用戶交換機是構成現代交換式通信網的重要設備，主要由用戶線接口部分、交換網絡和控制系統3大部分組成?？刂葡到y依靠存儲器中的程序和數據，引導微處理器對各種信令進行適當的處理，對交換網絡和接口實行必要的控制。由于微處理機功能的不斷增強和集成電路成本的不斷下降，人們已有可能用合理的造價生產出功能齊全的交換機。實際中實現交換系統的方案有較大差別，缺乏統一模式，這就給詳細、具體地掌握系統的內部結構帶來了一定的困難。基于以上原因，我們考慮將單片機知識與程控交換的基本原理相結合來設計簡易的交換系統。該系統采用單片機、網絡交換芯片和用戶接口電路芯片，以單片機為微控制器來實現通信系統的呼叫響應、處理、應答，話路接續(xù)，通話計時及復位拆線等基本功能。
1 系統的組成及原理?
1.1 工作原理?
本系統是依據程控交換原理設計的微型空分交換系統，系統原理框圖如圖1所示。其基本工作原理：當用戶1摘機呼叫用戶2時，交換機向主叫方發(fā)送撥號音，同時由單片機將主叫號碼送七段顯示器顯示，主叫方撥打相應號碼后，DTMF譯碼電路譯出對應的編碼并引起單片機中斷，AT89C51讀入數據同時顯示被叫號碼，此時交換機切斷撥號音并檢測被叫方狀態(tài)，若被叫用戶忙則交換機向主叫方發(fā)送忙音，否則，向被叫方送鈴流、向主叫方送回鈴音。當被叫方摘機后，交換機切斷鈴流和回鈴音，接續(xù)話路，雙方開始通話并啟動通話計時。當一方掛機后，計時停止顯示通話時間并向對方送催掛音，對方掛機后系統拆線復原。
1.2 硬件電路組成
(1)信號檢測、信號音控制電路?
信號檢測電路用來檢測用戶的狀態(tài)并接收用戶撥打的電話號碼，并根據用戶狀態(tài)啟動相應的信號音控制信號。以2個通話用戶為例，采用AT89C51的P1口與用戶接口電路相連，用以檢測是否有用戶呼叫并控制DTMF解碼電路。P1.0、P1.1用于接收主、被叫方的摘掛機信號，用戶摘機則話機經P1.0、 P1.1向AT89C51發(fā)出一高電平信號，此時表示有用戶呼叫。P1.3、P1.4通過模擬開關CD4066控制主、被叫雙方的DTMF解碼電路，高電平有效。采用8255的PC口接收話機經用戶接口發(fā)送來的電話號碼，單片機中斷時從PC口讀入數據。
信號音控制電路采用8255芯片的PA、PB口進行控制，PA0、PA1作為鈴流控制輸出信號，PA4、PA5用作回鈴音控制信號，PB0、PB1為忙控制信號，PB4、PB5為撥號音控制信號，各控制信號均為高電平有效。因此，1片8255可同時對2對用戶的信號音進行控制。單片機根據檢測到的用戶狀態(tài)產生相應信號音的控制信號，以便向用戶端發(fā)送信號音。信號檢測、信號音控制電路如圖2所示。
(2)雙音多頻解調電路
MT8870是雙列直插DTMF解碼專用電路。雙音多頻解調電路如圖3所示。
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AT89C51的P1.3、P1.4接模擬開關CD4066的13、12腳來控制MT8870的解碼，高電平時允許解碼電路工作。2個用戶的雙音多頻信號分別由CD4066的1、11腳輸入，經過MT8870內部的前置放大器送入高低頻組帶通濾波器，再經幅度檢測器進入譯碼電路，最后從輸出端輸出相應的編碼。采用CD4066還可起到隔離話音信號與DTMF信號的作用，以免對解碼造成干擾。MT8870的STD接AT89C51的INT0，當STD電平由低變高時引起單片機中斷讀取電話號碼。
(3)交換網絡電路?
電子接線器是空分交換網絡的核心部件，我們采用MT8816來完成通話雙方線路的接續(xù)。MT8816芯片是8×16的模擬開關陣列，8路列輸入/輸出（Y0~Y7）和16路行輸入/輸出（X0~X15）形成模擬交換矩陣，芯片有保持電路，可保持任一交叉點處于接通狀態(tài)，直至接收到復原信號為止，其引腳如圖4所示。AT89C51 的P0口通過列地址線AY0~AY2和行地址線AX0~AX3控制列線與行線選擇需要接通的交叉點(例如，要接通Y0和X1間的交叉點需向AY0~AY2 送000，向AX0~AX3送1000)。DATA為交叉點開關控制位，高電平時交叉點開關連通相反則斷開。RST為復位信號輸入，高電平時全部開關均置于截止狀態(tài)。STB為選通脈沖輸入，AT89C51送入列、行地址碼后還必須給STB端送一脈沖信號同時DATA置高電平，才能使MT8816完成接續(xù)工作，MT8816拆線復原的過程與接續(xù)過程類似，此時只須將DATA置低電平即可。
交換網絡向用戶端發(fā)送的各種信號音的接通和切斷可通過相應的信號音控制信號(8255的PA、PB口)選通CD4066來實現。
(4)用戶接口電路?
用戶接口電路是由用戶線接口芯片MH88612和PCM編解碼芯片TP3067組成，兩者共同完成BORSCHT七項功能。用戶線接口檢測到用戶1摘機后，MH88612的SHK引腳輸出一高電平至P1.0，AT89C51將8255的PB4端置高電平控制交換網絡向用戶1送撥號音，單片機收到正確號碼后控制系統發(fā)出振鈴控制信號即將8255的PA1置高電平并由MH88612的RC腳輸入，驅動繼電器K閉合向用戶線接口2送振鈴，同時將PA4置高電平控制交換網絡向用戶1送回鈴音。當用戶2摘機時，其接口電路的SHK腳輸入一高電平至P1.1，單片機控制MT8816接續(xù)通話線路。當任一方掛機時其相應的SHK輸出一低電平控制系統向另一方送催掛音。
線路接續(xù)成功后，話音信號經MH88612的VX輸出送入TP3067中進行編碼。PCM編碼器的抽樣頻率為8 kHz，由幀同步脈沖FSX獲得，FSX除提供PCM抽樣頻率外，還選通輸出緩存器使緩存器中的8 B，自FSX下降沿開始以主時鐘2.048 Mb/s的速率由DX端輸出至交換網絡，主時鐘由MCLKX腳輸入。PCM解碼是指將來自交換網絡的主時鐘頻率的PCM信號在幀同步信號FSR的下降沿開始時由DR接收至輸入緩存器中，其主時鐘頻率由MCLKR輸入仍為2.048 Mb/s。用戶接口電路如圖5所示。?
(5)其他電路?
交換機向用戶發(fā)送的鈴流信號是25 Hz、幅度為90 V的方波信號，撥號音、回鈴音、忙音、催掛音是通過控制450 Hz交流信號的斷續(xù)時間來產生的，各種信號音可由單片機編程產生，但為避免程序過于復雜，使AT89C51更好的對系統主要部分進行監(jiān)控，設計中各種信號音的產生均采用硬件電路完成，可由555芯片配以適當的外圍電路產生各種信號音。
顯示電路主要利用了8155芯片作為AT89C51的擴展輸出口，由8155、74LS240和MC1413及七段LED組成，用來顯示主叫、被叫方號碼及通話時間。8155的PA口與MC1413相連經反相后作為數碼管的位選信號，PB口經74LS240作為段選信號送數碼管顯示，片選信號接 AT89C51的P2.7。由于整個系統較為復雜，在顯示電路的調試過程中我們只采用了5位數碼顯示管，中間3位顯示通話時間(1位分鐘，2位秒針)，前后2位分別顯示主被叫方的代號(如用戶1用1表示，用戶2用2表示)，但只須對程序稍加變動既可使分別顯示主被叫放的電話號碼和通話時間。
2 軟件設計?
(1)系統初始化程序?
對AT89C51設置中斷及內部數據存儲器單元清零，8155和8255進行端口功能設置。?
(2)主叫摘機檢測程序?
主叫方摘機后，顯示電路顯示主叫號碼，撥號音控制信號置高電平，交換網絡向主叫方送撥號音，等待主叫方撥打電話號碼。?
(3)撥號檢測與等待摘機程序?
檢測到撥號脈沖后，立刻切斷撥號音，AT89C51響應中斷讀取電話號碼對應的二進制編碼。若被叫號碼對應的話機不存在或被叫方處于狀態(tài)，則忙音控制信號置高電平，交換網絡向主叫方送忙音，催其掛機；若號碼檢測正確則鈴流控制信號置、回鈴音控制信號置高電平，交換網絡向被叫方送鈴流信號，同時向主叫方送回鈴音。?
(4)話路接續(xù)程序?
檢測到被叫方摘機信號后，系統停止發(fā)送鈴流和回鈴音，AT89C51啟動MT8816接通通話線路。?
(5)計時與通話檢測程序?
線路一旦接續(xù)成功，雙方即可進行通話，AT89C51內部時鐘計時開始，通過8155芯片加以顯示。對用戶狀態(tài)進行判斷，當檢測到任一方掛機信號后，跳出計時程序交換網絡向未掛機用戶送催掛音（本系統中催掛音用忙音代替），雙方掛機后，AT89C51控制MT8816拆除通話線路，回初始化程序重新等待用戶摘機。
(6)顯示程序?
動態(tài)顯示主、被叫方的電話號碼及通話時間。?
3 結語
本系統除了能模擬市話進行正常的通信外，還附加了在通話的同時顯示通話時間和主被叫號碼的功能。只要對該系統進行適當的擴展后，可用于樓層內部間的電話通訊還可用作通信專業(yè)程控交換原理課程的實驗設備。
參考文獻
［1］朱世華.程控數字交換原理與應用［M］.西安: 西安交通大學出版社, 1993
［2］郝建國，趙英杰.通用集成電路大全［M］.北京: 人民郵電出版社, 1997
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