711 編碼有兩種不同的傳遞函數(shù)，用來(lái)將12 位采樣值轉(zhuǎn)換為8 位編碼字。這兩種函數(shù)就是通常所謂的a 律(主要用在歐洲)和µ律(主要用在美國(guó))。 

　　如果期望更高的壓縮率，可以犧牲一些話音質(zhì)量，采用itu g.726 編碼。g.726 編碼采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(adpcm)方案對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行更高效率的編碼。這種編碼支持多種位率，最低為16kbps 。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該編碼要求的處理速度不大于3mips。itu g.711 和itu g.726 編碼都只需要很少的ram。在錄音階段，定時(shí)器每125µs (8mhz 時(shí)鐘頻率下每1000 個(gè)處理器周期)產(chǎn)生一次中斷請(qǐng)求，微處理器響應(yīng)中斷后，計(jì)算在上一個(gè)定時(shí)器周期內(nèi)得到的采樣值的平均值(二或三個(gè)采樣，adc 每48µs 采樣一次)，以便獲得需要的8khz 采樣率。之后，所采集的16 位采樣就可采用選定的編碼方案進(jìn)行編碼。在回放時(shí)，采樣數(shù)據(jù)被線性化后送到pwm 控制器，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 

　　壓縮后的音頻數(shù)據(jù)就可用于存儲(chǔ)，但maxq3120 微控制器除了程序閃存外沒(méi)有其他的存儲(chǔ)器，因此需用外部存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)。對(duì)于此應(yīng)用性價(jià)比最高的外部存儲(chǔ)器是nand 閃存，其容量可達(dá)8 吉位。對(duì)于16kbps 編碼，這種器件可提供超過(guò)6 天的語(yǔ)音存儲(chǔ)。但是，nand 閃存并不完善。首先，大多數(shù)nand 閃存器件都帶有一個(gè)“瑕疵圖”，告訴應(yīng)用軟件在存儲(chǔ)器陣列中的何處有“壞點(diǎn)”存在。其次，就像其他的可擦除存儲(chǔ)器一樣，在長(zhǎng)期使用后，nand 閃存的有些單元會(huì)喪失存儲(chǔ)能力。幸運(yùn)的是，nand 閃存的這些缺陷對(duì)語(yǔ)音應(yīng)用的影響不大，不像對(duì)固態(tài)磁盤等應(yīng)用的影響那么大。在語(yǔ)音應(yīng)用中，nand 閃存的這些缺陷可以被忽略，它們最多使語(yǔ)音中存在瞬間干擾。 

　　對(duì)于容量如此巨大的語(yǔ)音存儲(chǔ)，必須進(jìn)行有效的存儲(chǔ)管理。這項(xiàng)工作由系統(tǒng)的用戶接口部分完成，用戶接口部分的核心是lcd 控制器。它能夠驅(qū)動(dòng)4 個(gè)公共面上的28 段顯示，maxq3120 的lcd 控制器兼容于大量現(xiàn)有的3v lcd 玻璃。可以非常低的成本獲得定制的lcd 模塊。 

　　用戶可以通過(guò)連接到maxq3120 通用i/o 端口的按鈕來(lái)控制語(yǔ)音記錄系統(tǒng)。maxq3120 有4 個(gè)8 位通用i/o 端口與器件的其他功能共用。

　　還需要做什么? MAXQ3120 是用于高級(jí)語(yǔ)音記錄系統(tǒng)的理想微控制器。在利用它設(shè)計(jì)語(yǔ)音記錄系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者僅需要完成下列工作： 

　　•設(shè)計(jì)用戶接口: 選擇一款lcd ，確定如何顯示信息、設(shè)置按鈕功能、如何記錄和組織語(yǔ)音數(shù)據(jù)。 •選擇聲碼器: 可以選用以上提到的兩個(gè)itu 編碼器之一，也可以選用其他的專用編碼器，在存儲(chǔ)器容量足夠大時(shí)還可以直接存儲(chǔ)語(yǔ)音信號(hào)的原始采樣值。許多標(biāo)準(zhǔn)編碼器的c 語(yǔ)言源代碼是可以買到的，因此只需要簡(jiǎn)單地開發(fā)接口程序。 •選擇存儲(chǔ)介質(zhì): nand 閃存是理想的選擇，但也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇其他的存儲(chǔ)器，例如，廉價(jià)的通用可移動(dòng)存儲(chǔ)器(sd、smartmedia™ 或mmc 存儲(chǔ)卡)。有些廠商還可提供存儲(chǔ)卡接口的c 語(yǔ)言源代碼和開發(fā)工具。 •電池管理: 如果語(yǔ)音記錄系統(tǒng)用電池供電，就需要某種形式的電源管理。maxim 有多種高效的低功耗電池管理方案。結(jié)合這些  
方案和maxq3120 的低功耗停止和睡眠模式，將使語(yǔ)音記錄器具有滿意的電池壽命。 

　　多普勒雷達(dá) 

　　概念: 很多年以前執(zhí)法部門就在使用多普勒測(cè)速雷達(dá)。如果這種雷達(dá)系統(tǒng)的造價(jià)能夠大大降低，那它的用途就不僅僅限于對(duì)付那些道路上的超速者。比如，它可在前方車輛停車時(shí)提醒駕駛員。maxq3120 能在多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮哪些作用呢? 

　　細(xì)節(jié): 多普勒雷達(dá)的工作原理比較簡(jiǎn)單。雷達(dá)裝置發(fā)射一個(gè)連續(xù)的、已知頻率的微波束(在美國(guó)微波頻率已上升到ku 波段，約24.150ghz) ，微波束遇到移動(dòng)目標(biāo)后被反射回來(lái)。由于反射波的頻率稍微高于或低于發(fā)射波的頻率，所以把反射波和發(fā)射波混頻后可以得到頻率由下式確定的“拍音”： 

f = [v * (f0 / c)] * cosθ 

　　其中，ν是待測(cè)目標(biāo)的速度，f0 是額定發(fā)射頻率，θ是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與雷達(dá)系統(tǒng)之間的夾角(如圖1a 所示)，c 是光速。注意，如果目標(biāo)直接對(duì)著雷達(dá)系統(tǒng)而來(lái)，則θ= 0，cosθ= 1 ，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度變?yōu)椋?nbsp;

v = [f / (f0 / c)] 

　　例如，如果ku 波段多普勒雷達(dá)產(chǎn)生1khz 的“拍音”，則測(cè)量的目標(biāo)直面而來(lái)(或而退)的速度為12.4m/s (即每小時(shí)28 英里或45 公里)?？捎胢axq3120 處理這種音頻信號(hào)，框圖如圖1b 所示。 



圖1a. 接收信號(hào)的多普勒頻移取決于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與雷達(dá)系統(tǒng)之間的夾角。 



圖1b. 在多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中，maxq3120 控制雷達(dá)頭，并從雷達(dá)模塊輸出的中頻(if)信號(hào)中提取“拍音”信號(hào)。 

　　利用兩個(gè)ADC 通道中的一個(gè)，maxq3120 能夠采樣雷達(dá)模塊輸出的差分信號(hào)，提取出其中的最強(qiáng)頻率分量，并把它換算成每小時(shí)公里或英里數(shù)。此外，利用maxq3120 的乘-加單元還可進(jìn)行一些復(fù)雜的濾波運(yùn)算，從復(fù)雜的信號(hào)中提取出最強(qiáng)的頻率分量，并且可能從微弱信號(hào)中提取出有用信息(比如，多普勒雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)載車輛本身的運(yùn)動(dòng)速度)。 

　　很多情況下，用戶接口的設(shè)計(jì)非?，嵥椤３Ｊ且恍┻壿嬏幚砘蛘咄ㄟ^(guò)開關(guān)觸發(fā)音頻告警。有些應(yīng)用中，微控制器還要周期性地記錄速度、以及進(jìn)行速度測(cè)量的時(shí)間和日期等。 

　　還需要做什么?多數(shù)廠家生產(chǎn)的多普勒雷達(dá)模塊輸出音頻if。對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)，剩下的工作非常簡(jiǎn)單。對(duì)于更復(fù)雜一些的測(cè)量分析系統(tǒng)，還需要開發(fā)一些有關(guān)信號(hào)處理的算法。幸運(yùn)的是，有許多可用于輔助開發(fā)濾波算法和識(shí)別算法的優(yōu)秀工具。 

　　有些雷達(dá)系統(tǒng)需要指示目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，即目標(biāo)是遠(yuǎn)離還是靠近雷達(dá)?傳統(tǒng)的多普勒雷達(dá)不能完成這項(xiàng)工作;它們對(duì)速度一樣而方向相反的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相同的頻移量?，F(xiàn)在，有些廠家生產(chǎn)的雷達(dá)模塊包含兩路正交輸出，解調(diào)這兩路輸出，根據(jù)它們的相位差雷達(dá)系統(tǒng)便可以確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。maxq3120 微控制器有兩個(gè)adc，用它可以很容易地實(shí)現(xiàn)這種功能。 

　　電話管理器 

　　概念: 有時(shí)人們希望追蹤電話的使用情況(誰(shuí)與誰(shuí)通了話，什么時(shí)候通的話，通話時(shí)間是多少)，但又不愿購(gòu)買昂貴、復(fù)雜的通話計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。這種情況的例子很多。比如，父母想追蹤孩子的電話使用情況。職業(yè)人員想要一個(gè)自動(dòng)記錄他們何時(shí)給誰(shuí)打了電話，以及誰(shuí)何時(shí)給他們打了電話的日志工具。當(dāng)各個(gè)房間的電話公用一條電話線時(shí)，那些以住宿加(次日)早餐方式出租房間的房東，就希望有可以追蹤電話使用情況的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以使他們比較容易地向客人收取電話費(fèi)?？梢岳胢axq3120 微控制器組成監(jiān)視電話線上所有通話的裝置(見圖2)。 



圖2. 電話管理器監(jiān)視呼出號(hào)碼、來(lái)電振鈴、主叫id 以及摘機(jī)事件，確定呼出號(hào)碼、主叫號(hào)碼以及通話時(shí)間。

　　細(xì)節(jié): 電話管理器必須監(jiān)視四種情況：電話線的掛機(jī)/摘機(jī)狀態(tài)、來(lái)電振鈴、呼叫號(hào)碼和主叫id 信息。其中最簡(jiǎn)單的是摘機(jī)信號(hào)的監(jiān)視，因?yàn)檎獧C(jī)時(shí)，線電壓從48v ( 掛機(jī)狀態(tài))變?yōu)?2v 以下(摘機(jī)狀態(tài))，電壓檢測(cè)器很容易檢測(cè)這種變化并通知MAXQ3120 微控制器。

　　來(lái)電振鈴由電話公司在電話線上加載的高壓交流信號(hào)產(chǎn)生。該信號(hào)經(jīng)過(guò)電容耦合和光電隔離器后向處理器發(fā)出告警，同時(shí)保持與電話線的隔離。通常，與0.47µf 電容和4.7k電阻串聯(lián)的雙向光耦合器能夠可靠地檢測(cè)到該信號(hào)。為避免誤動(dòng)作，可采用一對(duì)背靠背的齊納二極管，只有當(dāng)電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)才允許電流流入光隔離器。

　　呼叫號(hào)碼的接收稍復(fù)雜一些，因?yàn)橛袃煞N向電話公司發(fā)送號(hào)碼的方法：脈沖撥號(hào)和音頻撥號(hào)。脈沖撥號(hào)方法根據(jù)撥打的數(shù)字在每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生10 個(gè)電流脈沖。為了檢測(cè)脈沖撥號(hào)，只需檢測(cè)電話線上由低到高的電壓跳變的時(shí)間，如果以每秒10 次的速率出現(xiàn)一串跳變，無(wú)疑這就是脈沖式撥號(hào)。

　　但是，脈沖撥號(hào)電話機(jī)越來(lái)越少，目前流行的是雙音多頻

(dtmf) 撥號(hào)方法。在該方法中，電話上的數(shù)字鍵被排成三列四行，見圖3。按下一個(gè)數(shù)字鍵，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與行對(duì)應(yīng)的音和一個(gè)與列對(duì)應(yīng)的音。通過(guò)檢測(cè)并解譯音調(diào)的組合情況，maxq3120 就可確定撥出的號(hào)碼

圖3. 雙音多頻(dtmf)撥號(hào)方案為鍵盤上的每個(gè)鍵安排了一個(gè)行音和一個(gè)列音。

注意，最右邊一列(a、b、c 和d 鍵)僅用在局端設(shè)備上，客戶端沒(méi)有。

　　goertzel 算法是一種適合于cpu 實(shí)現(xiàn)的高效音頻信號(hào)檢測(cè)方法。它是一個(gè)雙極點(diǎn)濾波器，可以在噪聲信道中清晰地檢測(cè)出音頻信號(hào)。在maxq 微控制器上實(shí)現(xiàn)該算法的程序已經(jīng)通過(guò)了測(cè)試。

　　利用主叫id 服務(wù)確定主叫者的電話號(hào)碼很容易。這項(xiàng)服務(wù)的訂戶可在第1 和第2 聲振鈴之間收到一個(gè)1200bps 的信號(hào)，其中包含主叫號(hào)碼、主叫者的名稱以及時(shí)間和日期等。

　　在美國(guó)，電話局采用bell 202 調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)傳送主叫id。歐洲所采用的標(biāo)準(zhǔn)是itu v.32 模式2 (1300hz 傳號(hào)和2100hz 空號(hào))。兩種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳送速率都為1200bps 。很容易在一個(gè)應(yīng)用中同時(shí)支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，但這里僅討論美國(guó)使用的標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，“0”位用2200hz 音頻表示，“1”位用1200hz 音頻表示。maxq3120 可容易地檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)，并由此確定輸入信號(hào)頻率和它所代表的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)格式很簡(jiǎn)單，為串行異步n81 格式(無(wú)奇偶校驗(yàn)位，8 位數(shù)據(jù)，1 位停止位)。

　　檢測(cè)到位值后還要解析消息的格式。有兩種主叫id 格式。第一種僅包含主叫號(hào)碼和日期及時(shí)間。如下所示：

 

　　如果用戶只訂了“僅號(hào)碼”主叫id 業(yè)務(wù)，就用這種格式為他們傳送主叫id。注意，除了類型、長(zhǎng)度和校驗(yàn)和外，其他字符以ascii 碼傳送。如果沒(méi)有主叫號(hào)碼，就用字母“o”代之。如果主叫號(hào)碼應(yīng)呼叫者的要求禁止傳送，則用字母“p”代替電話號(hào)碼。校驗(yàn)和為此信息中前面諸字節(jié)以256 為模的和，為2 的補(bǔ)碼格式。

　　如果用戶訂購(gòu)了“姓名和號(hào)碼”主叫id 服務(wù)，就會(huì)收到如下所示的信息：

　　其中，type 總為0x80，length 為所有數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)塊的格式為：

 

　　其中，block type 表示傳送數(shù)據(jù)的類型，其值根據(jù)下表選擇：

　　一旦有關(guān)某次通話的數(shù)據(jù)搜集齊后便可存儲(chǔ)在i2c* eeprom 中。這類器件廉價(jià)、可靠，并且可以提供多種存儲(chǔ)容量。一個(gè)16kb 的eeprom 能夠存儲(chǔ)100 條姓名-號(hào)碼格式的主叫id 記錄。在maxq 系列處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)i2c 通信的代碼也有提供。

　　還需要做什么?還可以考慮對(duì)該系統(tǒng)的功能進(jìn)行一些強(qiáng)化。盡管上面所討論的方案可以監(jiān)視所有在線的電話，但它還是無(wú)法告訴你是哪部電話發(fā)出或應(yīng)答呼叫。為了做到這一點(diǎn)，每部電話機(jī)上需要安裝一個(gè)無(wú)需任何用戶界面的監(jiān)視裝置。maxq3120 可以通過(guò)電流傳感器確定電話機(jī)何時(shí)被摘機(jī)，并通知位于中央的電話管理器。為完成這種通信任務(wù)，話機(jī)中的微控制器可以發(fā)送dtmf 數(shù)字信號(hào)，用來(lái)識(shí)別呼出或應(yīng)答話機(jī)。在掛機(jī)狀態(tài)，電話公司對(duì)這些信號(hào)“視而不見”，因此，戶內(nèi)電話線就為這些數(shù)字信號(hào)提供了理想的信道。

　　另一方面的強(qiáng)化是自動(dòng)登錄到一臺(tái)計(jì)算機(jī)。maxq3120 微控制器具有uart 通道，可以和pc 的串口連接，這樣就可將電話管理器徹底轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)小巧的電話計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。如果再把這種計(jì)費(fèi)系統(tǒng)和前面介紹的語(yǔ)音記錄系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，你就擁有了一個(gè)非常完善的應(yīng)答機(jī)或電話記錄器。