基于SM8951的小型程控交換機設計

　　引言

　　雙音多頻(DTMF)信號由貝爾實(shí)驗室發(fā)明，最初是用于電話(huà)系統中電話(huà)機與交換機之間的一種用戶(hù)信令，通常用于發(fā)送被叫號碼。DTMF信號由高頻群和低頻群組成，高、低頻群各包含四個(gè)頻率。一個(gè)高頻信號和一個(gè)低頻信號疊加組成一個(gè)組合信號，代表一個(gè)數字。DTMF信令有16個(gè)編碼。雙音多頻的撥號鍵盤(pán)是4×4的矩陣。每按一個(gè)鍵就發(fā)送一個(gè)高頻和低頻的正弦信號組合，因為任何2個(gè)頻率之間沒(méi)有諧波干擾，因此其抗干擾能力很強，遠程傳輸之后的誤判率很低。

　　交換機中DTMF、解碼芯片采用CM8870實(shí)現通訊線(xiàn)路上雙音多頻信號的解碼功能，該芯片將偵聽(tīng)到的雙音多頻信號轉換為二進(jìn)制四位代碼，發(fā)往單片機，為單片機提供數據流的目的信息。雙音多頻信號是一組由高頻信號與低頻信號疊加而成的組合信號。雙音多頻信號解碼是交換機中非常重要的組成部分，是否能夠準確地解碼出線(xiàn)路發(fā)送來(lái)的雙音多頻信號是建立通信鏈路的關(guān)鍵，它的工作情況直接決定了遠程數據通訊的可靠性。本系統采用的雙音頻解碼芯片CM8870集成了頻帶分離濾波器和數字解碼器，可以將接收到的DTMF信號轉換成8421碼。

　　1CM8870解碼功能實(shí)現

　　1．1CM8870芯片簡(jiǎn)介

　　CAMD公司的CM8870雙音多頻信號解碼器為單片18腳DIP封裝芯片，該芯片內含濾波器與數據解碼功能，可濾除340～3400Hz外的非音頻信號，同時(shí)將音頻信號轉換為二進(jìn)制4位數字信號，內部CMOS工藝大大降低了芯片功耗，功耗僅為35mW。CM8870內置一個(gè)差分輸入放大器、一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生器及一個(gè)三態(tài)鎖存接口總線(xiàn)，減少了芯片外圍組件，只需要接一個(gè)普通晶振即可正常工作。其特點(diǎn)如下：提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能；功耗低于35mW；可以工作在工業(yè)溫度范圍內；可外接晶振，且內含震蕩器產(chǎn)生基準頻率信號；采用18引腳DIP，EIAJ，OIC，PLCC封裝。

　　CM8870電路的基本特性是提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能，輸出相應的16種DTMF頻率組合的4位并行二進(jìn)制碼。電路輸出的二進(jìn)制碼D1～D4由數據輸出允許段TOE控制，當TOE為高電平時(shí)，D1～D4輸出與當前輸入的DTMF信號相對應的二進(jìn)制碼；當TOE為低電平時(shí)，D1～D4端呈高阻狀態(tài)。運放和R1，R2，C1組成一反相放大器，對輸入的DTMF信號進(jìn)行隔離放大，其增益．K=-R2／R1，改變R2的值可改變增益的大小，VREF為基準電壓輸出端，取VDD／2=2．5V；INH和PD為內部電路連接點(diǎn)，應接地；OSCl和OSC2為振蕩器輸入輸出端，外接3．58MHz晶振與內部振蕩器產(chǎn)生基準頻率信號；STD為延遲控制輸出端，當一組有效的雙音頻信號被接收時(shí)輸出“1”，否則輸出“O”；ESt為初始控制輸出端，若電路檢測出可識別的單音對，則此端變成高電平，若無(wú)輸入信號或連續失真，則ESt返回低電平；SI／GT為控制輸入端／時(shí)間監測輸出端。功能框圖如圖1所示。

　　雙音多頻信號是用兩個(gè)不同頻率的信號組合來(lái)表示一個(gè)字符或數字。這兩個(gè)頻率一個(gè)選自低頻段，一個(gè)選自高頻段，每個(gè)頻段分別包含四個(gè)不同的頻率，因而總共可以組合成16種選擇，而常用的只有12種，它們是O～9，以及#號和*號。CM8870能將DTMF信號譯碼成4位二進(jìn)制碼。

　　1．2CM8870的收號過(guò)程

　　CM8870組成收號電路，它的輸入為來(lái)自模擬用戶(hù)接口雙音多頻信號，輸出為4位二進(jìn)制數據，供處理器從數據總線(xiàn)口讀入。其收號過(guò)程如下：模擬信號從IN一腳引入后，經(jīng)雙音濾波器初步濾除帶外干擾信號，隨后，此濾出信號在經(jīng)高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，這兩種分量分別通過(guò)過(guò)零檢測后送給數字檢測計算電路；該電路對音頻信號進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，能排除外部噪聲因偶然含有某些特定頻率而被編碼器編碼，或者影響編碼器的編碼，從而引起后續的收號錯誤。當高、低頻組信號同時(shí)被編碼器檢測到時(shí)，ESt腳將輸出高電平作為有效檢測DTMF信號的標志，而當DTMF信號消失時(shí)，ESt腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被CM8870誤編碼，編碼器要求被編碼的音頻信號能維持一段時(shí)間，這段時(shí)間由外部的一個(gè)RC電路來(lái)決定。如前所述，當音頻信號被檢測到時(shí)，ESt輸出高電平1，電容放電，VC上的電壓值上升(假設信號在整個(gè)要求時(shí)間內部存在)，VC升到一個(gè)門(mén)限值Vrst時(shí)，該音頻信號被編碼，變成了數字信號，該數字信號將被鎖存起來(lái)，此時(shí)，GT就為高，使VC點(diǎn)的電壓由門(mén)限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持為高，GT就為高，外部的RC電路回到初始狀態(tài)，隨后，經(jīng)過(guò)一段鎖存操作引起的延時(shí)后，STD腳輸出高電平，表示信號鎖存完畢。這時(shí)，若要從Q1～Q4上讀這4位編碼，應使TOE為高，打開(kāi)鎖存器，就完成了DTMF的收號任務(wù)。

2單片機控制CM8870設計

　　2．1SM895l控制框圖

　　SM8951外圍電路連接如圖2所示，單片機通過(guò)P1．4管腳與模擬摘掛機電路相連，有設備呼叫通信時(shí)，單片機會(huì )通過(guò)該管腳檢測到線(xiàn)路上有摘機動(dòng)作，然后單片機控制鈴流發(fā)生器向呼叫方發(fā)送撥號音，收到號碼后，將該號碼用DTMF、解碼器解碼并經(jīng)過(guò)P2．7腳發(fā)給單片機，單片機對該號碼進(jìn)行分析，確定主叫方呼叫的對象，而后單片機摘機，判定終端交換機是否空閑，若空閑則發(fā)送呼叫號碼，收到回應后，給被叫方發(fā)送振鈴音，給主叫方發(fā)送回鈴音，被叫一旦摘機，則單片機馬上退出操作，完成呼叫轉移。

　　CM8870與SM8951單片機的接口電路如圖3所示。SM8951單片機的PO．O～PO．3讀取CM8870的譯碼數據，當CM8870接收到一個(gè)有效DTMF信號后，ESt端首先變?yōu)楦唠娖?，?jīng)積分電路使控制輸入端SI電平升高，若SI端電平高于門(mén)限電平，CM8870內部的4位二進(jìn)制碼被更新，STD端變?yōu)楦唠娖?，SM8951單片機通過(guò)P2．7口檢測到這一信息后就開(kāi)始接收。若CM8870無(wú)DTMF信號輸入或DTMF信號連續失真，則ESt端為低電平，SI端為低電平，STD端輸出低電平。

　　雙音頻解碼電路如圖4所示。雙音頻信號輸入點(diǎn)與一個(gè)三極管的集電極V1相連接，當V1導通時(shí)，從電話(huà)線(xiàn)上送來(lái)的雙音頻信號進(jìn)入CM8870。如果CM8870接收到的是有效的DTMF信號，便解碼出對應的8421碼從數據輸出端Q1～Q4輸出，該數據進(jìn)入單片機PO．0～P0．3口，完成數據采集、判斷和處理。另外，從CM8870的第15腳出來(lái)的狀態(tài)信號進(jìn)入單片機的P2．7端口，通知單片機讀取數據。

　　2．2單片機控制過(guò)程

　　單片機控制交換機通信時(shí)要時(shí)時(shí)監控通信鏈路中是否有摘機、掛機動(dòng)作。摘機、掛機電路其實(shí)就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，控制電路板和電話(huà)線(xiàn)之間的連接。平時(shí)這個(gè)開(kāi)關(guān)應該處于斷開(kāi)的狀態(tài)，以免造成電話(huà)線(xiàn)占線(xiàn)；當需要實(shí)現遠程控制時(shí)，如果振鈴響5次而無(wú)人接聽(tīng)，這時(shí)就需要讓電路板和電話(huà)線(xiàn)路接通，即完成摘機動(dòng)作。V1就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)的導通與否受到單片機P1．4口的控制。摘機掛機電路如果用繼電器設計，電路要簡(jiǎn)單一些，但在實(shí)用中發(fā)現耗電大，5V的繼電器吸合電流高達30μA，另外繼電器也容易產(chǎn)生火花干擾。采用晶體管摘機掛機電路克服了這些問(wèn)題。

　　軟件設計流程圖如圖5所示。

　　當單片機控制CM8870作為主叫方時(shí)，單片機要先對CM8870進(jìn)行初始化，然后控制摘機電路摘機，收到被叫方的撥號音后，單片機控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等待一段時(shí)間后，看對方有沒(méi)有接機。若對方摘機，則通信開(kāi)始，否則掛機，通信結束。

　　當中繼作為被叫方時(shí)，啟動(dòng)單片機后，程序要首先對CM8870進(jìn)行初始化，然后隨時(shí)檢測是否有振鈴音，如果有，由單片機控制摘機電路主動(dòng)摘機，等待一段時(shí)間，確保已經(jīng)摘機后，單片機控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等一段時(shí)間后，完成呼叫轉移功能，掛機，結束通信。

　　3結語(yǔ)

　　本系統基于SM8951單片機與CM8870雙音多頻解碼芯片實(shí)現小型工控交換機功能，該小型交換機可用于以電力線(xiàn)或雙絞線(xiàn)為傳輸載體的工控網(wǎng)絡(luò )遠程數據傳輸，依據PSTN公共電話(huà)交換網(wǎng)絡(luò )協(xié)議與信令標準，采用電路交換原理實(shí)現交換功能。該小型交換機可置于網(wǎng)絡(luò )通信的中繼器中，也可置于末端的數據處理器中，通常，該交換機只負責轉發(fā)數據，為數據通信建立傳輸鏈路，數據在交換機中的傳輸是雙向的。交換機不是數據的最終目的地，而只是一個(gè)“驛站”。雖然隨著(zhù)數字通信技術(shù)的發(fā)展，交換技術(shù)日趨復雜，交換功能日益完善，但對于工控網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的電路交換技術(shù)仍以其低成本，易實(shí)現、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。