单片机控制的小型简易程控交换系统.doc
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1、南通纺织职业技术学院单片机程控交换机的分析摘 要:介绍了一种基于单片机控制的小型程控空分交换系统,他能模仿市话呼叫处理的各种基本功能。对该系统的硬件组成、软件设计、工作原理、各部分功能进行了详细地论述。 关键词:单片机、交换网络、用户线接口引言在现代生活中,电话已成为传递、交换信息不可缺少的通信工具。电话交换接续技术也在不断地发展,从人工交换机,到了程控电话交换机。打电话看来很简单,其实不然。每接通一次电话,在电话交换机里都是各个电路单元相互配合工作的结果。当你拿起电话听筒准备打电话时,电话就立即作好接线准备。你每拨一个号码,就有专门负责这个号码的机器找到适当的接线位置,一级一级地接下去,直到
2、拨完号码,交换机就为你找到了被叫用户。程控电话交换机是采用电子计算机作为控制设备,由计算机中存储的程序(也称软件)来控制电话的交换接续工作。把“存储程序控制”方式简称为“程控”。用户安装使用程控交换机的电话,就叫作“程控自动电话”,简称“程控电话”。程控电话具有接续速度快、声音清晰等特点。更可贵的是,用户一旦安装了程控电话,除了可以进行一般的电话通信外,程控自动电话交换机还可根据用户的申请为其开放多种服务项目。随着移动通信技术的发展,电话也在船舶上安了家.这些无线电话广泛地应用于业务联系,定时报告船位和进出港日期,听取陆地调动指挥,船上的海员还可以利用无线电话在遥远的大洋中向陆地上的亲属说点悄
3、悄话,使得寂寞的海上生活多一些温暖和欢笑.安全通信历来是海上移动通信的重要内容.在海上航行的船舶,随时面对着风浪,暗礁,浅滩以及相撞的危险,电话给船员们带来更多的安全.用户交换机是构成现代式通信网的重要设备,主要由用户线接口部分、交换网络和控制系统3大部分组成。控制系统依靠存储器中的程序和数据,引导微处理器对各种信令进行适当的处理,对交换网络和接用户交换机是构成现代交换式通信网的重要口实行必要的控制。由于微处理机功能的不断增强和集成电路成本的不断下降,人们已有可能用合理的造价生产出功能齐全的交换机。实际中实现交换系统的方案有较大差别,缺乏统一模式,这就给详细、具体地掌握系统的内部结构带来了一定
4、的困难。基于以上原因,我们考虑将单片机知识与程控交换的基本原理相结合来设计简易的交换系统。该系统采用单片机、网络交换芯片和用户接口电路芯片,以单片机为微控制器来实现通信系统的呼叫响应、处理、应答,话路接续,通话计时及复位拆线等基本功能。 交换机电路包括CPU板,公共控制板,用户板,双音频板及电源.如下图(1)所示:图1 交换机结构方框图每块用户板有四个指示灯来显示各用户的工作状态,当交换机对某用户振铃时,对应的指示灯以1秒亮,4秒灭的规律不断闪亮.用户摘机时,对应的指示灯常亮. 电源是将输入的交流220V或直流24V电压,变换成交换机所需要的+5V,+12V,DC24V直流电压和AC75V(2
5、5Hz)的铃流电压.当交流电源和直流电源同时加到交换机上时,则由交流电源供电,直流电源为备份.电源单元具有过压和过流保护功能. 为了确保交换机电源工作的安全,在接线板上安装了保险丝,交流供电的保险丝规格为1A,直流供电的保险丝规格为5A. 本设备的每一个接口电路(振铃检测、模拟摘挂机、语音反馈、双音频解码等)都已经经过实际的交换机在线实验,具有很强的实用性。本设备使用最简单的电路、最便宜的电路芯片实现了完善的功能。本系统还有许多可以添加的功能,具有很强的市场前景。1 程控交换机的具体设计要求 主要技术指标适应话机号盘参数: 脉冲速度为812脉冲/秒,断续比(1.32.2):1 DTMF信号电平
6、: 高频群-7MdB3dB,低频群-9MdB3dB 用户线路参数: 用户线最大环路电阻不小于400. 信号音:拨号音 频率45025HZ,电平-103 dB,失真度10% 回铃音 频率45025HZ,通断时间为1秒通,4秒断 忙 音 频率45025HZ,通断时间0.35秒:0.35秒 传输衰耗: 内部通话回路的传输衰耗不大于2.0dB. 串音衰耗: 任意两通话回路的串音衰耗不小于68dB. 对地不平衡度: 不小于46dB. 杂音: 电话加权杂音电平小于-67dB 中继: 中继接口闭合的直流电阻不大于300,开路电阻大于100K. 铃流: 频率253HZ,电压7515V,失真度10% 供电 :A
7、C220V10%(50/60HZ) DC24V15% 2 硬件电路分析21系统的组成及原理 工作原理在分析交换机一开始,我就想好了采用模块化分析,这也为以后的调试省下很多时间,具体的整部电路原理图我放在最后的附录上了。铃流及信号音电路用户接口1用户接口2交换网络单 片 机编码时钟电路DTMF解码显示电路PCM编解码图2 交换机系统原理方框图 本系统是依据程控交换原理设计的微型空分交换系统,系统原理框图如图2所示。其基本工作原理:当用户1摘机呼叫用户2时,交换机向主叫方发送拨号音,同时由单片机将主叫号码送七段显示器显示,主叫方拨打相应号码后,DTMF译码电路译出对应的编码并引起单片机中断,AT8
8、9C51读入数据同时显示被叫号码,此时交换机切断拨号音并检测被叫方状态,若被叫用户忙则交换机向主叫方发送忙音,否则,向被叫方送铃流、向主叫方送回铃音。当被叫方摘机后,交换机切断铃流和回铃音,接续话路,双方开始通话并启动通话计时。当一方挂机后,计时停止显示通话时间并向对方送催挂音,对方挂机后系统拆线复原。22硬件电路组成2.2.1信号检测、信号音控制电路。图3 信号检测信号检测电路(如图3)用来检测用户的状态并接收用户拨打的电话号码,并根据用户状态启动相应的信号音控制信号。以2个通话用户为例,采用AT89C51的P1口与用户接口电路相连,用以检测是否有用户呼叫并控制DTMF解码电路。P1.0、P
9、1.1用于接收主、被叫方的摘挂机信号,用户摘机则话机经P1.0、P1.1向AT89C51发出一高电平信号,此时表示有用户呼叫。P1.3、P1.4通过模拟开关CD4066控制主、被叫双方的DTMF解码电路,高电平有效。采用8255的PC口接收话机经用户接口发送来的电话号码,单片机中断时从PC口读入数据。图4 信号音控制电路 信号音控制电路(如图4)采用8255芯片的PA、PB口进行控制,PA0、PA1作为铃流控制输出信号,PA4、PA5用作回铃音控制信号,PB0、PB1为忙控制信号,PB4、PB5为拨号音控制信号,各控制信号均为高电平有效。因此,1片8255可同时对2对用户的信号音进行控制。单片
10、机根据检测到的用户状态产生相应信号音的控制信号,以便向用户端发送信号音。2.2.2双音频解码电路输入电路高频组带通滤波器低频组带通滤波器过零检测器过零检测器码 变 换锁 存 与 缓 冲信 号 输 入图5 DTMF接收原理框图DTMF接收器包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器,其基本原理如图4所示。DTMF接收器先经高、低频组带滤波器进行f(L)/f(H)区分,然后过零检测、比较、得到相应DTMF的两路f(L)、f(H)信号输出。该两路经译码、锁存、缓冲,恢复成对应于16种DTMF信号的4比特二进制(D1D4) 双音频解码芯片如图5所示:图6 MT8870双音频解码芯片该电路的基本特性:提供D
11、TMF信号分离滤波和译码功能,输出相应16种DTMF频率组合的4位并行二进制码可外接3.579545MHz晶振,与内部振荡器产生基准频率信号具有抑制拨号音和模拟信号输入增益可调的能力二进制码为三态输出提供基准电压输出电源:+5V功耗:15mwMT8870芯片引脚功能如表1所示:引脚符号功能引脚符号功能1、2IN+、-DTMF信号输入端9VSS电源负端3GS放大器输出信号10OEI数据输出允许4VREF参考电压输出1114Q0Q38421码输出端5TSI内连点15DV数据输出有效端6PD内连点16EST初始控制输出7OSC1震荡输入端17ST/GT控制输入/时间监视8OSC2震荡输出端18VDD
12、电源正端表1是MT8870的引脚功能。 双音多频DTMF信号解码电路由MT8870主要承担。MT8870的连线如图6所示:图6 双音多频DTMF信号解码电路AT89C51的P1.3、P1.4接模拟开关CD4066的13、12脚来控制MT8870的解码,高电平时允许解码电路工作。2个用户的双音多频信号分别由CD4066的1、11脚输入,经过MT8870内部的前置放大器送入高低频组带通滤波器,再经幅度检测器进入译码电路,最后从输出端输出相应的编码。采用CD4066还可起到隔离话音信号与DTMF信号的作用,以免对解码造成干扰。MT8870的STD接AT89C51的INT0,当STD电平由低变高时引起
13、单片机中断读取电话号码。DTMF板测试接上交流电源线; 先打开交流开关,指示发光二极管D00亮后,再分别按下直流输出开J8,J9.此时实验箱上的六组电源已供电,各自发光二极管亮.此时,CPU将对系统进行初始化处理,当LCD显示实验提示后,即可进行实验; 用户1,用户3接上电话机; 用户1摘机,开始拨打号码,即按电话机上的任意键,用示波器的直流档对以下测量点进行观察并记录波形: TPDTMF:当有键按下时有双音多频信号,无键按下时无信号; TPSDT:当无键按下时该点为高电平,有键按下时该点是低电平(脉冲); TP11:当有键按下时有双音多频信号,无键按下时无信号. 按不同的键时,其双音多频信号
14、的波形不一样,要仔细观察; 在按键过程中观察发光二极管D3D0与所按键值的关系:(显示二极管是在该按键抬起的瞬间发生改变的) D3D0对应的是8421码,如按下的键值为5时,对应的码字为0101,发光二极2.2.3交换网络电路 MT88165的工作原理:MT88165是CMOS大规模集成电路芯片。是一片8 * 16 模拟交换矩阵,如图7所示:图7 MT88165交换矩阵示意图图中有8条COL线(COL0-COL7)和16条ROW线(ROW0ROW15),形成一个模拟交换矩阵.它们可以通过任意一个交叉点接通.芯片有保持功能,因此可以保持任一交叉点处于接通状态,直至有断开控制信号或复位信号为止.C
15、PU 可以通过地址线 ACOL2ACOL0和数据线AROW3AROW0控制和选择需要接通的交叉点号.ACOL2ACOL0管COL7 COL0中的一条线;ACOL7ACOL0编成二进制码,经过译码以后就可以接通交叉点相应的 COLi.数据线AROW3AROW0管ROW15ROW0中的一条;AROW3AROW0也是编码的,经过译码以后就可以接通交叉点相应的ROWi.也就是说,通过控制相应的COLi和ROWi以接通有关的交叉点.例如要接通COL1和ROW8之间的交叉点.这时一方面向ACOL2ACOL0送001,另一方面向AROW3 AROW0送 1000.并使DI为高电平,当送出地址启动门ST时,就
16、可以将相应交叉点接通了,图中还有一个端子叫RESET复位端.当RESET为1时,全部交叉点就断开了. 电子接线器速度快,驱动要求低,并能自己保持.因此使用起来十分方便. 其它型号的芯片的基本原理也大致相同.区别只是容量不一样. 电子接线器的优点是体积小,价格便宜,它的缺点是导通电阻较机械接点大(一般几十欧姆到一百欧姆),并且串音衰耗也较机电的接线器小,因此电子接线器组成的交换网络和由机械接点组成的交换网络也有所区别. 用户交换电路图8 用户交换电路 电子接线器是空分交换网络的核心部件,我采用MT88165来完成通话双方线路的接续(如图8所示)。MT88165芯片是816的模拟开关阵列,8路列输
17、入/输出(Y0Y7)和16路行输入/输出(X0X15)形成模拟交换矩阵,芯片有保持电路,可保持任一交叉点处于接通状态,直至接收到复原信号为止。 AT89C51 的P0口通过列地址线AY0AY2和行地址线AX0AX3控制列线与行线选择需要接通的交叉点(例如,要接通Y0和X1间的交叉点需向AY0AY2送000,向AX0AX3送1000)。DATA为交叉点开关控制位,高电平时交叉点开关连通相反则断开。RST为复位信号输入,高电平时全部开关均置于截止状态。STB为选通脉冲输入,AT89C51送入列、行地址码后还必须给STB端送一脉冲信号同时DATA置高电平,才能使MT88165完成接续工作,MT881
18、65拆线复原的过程与接续过程类似,此时只须将DATA置低电平即可。 交换网络向用户端发送的各种信号音的接通和切断可通过相应的信号音控制信号(8255的PA、PB口)选通CD4066来实现。交换网络电路测试步骤: 接上交流电源线; 先打开交流开关,指示发光二极管 D00 亮后,再分别按下直流输出开关 J8,J9.此时实验箱上的六组电源已供电,各自发光二极管亮.此时,CPU将对系统进行初始化处理,当LCD显示实验提示后,即可进行测试; 将四个用户接上电话机; 首先用户1呼叫用户3,并进行通话,然后用户2呼叫用户4通话; 用双踪示波器观察 用户1说话时(或按电话上的任意键), (用户1的去话), (
19、用户3的来话)有语音波形(或双音多频信号),且波形一致,只是(用户1的去话)的幅值比(用户3的来话)的幅值大;不说话时无波形; 用户3说话时(或按电话上的任意键), (用户3的去话), (用户1的来话)有语音波形(或双音多频信号),且波形一致,只是(用户3的去话)的幅值比(用户1的来话)的幅值大;不说话时无波形; 用户2说话时(或按电话上的任意键), (用户2的去话), (用户4的来话)有语音波形(或双音多频信号),且波形一致,只是(用户2的去话)的幅值比(用户4的来话)的幅值大;不说话时无波形; 用户4说话时(或按电话上的任意键), (用户4的去话), (用户2的来话)有语音波形(或双音多频
20、信号),且波形一致,只是(用户4的去话)的幅值比(用户2的来话)的幅值大;不说话时无波形. 2.2.4用户接口电路用户接口电路方框图如下图6所示:震铃过压保护馈电测试监测混合编码器编码器控制系统交换网络用户接口图9 用户接口电路方框图用户接口电路是由用户线接口芯片MH88615和PCM编解码芯片TP3067组成,如图(9)。两者共同完成BORSCHT七项功能。用户线接口检测到用户1摘机后,MH88615的SHK引脚输出一高电平至P1.0,AT89C51将8255的PB4端置高电平控制交换网络向用户1送拨号音,单片机收到正确号码后控制系统发出振铃控制信号即将8255的PA1置高电平并由MH886
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