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

摘　要：本文提出了一種基于FPGA的數(shù)字交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。方案中利用FPGA對(duì)PCM信號(hào)進(jìn)行處理，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)了話(huà)路交換、控制接口、時(shí)鐘信號(hào)與信號(hào)音產(chǎn)生等主要功能，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并且較之傳統(tǒng)方案具有明顯優(yōu)越的可擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字交換系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；設(shè)計(jì)

專(zhuān)用交換機(jī)過(guò)于強(qiáng)大專(zhuān)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(xiàn)電話(huà)、同時(shí)具備4路外線(xiàn)接口的數(shù)字交換機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

（1）用戶(hù)接口及PCM編碼部分
用戶(hù)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(hù)線(xiàn)各對(duì)應(yīng)一片821611，四路用戶(hù)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(xiàn)上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類(lèi)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(xiàn)接口
外線(xiàn)接口一部分負(fù)責(zé)外線(xiàn)的鈴流檢測(cè)和變壓器(僅通過(guò)語(yǔ)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(xiàn)的呼入。另一部分為與內(nèi)線(xiàn)中的SLIC和CODEC類(lèi)似的語(yǔ)音編****部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為語(yǔ)音送到外線(xiàn)（或者將外線(xiàn)語(yǔ)音及DTMF編碼后送入FPGA）。

(3) DTMF接收及提示語(yǔ)音產(chǎn)生
系統(tǒng)中，20路電話(huà)（含4路外線(xiàn)）復(fù)用4路DTMF收號(hào)芯片進(jìn)行收號(hào)。FPGA將待收號(hào)話(huà)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(yǔ)音編****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(guò)程的提示語(yǔ)音則選用ISD4004（語(yǔ)音錄放芯片，SPI控制），將其語(yǔ)音輸出接在MT8965的語(yǔ)音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF 接收和語(yǔ)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(xiàn)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(shuō)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(hù)接口）負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(shuō)明。

二、PGA邏輯設(shè)計(jì)
系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號(hào)（用戶(hù)語(yǔ)音、外線(xiàn)語(yǔ)音、提示語(yǔ)音3種語(yǔ)音的PCM編碼信號(hào)）需要處理和交換；電話(huà)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(lái)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(guò)以總線(xiàn)讀寫(xiě)寄存器的方式進(jìn)行。
（1）總線(xiàn)控制（BUS-TRAN）
本功能塊將MCU的總線(xiàn)（高8位地址線(xiàn)和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線(xiàn)）轉(zhuǎn)換為分開(kāi)的地址與數(shù)據(jù)總線(xiàn)（以BUS表示）。
（2） 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(guò)對(duì)功能塊內(nèi)寄存器的寫(xiě)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(xiàn)）、TOE（片選有效）等6線(xiàn)相連，F(xiàn)PGA在MCU控制下查詢(xún)StD狀態(tài)，有正脈沖時(shí)，通過(guò)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(xiàn)（ CA,/F1i, CSTI）以配合收號(hào)和送提示音過(guò)程。

（4）外線(xiàn)檢測(cè)（EXTERNAL-DET）
這里只需要對(duì)外線(xiàn)接口送來(lái)的狀態(tài)線(xiàn)進(jìn)行查詢(xún)（讀寄存器方式），以測(cè)知是否有外線(xiàn)呼入。

（5）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)。

（6）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(xiàn)用戶(hù),EXTERNAL指外線(xiàn)用戶(hù),DTMF指收號(hào)模塊,AUDIO指提示語(yǔ)音模塊。同時(shí),RAM-D用來(lái)存放PCM數(shù)據(jù),RAM-ADD用來(lái)存放控制RAM-D讀出的地址。

各路PCM信號(hào)在用來(lái)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(xiě)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(xiàn)交換時(shí)希望0時(shí)隙內(nèi)線(xiàn)用戶(hù)收到的時(shí)隙的標(biāo)號(hào)，這些信息由MCU總線(xiàn)寫(xiě)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(lái)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(xiàn)、外線(xiàn)、DTMF收號(hào)、提示語(yǔ)音這幾塊之間的靈活交換（DTMF和提示語(yǔ)音為單向信號(hào)，實(shí)際在同一PCM總線(xiàn)上）。

（7） 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(lái)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(mén)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(guò)三態(tài)門(mén)掛接在用戶(hù)的PCM總線(xiàn)上，需要時(shí)只要打開(kāi)對(duì)應(yīng)的三態(tài)門(mén)，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(xiàn)通話(huà)
內(nèi)線(xiàn)摘機(jī)：如果該用戶(hù)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(huà)路送到當(dāng)前有閑的DTMF模塊（如果沒(méi)有，送忙音）的時(shí)隙上，收號(hào)完成再?gòu)?DTMF時(shí)隙拿掉（或超時(shí)拆線(xiàn)），根據(jù)收號(hào)結(jié)果，看被叫用戶(hù)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(hù)被叫，則切掉該用戶(hù)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(huà)路交換，建立連接。

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

2. 外線(xiàn)通話(huà)
外線(xiàn)呼入：當(dāng)測(cè)知有外線(xiàn)呼入時(shí)，如果沒(méi)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(xiàn)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(yǔ)音編碼信號(hào)送至呼入外線(xiàn)的時(shí)隙，等待撥號(hào)完成（或超時(shí)拆線(xiàn)）。后面的過(guò)程與內(nèi)線(xiàn)通話(huà)類(lèi)似，唯一不同的是向外線(xiàn)送忙音只需拿掉送至呼入外線(xiàn)時(shí)隙的所有信號(hào)即可，而送給外線(xiàn)的回鈴音是由提示語(yǔ)音來(lái)替代的。

呼叫外線(xiàn)：在內(nèi)線(xiàn)摘機(jī)后的收號(hào)過(guò)程中，當(dāng)用戶(hù)撥號(hào)第一位為某特定數(shù)字（例如“0”），認(rèn)為是呼叫外線(xiàn)，將該話(huà)路由收號(hào)時(shí)隙拿掉，并尋找一路空閑外線(xiàn)（若無(wú)則送忙音），將話(huà)路時(shí)隙與外線(xiàn)時(shí)隙進(jìn)行交換，建立通話(huà)，后續(xù)過(guò)程與內(nèi)線(xiàn)通話(huà)相似，但僅需處理內(nèi)線(xiàn)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(xiě)SPI的前后，各進(jìn)行了一次偽寫(xiě)（即在未拉低/SS的情況下，寫(xiě)SPI）操作，以確保操作的正確。

四、結(jié)語(yǔ)
系統(tǒng)中，除語(yǔ)音至PCM編碼段外，其余話(huà)路部分實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化，可以顯著提高內(nèi)線(xiàn)通話(huà)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(hù)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。