小型程控電路交換機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
方便、快捷的公共交換電話網(wǎng)(PSTN)線路遍布世界各地，已經(jīng)成為生活中不可缺少的部份，它具有成本低，范圍廣，重復(fù)建設(shè)少等優(yōu)點(diǎn)。PSTN通信網(wǎng)基于電路交換方式，其核心設(shè)備——電路交換機(jī)如同是交換網(wǎng)的“立交橋”。交換技術(shù)從早期的人工交換、機(jī)電交換發(fā)展到電子交換，從模擬交換發(fā)展到數(shù)字交換，從布控發(fā)展到程控。如今先進(jìn)的電路交換機(jī)同時采用數(shù)字交換、空分交換、時隙交換和程序控制等技術(shù)，因此具有抗干擾能力強(qiáng)，交換容量大以及控制靈活等特點(diǎn)。
目前市場上類似高端產(chǎn)品，如日本NEC公司生產(chǎn)的NEAX一61系列、美國AT&T公司生產(chǎn)的No．5ESS系列等。這類產(chǎn)品都擁有強(qiáng)勁的性能，超高的穩(wěn)定性和完善的支援系統(tǒng)，自然也就擁有天價。而在市場上大多數(shù)產(chǎn)品雖然稱為“程控交換機(jī)”，但據(jù)其表現(xiàn)，充其量只能算是一個電話線路分離器，無論是在參數(shù)指標(biāo)上還是在可靠性等方面，都沒有很好地達(dá)到國際電信協(xié)會建議的標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)部分的機(jī)型仍然運(yùn)用模擬電路搭建交換陣列，導(dǎo)致可靠性差。
該設(shè)計(jì)是將在程控交換里應(yīng)用廣泛的“電路交換”以實(shí)物的形式體現(xiàn)出來。這臺小型程控交換機(jī)模擬了程控交換網(wǎng)中的電路交換的全過程，既可以形象的作為教學(xué)的實(shí)物例子，也是一臺實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)小型電話交換機(jī)，其性能很好地達(dá)到國際電信協(xié)會建議的標(biāo)準(zhǔn)。稍加改進(jìn)后又可用于諸如視頻信號傳輸系統(tǒng)、智能家居管理系統(tǒng)、樓宇門禁管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信號傳輸和小區(qū)安防管理系統(tǒng)等。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)是一個8口(含一個中繼接口)小型程控電話交換機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。用戶終端和中繼設(shè)備通過接口電路，經(jīng)由CPU模塊控制的交換網(wǎng)絡(luò)控制各個話路的接續(xù)和釋放。
1．1 系統(tǒng)模塊
按功能可分為MCU模塊、I／O擴(kuò)展模塊、“看門狗”模塊、雙音多頻(Double Tone MultiFrequency，DTMF)模塊、空分交換模塊、信號音模塊、電源模塊、用戶接口模塊、中繼模塊、振鈴模塊。
MCU模塊是整個系統(tǒng)的核心。上電后，由MCU模塊對周邊各個模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后，掃描用戶端口的狀態(tài)，并根據(jù)端口狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的指令。
I／O擴(kuò)展模塊是因?yàn)閱纹瑱C(jī)I／O口數(shù)量不夠，必須進(jìn)行I／O口的擴(kuò)展。采用一片8255A并行I／O擴(kuò)展芯片對外進(jìn)行擴(kuò)展，可將I／0口數(shù)量擴(kuò)充到原先的2倍。
“看門狗”模塊是一個定時復(fù)位芯片，當(dāng)系統(tǒng)程序出現(xiàn)“跑飛”或者由于外界干擾等一系列原因而出現(xiàn)異常時，將產(chǎn)生一個RESET(復(fù)位)信號，讓系統(tǒng)恢復(fù)正常，因此，“看門狗”模塊對于系統(tǒng)來說是非常重要的。DTMF模塊實(shí)現(xiàn)對雙音多頻信號的接收、譯碼功能。當(dāng)DTMF模塊收到有效的DTMF信號時，以一個中斷的形式向MCU發(fā)出請求，MCU響應(yīng)采取相應(yīng)的收號操作。空分交換模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的話路切換、信號音的傳送。信號音模塊提供符合國際電信標(biāo)準(zhǔn)的撥號音、提示音以及忙音等提示音。信號音通過空分交換模塊與用戶接口相連。電源模塊提供程控交換機(jī)所需的一48 V和±5 V饋電。其中：±5 V提供給DTMF模塊、空分交換模塊、中繼模塊；+5 V提供給MCU模塊、I／O擴(kuò)展模塊、“看門狗”模塊、信號音模塊、用戶接口模塊；一48 V提供給用戶接口模塊、振鈴模塊；用戶接口模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行2／4線轉(zhuǎn)換，將電話線上的TIP—RING信號轉(zhuǎn)換成可以在空分交換矩陣中傳輸?shù)?線制信號?？紤]到防雷等安全性，還在用戶接口上進(jìn)行了防雷處理，可承受4 000 V的雷擊。
中繼模塊是一個用于與電信運(yùn)營商大型程控交換機(jī)進(jìn)行級聯(lián)的接口，它要求具有模擬摘掛機(jī)、振鈴響應(yīng)、2變4線轉(zhuǎn)換的功能，模擬摘掛機(jī)是提供給電信運(yùn)營商交換機(jī)的一個模擬信號，振鈴響應(yīng)是指響應(yīng)中繼接口上的振鈴信號。
振鈴模塊提供符合國際電信標(biāo)準(zhǔn)的90VAC 25 Hz的振鈴信號，該振鈴信號送至用戶接口模塊，即可實(shí)現(xiàn)振鈴提示。
1．2 功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對各個用戶接口模塊、I／O擴(kuò)展模塊、空分交換模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定這幾個模塊的工作方式，并賦初值。由MCU模塊(AT89C55單片機(jī))對各路話機(jī)的端口進(jìn)行掃描，每個用戶接口都有1個摘機(jī)標(biāo)志位，接至單片機(jī)的1個I／O口，讀取這幾個I／O口的值，即可判斷出對應(yīng)的話機(jī)摘、掛機(jī)狀態(tài)。識別用戶摘機(jī)后，程序控制將話機(jī)的輸出與DTMF模塊相連接，進(jìn)行雙音多頻信號的譯碼，每收到一個DTMF信號，DTMF模塊即可譯出相應(yīng)的BCD碼，同時給單片機(jī)送1個“己譯出”的信號，作為中斷信號使單片機(jī)轉(zhuǎn)至控制I／0擴(kuò)展模塊讀出譯出的BCD碼。振鈴的功能由振鈴模塊配合振鈴控制模塊來實(shí)現(xiàn)的。振鈴模塊僅產(chǎn)生一個幅度90 V，頻率25 Hz的高壓交流信號；振鈴控制模塊產(chǎn)生通l s斷4 s的脈沖信號，控制高壓交流信號的通斷比。信號音由3個獨(dú)立的555電路產(chǎn)生。信號頻率為450 Hz的撥號音信號；通1 s斷4 s的回鈴音信號；通O．5 s斷0．5 s的忙音信號。鏈路建立主要是由一個空分交換IC“MT8816”的芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片具有鏈路導(dǎo)通阻抗低和自我保持功能。對該Ic的控制端口寫控制字，對地址控制口寫交換地址值即可實(shí)現(xiàn)鏈路的交換。
用戶接口芯片MH88612C，配合少量的外部分立元件較好地實(shí)現(xiàn)了BORSC：HT七項(xiàng)功能中的5項(xiàng)，進(jìn)行2／4線轉(zhuǎn)換，摘掛機(jī)標(biāo)識等功能。
2 硬件主要部份設(shè)計(jì)
系統(tǒng)模塊較多．所需技術(shù)涉及模擬電子、數(shù)字電子、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制圖等多方面，因篇幅有限，僅介紹比較特殊的幾個主要功能模塊。
2．1 用戶接口模塊
用戶接口模塊主要采用的是加拿大Mitel公司的M卜t88612C接口芯片。芯片是2／4線厚膜混合用戶線接口電路。包含功能有：恒流饋電、饋送鈴流、摘機(jī)后自行截除鈴流、摘掛機(jī)的檢測及音頻或脈沖信號的識別、接口否有話機(jī)、語音信號的2／4線轉(zhuǎn)換以及外接振鈴繼電器驅(qū)動輸出。芯片用戶電路的雙向傳輸衰耗均為一1 dB，供電電源+5 V，一5 V和一48 V，接口電路原理如圖2所示。
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用戶摘機(jī)后，MH88612C向單片機(jī)模塊發(fā)出摘機(jī)信號；在撥號期間，VX端發(fā)出用戶話機(jī)的DTMF信號；接續(xù)期間，經(jīng)過交換矩陣構(gòu)成通信鏈路，這時話音雖還被當(dāng)成DTMF信號，但不符合鍵值標(biāo)準(zhǔn)，不會產(chǎn)生誤碼。為增強(qiáng)抗雷擊性能，在P1(RJll接口)上加裝有壓敏電阻，配合內(nèi)部的保護(hù)電路，可以防止雷擊。
2．2 DTMF(雙音多頻信號)模塊
DTMF是用2個特定的單音頻組合信號來代表數(shù)字信號以實(shí)現(xiàn)其功能的一種編碼技術(shù)。又稱之為“8中取2”的編碼技術(shù)。用這8種頻率可形成16種不同的組合，從而代表16種不同的數(shù)字或功能鍵。雙音多頻解碼方案有多種：方案A：采用加拿大Mitel公司生產(chǎn)的MT8870或者HM9270D進(jìn)行解碼；方案B：采用加拿大Mitel公司生產(chǎn)的MT8880或者M(jìn)T8888通過寫命令字進(jìn)行解碼；方案c：采用模擬電路搭建一個雙音多頻解碼電路；方案c是最經(jīng)濟(jì)的，但難度也大，且需要大量的時間，故不考慮。在設(shè)計(jì)初期采用方案B，盡管MT8888或者M(jìn)T8880在譯碼的效果上要比方案A中的MT8870的效果好，到中后期發(fā)現(xiàn)，方案B需要對其寫命令字，占用了過多的單片機(jī)I／O口，所以放棄了方案B而轉(zhuǎn)去選擇方案A，MT8870單片機(jī)價格在5元左右。MT8870為CMOS電路，DIP-18分裝，它具有DTMF信號分離濾波和譯碼功能，硬件原理如圖3所示。
雙音多頻模塊的原理圖由DTMF解碼和譯碼顯示兩部份構(gòu)成。DTMF解碼部份由MT8870及其周邊元件構(gòu)成；譯碼顯示部份由地址鎖存器74LS373、顯示譯碼器74LS48、共陰數(shù)碼管構(gòu)成。[!--empirenews.page--]
2．3 空分交換模塊
空分交換是指在各實(shí)線通道間切換，現(xiàn)代程控交換系統(tǒng)中使用的交叉接點(diǎn)均是大規(guī)模集成電路構(gòu)成的交換矩陣，具有開關(guān)速度快(微秒級)，體積小，功耗小，無機(jī)械磨損，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
在該系統(tǒng)里，采用加拿大Mitel公司生產(chǎn)的MT8816電路芯片，交換矩陣如圖4所示。
單片機(jī)通過地址線ACOL2～ACOL0控制COL7～COL0中的一條線、通過地址線AROW3～AROW0控制ROWl5～ROW0中的1條。例如要接通ROW0和cOL3，就給ARow地址線送0000，給ACOL地址線送011。當(dāng)送出地址啟動門ST時，就可以將相應(yīng)交叉點(diǎn)接通，當(dāng)DI為低電平時，相應(yīng)的接點(diǎn)就斷開。
接在COL7～COL0端的是用戶的受話端VR7～VR0；而ROWl5～ROW0中的ROW7～ROW0端接用戶的收話端VX7～VX0，ROWl5～ROW8用于接提示信號音，實(shí)現(xiàn)了電路交換，包括主、被叫和信號音的傳輸，硬件原理如圖5所示。
2．4 “看門狗”模塊
為了確?？煽啃裕€采用外置“看門狗”模塊，它是一種定時復(fù)位的定時器電路。在一定的時間內(nèi)必需向“看門狗”電路傳送一個復(fù)位信號(為了避免與單片機(jī)的復(fù)位信號混淆，稱之為“喂狗”)，在接收到這個“喂狗”信號，定時器復(fù)位，從頭開始計(jì)時，直到下一次“喂狗”，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有“喂狗”信號，則“看門狗”給單片機(jī)一個復(fù)位信號。
本次設(shè)計(jì)，采用的芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX813L復(fù)位芯片，MAX813L采用DIP一8封裝，體積小巧，“喂狗”周期為1．6 s，即在1．6 s內(nèi)給MAX813L一個復(fù)位信號。MAX813L還具有掉電檢測的功能，當(dāng)電壓檢測端的電壓低于1．25 V，即給出一個復(fù)位信號。
3 功能與應(yīng)用
該系統(tǒng)調(diào)試成功后，可以實(shí)現(xiàn)8部話機(jī)(含中繼接口)的互相呼叫及通話，工作可靠，實(shí)時性高，實(shí)現(xiàn)了電信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完全可以當(dāng)做一個小的集團(tuán)電話來使用。
在該系統(tǒng)里應(yīng)用到的多種技術(shù)，把它們獨(dú)立開來就是以下幾套完全可行的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。
(1)DTMF模塊完全可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程的工業(yè)控制，DTMF信號可以在無中繼放大的情況下進(jìn)行l(wèi)okm的通信，這個通信距離是相當(dāng)可觀的。
(2)MT8816空分交換芯片在民用和工用方面也得到廣泛的采用。
(3)用戶接口模塊完全可以不加改動運(yùn)用于諸如“智能家居系統(tǒng)”中的用戶接口模塊，目前的“智能家居系統(tǒng)”較為廣泛采用模擬電路搭建接口電路，在可靠性和穩(wěn)定性方面跟接口模塊差距很大，并且接口模塊自身所帶的2／4線轉(zhuǎn)換功能可以為電路的搭建省去非常多的麻煩。中繼接口可以方便的連接公共交換網(wǎng)(PSTN)，應(yīng)用于“智能家居系統(tǒng)”或遠(yuǎn)程控制。
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