小型程控電路交換機的硬件設計
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方便、快捷的公共交換電話(huà)網(wǎng)(PSTN)線(xiàn)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，重復建設少等優(yōu)點(diǎn)。PSTN通信網(wǎng)基于電路交換方式，其核心設備――電路交換機如同是交換網(wǎng)的“立交橋”。交換技術(shù)從早期的人工交換、機電交換發(fā)展到電子交換，從模擬交換發(fā)展到數字交換，從布控發(fā)展到程控。如今先進(jìn)的電路交換機同時(shí)采用數字交換、空分交換、時(shí)隙交換和程序控制等技術(shù)，因此具有抗干擾能力強，交換容量大以及控制靈活等特點(diǎn)。
目前市場(chǎng)上類(lèi)似高端產(chǎn)品，如日本NEC公司生產(chǎn)的NEAX一61系列、美國ATT公司生產(chǎn)的No．5ESS系列等。這類(lèi)產(chǎn)品都擁有強勁的性能，超高的穩定性和完善的支援系統，自然也就擁有天價(jià)。而在市場(chǎng)上大多數產(chǎn)品雖然稱(chēng)為“程控交換機”，但據其表現，充其量只能算是一個(gè)電話(huà)線(xiàn)路分離器，無(wú)論是在參數指標上還是在可靠性等方面，都沒(méi)有很好地達到國際電信協(xié)會(huì )建議的標準，相當部分的機型仍然運用模擬電路搭建交換陣列，導致可靠性差。
該設計是將在程控交換里應用廣泛的“電路交換”以實(shí)物的形式體現出來(lái)。這臺小型程控交換機模擬了程控交換網(wǎng)中的電路交換的全過(guò)程，既可以形象的作為教學(xué)的實(shí)物例子，也是一臺實(shí)用的標準小型電話(huà)交換機，其性能很好地達到國際電信協(xié)會(huì )建議的標準。稍加改進(jìn)后又可用于諸如視頻信號傳輸系統、智能家居管理系統、樓宇門(mén)禁管理系統、遠程信號傳輸和小區安防管理系統等。
1 系統結構
本系統是一個(gè)8口(含一個(gè)中繼接口)小型程控電話(huà)交換機，系統結構如圖1所示。用戶(hù)終端和中繼設備通過(guò)接口電路，經(jīng)由CPU模塊控制的交換網(wǎng)絡(luò )控制各個(gè)話(huà)路的接續和釋放。
1．1 系統模塊
按功能可分為MCU模塊、I／O擴展模塊、“看門(mén)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(hù)接口模塊、中繼模塊、振鈴模塊。
MCU模塊是整個(gè)系統的核心。上電后，由MCU模塊對周邊各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后，掃描用戶(hù)端口的狀態(tài)，并根據端口狀態(tài)執行相應的指令。
I／O擴展模塊是因為單片機I／O口數量不夠，必須進(jìn)行I／O口的擴展。采用一片8255A并行I／O擴展芯片對外進(jìn)行擴展，可將I／0口數量擴充到原先的2倍。
“看門(mén)狗”模塊是一個(gè)定時(shí)復位芯片，當系統程序出現“跑飛”或者由于外界干擾等一系列原因而出現異常時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)RESET(復位)信號，讓系統恢復正常，因此，“看門(mén)狗”模塊對于系統來(lái)說(shuō)是非常重要的。DTMF模塊實(shí)現對雙音多頻信號的接收、譯碼功能。當DTMF模塊收到有效的DTMF信號時(shí)，以一個(gè)中斷的形式向MCU發(fā)出請求，MCU響應采取相應的收號操作?？辗纸粨Q模塊是整個(gè)系統的關(guān)鍵，實(shí)現整個(gè)系統的話(huà)路切換、信號音的傳送。信號音模塊提供符合國際電信標準的撥號音、提示音以及忙音等提示音。信號音通過(guò)空分交換模塊與用戶(hù)接口相連。電源模塊提供程控交換機所需的一48 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擴展模塊、“看門(mén)狗”模塊、信號音模塊、用戶(hù)接口模塊；一48 V提供給用戶(hù)接口模塊、振鈴模塊；用戶(hù)接口模塊負責進(jìn)行2／4線(xiàn)轉換，將電話(huà)線(xiàn)上的TIP―RING信號轉換成可以在空分交換矩陣中傳輸的4線(xiàn)制信號?？紤]到防雷等安全性，還在用戶(hù)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(gè)用于與電信運營(yíng)商大型程控交換機進(jìn)行級聯(lián)的接口，它要求具有模擬摘掛機、振鈴響應、2變4線(xiàn)轉換的功能，模擬摘掛機是提供給電信運營(yíng)商交換機的一個(gè)模擬信號，振鈴響應是指響應中繼接口上的振鈴信號。
振鈴模塊提供符合國際電信標準的90VAC 25 Hz的振鈴信號，該振鈴信號送至用戶(hù)接口模塊，即可實(shí)現振鈴提示。
1．2 功能實(shí)現
系統上電復位后，依次對各個(gè)用戶(hù)接口模塊、I／O擴展模塊、空分交換模塊進(jìn)行初始化，設定這幾個(gè)模塊的工作方式，并賦初值。由MCU模塊(AT89C55單片機)對各路話(huà)機的端口進(jìn)行掃描，每個(gè)用戶(hù)接口都有1個(gè)摘機標志位，接至單片機的1個(gè)I／O口，讀取這幾個(gè)I／O口的值，即可判斷出對應的話(huà)機摘、掛機狀態(tài)。識別用戶(hù)摘機后，程序控制將話(huà)機的輸出與DTMF模塊相連接，進(jìn)行雙音多頻信號的譯碼，每收到一個(gè)DTMF信號，DTMF模塊即可譯出相應的BCD碼，同時(shí)給單片機送1個(gè)“己譯出”的信號，作為中斷信號使單片機轉至控制I／0擴展模塊讀出譯出的BCD碼。振鈴的功能由振鈴模塊配合振鈴控制模塊來(lái)實(shí)現的。振鈴模塊僅產(chǎn)生一個(gè)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(gè)獨立的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(gè)空分交換IC“MT8816”的芯片來(lái)實(shí)現，該芯片具有鏈路導通阻抗低和自我保持功能。對該Ic的控制端口寫(xiě)控制字，對地址控制口寫(xiě)交換地址值即可實(shí)現鏈路的交換。
用戶(hù)接口芯片MH88612C，配合少量的外部分立元件較好地實(shí)現了BORSC：HT七項功能中的5項，進(jìn)行2／4線(xiàn)轉換，摘掛機標識等功能。
2 硬件主要部份設計
系統模塊較多．所需技術(shù)涉及模擬電子、數字電子、單片機技術(shù)、計算機輔助制圖等多方面，因篇幅有限，僅介紹比較特殊的幾個(gè)主要功能模塊。
2．1 用戶(hù)接口模塊
用戶(hù)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(xiàn)厚膜混合用戶(hù)線(xiàn)接口電路。包含功能有：恒流饋電、饋送鈴流、摘機后自行截除鈴流、摘掛機的檢測及音頻或脈沖信號的識別、接口否有話(huà)機、語(yǔ)音信號的2／4線(xiàn)轉換以及外接振鈴繼電器驅動(dòng)輸出。芯片用戶(hù)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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