基于FPGA的數(shù)字交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　專用交換機(jī)過于強(qiáng)大專業(yè)的功能，以及昂貴的價(jià)格，并非小型建網(wǎng)的理想選擇；同時(shí)，傳統(tǒng)的PBX的模擬交換方式存在著失真大、欠靈活以及隨規(guī)模增大而復(fù)雜度劇增的不足。本文提出的方案，有別于常用PBX的模擬交換，是一種適用于一定規(guī)模局域網(wǎng)的數(shù)字交換機(jī)。FPGA的使用在保證了性能提高的同時(shí)，在復(fù)雜度和擴(kuò)展性方面也有了明顯的改進(jìn)。

一 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶有16路內(nèi)線電話、同時(shí)具備4路外線接口的數(shù)字交換機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　?。?）用戶接口及PCM編碼部分
　　用戶接口電路選用IDT公司的821611芯片，該芯片與編碼芯片IDT821034配合良好。用戶線各對(duì)應(yīng)一片821611，四路用戶接入一片821034（可調(diào)增益的四路PCM編碼芯片），最終4片821034的PCM信號(hào)（16路）一起掛接在PCM總線上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我們能采用帶SPI的單片機(jī)（例如，Analog公司的Aduc812），很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多片IDT821034的控制。

　　（2）外線接口
　　外線接口一部分負(fù)責(zé)外線的鈴流檢測(cè)和變壓器(僅通過語音)接入。鈴流檢測(cè)采用了SGS公司的LS1240。每當(dāng)鈴流進(jìn)入，向FPGA送出高電平，從而測(cè)知外線的呼入。另一部分為與內(nèi)線中的SLIC和CODEC類似的語音編解碼部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為語音送到外線（或者將外線語音及DTMF編碼后送入FPGA）。

　　(3) DTMF接收及提示語音產(chǎn)生
　　系統(tǒng)中，20路電話（含4路外線）復(fù)用4路DTMF收號(hào)芯片進(jìn)行收號(hào)。FPGA將待收號(hào)話路的PCM信號(hào)送到當(dāng)前空閑的收號(hào)模塊。DTMF的接收由MT8870完成， FPGA與MT8870之間，有一片MT8965（單通道語音編解碼芯片）,將FPGA送出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)由MT8870讀取。而交換過程的提示語音則選用ISD4004（語音錄放芯片，SPI控制），將其語音輸出接在MT8965的語音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF接收和語音送出均為固定時(shí)隙，交換控制在FPGA中完成。

　　 (4) FPGA 
　　FPGA作為核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)字交換、信號(hào)音產(chǎn)生及控制、收號(hào)控制、提示音控制、外線接口控制、時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。為了與外圍器件配合，選用兼容5V接口的FPGA（如Altera的ACEX 1K）。詳細(xì)說明在后面給出。

　　 (5)MCU
　　MCU（這里選用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在內(nèi)的的靈活的用戶接口）負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程的調(diào)度及流程控制。軟件設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)也將在后面進(jìn)行說明。

二、PGA邏輯設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號(hào)（用戶語音、外線語音、提示語音3種語音的PCM編碼信號(hào)）需要處理和交換；電話所需的信號(hào)音（撥號(hào)、提示、忙等）需要產(chǎn)生；MCU雖然負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置控制，但它與器件之間還需要控制邏輯；同時(shí)，系統(tǒng)還需要特定的時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)。上述的這些功能，都由FPGA來完成。圖3是FPGA的頂層硬件框圖。

　　MCU對(duì)各功能塊的相關(guān)操作均通過以總線讀寫寄存器的方式進(jìn)行。
　?。?）總線控制（BUS-TRAN）
　　本功能塊將MCU的總線（高8位地址線和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線）轉(zhuǎn)換為分開的地址與數(shù)據(jù)總線（以BUS表示）。
　?。?） SPI片選生成（SPI-/CS）

　　圖4中除/SS之外的信號(hào)均由MCU產(chǎn)生，只有/SS信號(hào)需要FPGA提供。通過對(duì)功能塊內(nèi)寄存器的寫操作，生成外圍器件的SPI-/SS信號(hào)。

　　（3） DTMF收號(hào)（DTMF-REC）
　　FPGA與8870有DATA0－DATA3（數(shù)據(jù)）、StD（狀態(tài)線）、TOE（片選有效）等6線相連，F(xiàn)PGA在MCU控制下查詢StD狀態(tài)，有正脈沖時(shí)，通過TOE使8870輸出有效，再由DATA0-DATA3讀取收號(hào)結(jié)果。同時(shí)， 還要產(chǎn)生MT8965的控制線（ CA,/F1i, CSTI）以配合收號(hào)和送提示音過程。

　?。?）外線檢測(cè)（EXTERNAL-DET）
　　這里只需要對(duì)外線接口送來的狀態(tài)線進(jìn)行查詢（讀寄存器方式），以測(cè)知是否有外線呼入。

　?。?）時(shí)鐘產(chǎn)生（TIMING-GEN）
　　將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等時(shí)鐘信號(hào)。

　?。?）數(shù)字交換（PCM-SWITCH）
　　這是邏輯設(shè)計(jì)中的核心部分，其框圖如圖5所示。

　　圖5中INNER指內(nèi)線用戶,EXTERNAL指外線用戶,DTMF指收號(hào)模塊,AUDIO指提示語音模塊。同時(shí),RAM-D用來存放PCM數(shù)據(jù),RAM-ADD用來存放控制RAM-D讀出的地址。

　　各路PCM信號(hào)在用來標(biāo)識(shí)時(shí)隙的SLOT-CLOCK上升沿順序?qū)懭雽?duì)應(yīng)的RAM-D內(nèi)，RAM的大小均為32×2 byte（可容兩幀），確保送上一幀數(shù)據(jù)時(shí)，不影響當(dāng)前幀寫入。RAM-ADD為32 byte的RAM，存放著對(duì)應(yīng)通路的交換信息，例如，RAM-ADD(IN-IN)中的0地址處存放的是內(nèi)線交換時(shí)希望0時(shí)隙內(nèi)線用戶收到的時(shí)隙的標(biāo)號(hào)，這些信息由MCU總線寫入。同時(shí)，在SLOT-CLOCK上升沿，F(xiàn)PGA將RAM-ADD順序讀出的輸出作為地址來讀取RAM-D，從而實(shí)現(xiàn)了交換功能?；谶@樣的原理，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)線、外線、DTMF收號(hào)、提示語音這幾塊之間的靈活交換（DTMF和提示語音為單向信號(hào)，實(shí)際在同一PCM總線上）。

　?。?） 信號(hào)音產(chǎn)生（SIGNAL-GEN）
　　信號(hào)音頻率均為450 Hz，僅以通斷時(shí)間來區(qū)分。我們?cè)贔PGA中建立了一張450 Hz、8k采樣的正弦表（PCM編碼后），工作時(shí)循環(huán)讀出并進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。利用定時(shí)器和三態(tài)門對(duì)其進(jìn)行處理，從而形成了通斷時(shí)間不同的各種信號(hào)音。將各種信號(hào)音通過三態(tài)門掛接在用戶的PCM總線上，需要時(shí)只要打開對(duì)應(yīng)的三態(tài)門，就可以將正確的信號(hào)音送到當(dāng)前的時(shí)隙上。

三、工作流程及軟件設(shè)計(jì)
　　FPGA為MCU提供了與其他器件間的接口，使其能夠以簡(jiǎn)短的指令實(shí)現(xiàn)原本復(fù)雜的底層操作。限于篇幅，這里只作簡(jiǎn)要的介紹。

1. 內(nèi)線通話
　　內(nèi)線摘機(jī)：如果該用戶主叫，向該時(shí)隙送撥號(hào)音（到撥號(hào)為止），同時(shí)將主叫話路送到當(dāng)前有閑的DTMF模塊（如果沒有，送忙音）的時(shí)隙上，收號(hào)完成再從DTMF時(shí)隙拿掉（或超時(shí)拆線），根據(jù)收號(hào)結(jié)果，看被叫用戶狀態(tài)，忙則將忙音送主叫時(shí)隙，否則向主叫時(shí)隙送回鈴音，同時(shí)令被叫振鈴；如果該用戶被叫，則切掉該用戶振鈴，同時(shí)取消主叫時(shí)隙的回鈴音，將這兩個(gè)時(shí)隙的話路交換，建立連接。

　　內(nèi)線掛機(jī)：如果通話在連接狀態(tài)，則取消通話連接，送對(duì)端時(shí)隙忙音；如果無通話連接，則取消對(duì)方振鈴（如果存在的話），并拿掉本時(shí)隙上的所有信號(hào)。

2. 外線通話
　　外線呼入：當(dāng)測(cè)知有外線呼入時(shí)，如果沒有空閑收號(hào)模塊，則等待直到出現(xiàn)空閑為止；否則，將呼入外線的編碼信號(hào)送至DTMF模塊的時(shí)隙，同時(shí)將提示撥分機(jī)號(hào)的提示語音編碼信號(hào)送至呼入外線的時(shí)隙，等待撥號(hào)完成（或超時(shí)拆線）。后面的過程與內(nèi)線通話類似，唯一不同的是向外線送忙音只需拿掉送至呼入外線時(shí)隙的所有信號(hào)即可，而送給外線的回鈴音是由提示語音來替代的。

　　呼叫外線：在內(nèi)線摘機(jī)后的收號(hào)過程中，當(dāng)用戶撥號(hào)第一位為某特定數(shù)字（例如“0”），認(rèn)為是呼叫外線，將該話路由收號(hào)時(shí)隙拿掉，并尋找一路空閑外線（若無則送忙音），將話路時(shí)隙與外線時(shí)隙進(jìn)行交換，建立通話，后續(xù)過程與內(nèi)線通話相似，但僅需處理內(nèi)線端即可。

　　需要注意的是， 821034的串行控制接口與標(biāo)準(zhǔn)的SPI略有不同，在/SS有效前需要1個(gè)SCLK，拉高后需要2個(gè)SCLK，所以編程中在寫SPI的前后，各進(jìn)行了一次偽寫（即在未拉低/SS的情況下，寫SPI）操作，以確保操作的正確。

四、結(jié)語
　　系統(tǒng)中，除語音至PCM編碼段外，其余話路部分實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化，可以顯著提高內(nèi)線通話質(zhì)量（特別是內(nèi)部網(wǎng)具一定規(guī)模的情況下）。同時(shí)，將原本IC實(shí)現(xiàn)的功能集成在單一的FPGA中實(shí)現(xiàn)，減小了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了成本，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且這使系統(tǒng)的升級(jí)相較于傳統(tǒng)的PBX變得更為方便靈活，用戶可以根據(jù)要求在不改動(dòng)硬件的情況下以編程方式實(shí)現(xiàn)較自由的功能擴(kuò)展。特別地，隨著規(guī)模的增大，本方案的上述優(yōu)勢(shì)會(huì)愈發(fā)明顯。

參考文獻(xiàn)

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