小型程控電路交換機的硬件設計

王　平　施文灶　黃　晞

摘 要：為了開發和實現一種高性價比、符合電信標準規定的程控電路交換機。闡述程控電路交換機在公共交換電話網中的作用、工作原理和系統的組成結構，將程控交換機的硬件設計分為幾個功能模塊，并分別加以詳細地介紹。可以實現8部話機（含中繼接口）的互相呼叫及通話。最后，提出功能模塊獨立化的應用方式，使得該設計成果能應用于通信及控制等領域。

關鍵詞：電路交換；空分交換；模塊；雙音多頻

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－148－04

Hardware Design of Small Program－control Circuit Switch

WANG Ping,SHI Wenzao,HUANG Xi

(School of Physics and Opto－electronic,Fujian Normal University,Fuzhou,350007,China)

Abstract： In order to develop and realize the program－control circuit switch with a high cost－effective,conforming to telecommunications standard,the function and operational principle of the program－control circuit switch in the PSTN and the system structure,the hardware design of program－control circuit switch with several function modules are introduced.The calls and communications among eight phones(including relay interfaces)are realizable.Application mode of the function modules is independence,the production is applied to the communication and control fields.

Keywords：circuit switching;space switching;modules;DTMF

0 引 言

方便、快捷的公共交換電話網（PSTN）線路遍布世界各地，已經成為生活中不可缺少的部份，它具有成本低，范圍廣，重復建設少等優點。PSTN通信網基于電路交換方式，其核心設備——電路交換機如同是交換網的“立交橋”。交換技術從早期的人工交換、機電交換發展到電子交換，從模擬交換發展到數字交換，從布控發展到程控。如今先進的電路交換機同時采用數字交換、空分交換、時隙交換和程序控制等技術，因此具有抗干擾能力強，交換容量大以及控制靈活等特點。

目前市場上類似高端產品，如日本NEC公司生產的NEAX－61系列、美國AT&T;公司生產的No.5 ESS系列等。這類產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。而在市場上大多數產品雖然稱為“程控交換機”，但據其表現，充其量只能算是一個電話線路分離器，無論是在參數指標上還是在可靠性等方面，都沒有很好地達到國際電信協會建議的標準，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”以實物的形式體現出來。這臺小型程控交換機模擬了程控交換網中的電路交換的全過程，既可以形象的作為教學的實物例子，也是一臺實用的標準小型電話交換機，其性能很好地達到國際電信協會建議的標準。稍加改進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8口（含一個中繼接口）小型程控電話交換機，系統結構如圖1所示。用戶終端和中繼設備通過接口電路，經由CPU模塊控制的交換網絡控制各個話路的接續和釋放。

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模塊是整個系統的核心。上電后，由MCU模塊對周邊各個模塊進行初始化，初始化完成后，掃描用戶端口的狀態，并根據端口狀態執行相應的指令。

I/O擴展模塊是因為單片機I/O口數量不夠，必須進行I/O口的擴展。采用一片8255A并行I/O擴展芯片對外進行擴展，可將I/O口數量擴充到原先的2倍。

“看門狗”模塊是一個定時復位芯片，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，將產生一個RESET（復位）信號，讓系統恢復正常，因此，“看門狗”模塊對于系統來說是非常重要的。

DTMF模塊實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，以一個中斷的形式向MCU發出請求，MCU響應采取相應的收號操作。

空分交換模塊是整個系統的關鍵，實現整個系統的話路切換、信號音的傳送。

信號音模塊提供符合國際電信標準的撥號音、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所需的-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、“看門狗”模塊、信號音模塊、用戶接口模塊；-48 V提供給用戶接口模塊、振鈴模塊；

用戶接口模塊負責進行2/4線轉換，將電話線上的TIP－RING信號轉換成可以在空分交換矩陣中傳輸的4線制信號。考慮到防雷等安全性，還在用戶接口上進行了防雷處理，可承受4 000 V的雷擊。

中繼模塊是一個用于與電信運營商大型程控交換機進行級聯的接口，它要求具有模擬摘掛機、振鈴響應、2變4線轉換的功能，模擬摘掛機是提供給電信運營商交換機的一個模擬信號，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接口模塊，即可實現振鈴提示。

1.2 功能實現

系統上電復位后，依次對各個用戶接口模塊、I/O擴展模塊、空分交換模塊進行初始化，設定這幾個模塊的工作方式，并賦初值。

由MCU模塊（AT89C55單片機）對各路話機的端口進行掃描，每個用戶接口都有1個摘機標志位，接至單片機的1個I/O口，讀取這幾個I/O口的值，即可判斷出對應的話機摘、掛機狀態。

識別用戶摘機后，程序控制將話機的輸出與DTMF模塊相連接，進行雙音多頻信號的譯碼，每收到一個DTMF信號，DTMF模塊即可譯出相應的BCD碼，同時給單片機送1個“己譯出”的信號，作為中斷信號使單片機轉至控制I/O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實現的。振鈴模塊僅產生一個幅度90 V ，頻率 25 Hz的高壓交流信號；振鈴控制模塊產生通1 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個獨立的555電路產生。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0.5 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的控制端口寫控制字，對地址控制口寫交換地址值即可實現鏈路的交換。

用戶接口芯片MH88612C，配合少量的外部分立元件較好地實現了BORSCHT七項功能中的5項，進行2/4線轉換，摘掛機標識等功能。

2 硬件主要部份設計

系統模塊較多，所需技術涉及模擬電子、數字電子、單片機技術、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MH88612C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、接口否有話機、語音信號的2/4線轉換以及外接振鈴繼電器驅動輸出。芯片用戶電路的雙向傳輸衰耗均為-1 dB，供電電源+5 V，-5 V和-48 V，接口電路原理如圖2所示。

用戶摘機后，MH88612C向單片機模塊發出摘機信號；在撥號期間，VX端發出用戶話機的DTMF信號；接續期間，經過交換矩陣構成通信鏈路，這時話音雖還被當成DTMF信號，但不符合鍵值標準，不會產生誤碼。為增強抗雷擊性能，在P1（RJ11接口）上加裝有壓敏電阻，配合內部的保護電路，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字信號以實現其功能的一種編碼技術。又稱之為“8中取2”的編碼技術。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公司生產的MT8870或者HM9270D進行解碼；方案B：采用加拿大Mitel公司生產的MT8880或者MT8888通過寫命令字進行解碼；方案C：采用模擬電路搭建一個雙音多頻解碼電路；方案C是最經濟的，但難度也大，且需

要大量的時間，故不考慮。在設計初期采用方案B，盡管MT8888或者MT8880在譯碼的效果上要比方案A中的MT8870的效果好，到中后期發現，方案B需要對其寫命令字，占用了過多的單片機I/O口，所以放棄了方案B而轉去選擇方案A， MT8870單片機價格在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成。DTMF解碼部份由MT8870及其周邊元件構成；譯碼顯示部份由地址鎖存器74LS373、顯示譯碼器74LS48、共陰數碼管構成。

2.3 空分交換模塊

空分交換是指在各實線通道間切換，現代程控交換系統中使用的交叉接點均是大規模集成電路構成的交換矩陣，具有開關速度快（微秒級），體積小，功耗小，無機械磨損，壽命長等優點。

在該系統里，采用加拿大Mitel公司生產的MT8816電路芯片，交換矩陣如圖4所示。

單片機通過地址線ACOL2~ACOL0控制COL7~COL0中的一條線、通過地址線AROW3～AROW0控制ROW15～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。當送出地址啟動門ST時，就可以將相應交叉點接通，當DI為低電平時，相應的接點就斷開。

接在COL7～COL0端的是用戶的受話端VR7～VR0；而ROW15~ROW0中的ROW7～ROW0端接用戶的收話端VX7~VX0,ROW15~ROW8用于接提示信號音,實現了電路交換,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

為了確保可靠性，還采用外置“看門狗”模塊，它是一種定時復位的定時器電路。在一定的時間內必需向“看門狗”電路傳送一個復位信號（為了避免與單片機的復位信號混淆，稱之為“喂狗”），在接收到這個“喂狗”信號，定時器復位，從頭開始計時，直到下一次“喂狗”，如果在規定的時間內沒有“喂狗”信號，則“看門狗”給單片機一個復位信號。

本次設計，采用的芯片是MAXIM公司生產的MAX813L復位芯片，MAX813L采用DIP－８封裝，體積小巧，“喂狗”周期為1.6 s，即在1.6s內給MAX813L一個復位信號。MAX813L還具有掉電檢測的功能，當電壓檢測端的電壓低于1.25 V，即給出一個復位信號。

3 功能與應用

該系統調試成功后，可以實現8部話機（含中繼接口）的互相呼叫及通話，工作可靠，實時性高，實現了電信標準規定的參數標準。完全可以當做一個小的集團電話來使用。

在該系統里應用到的多種技術，把它們獨立開來就是以下幾套完全可行的實際應用系統。

(1) DTMF模塊完全可以應用于遠程的工業控制，DTMF信號可以在無中繼放大的情況下進行10 km的通信，這個通信距離是相當可觀的。

(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用于諸如“智能家居系統”中的用戶接口模塊，目前的“智能家居系統”較為廣泛采用模擬電路搭建接口電路，在可靠性和穩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（PSTN），應用于“智能家居系統”或遠程控制。

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