計算機網(wǎng)絡電話通信系統(tǒng)終端機的研制

伍 巍

WU Wei

（中國石油大學（華東）網(wǎng)絡及教育技術(shù)中心，青島 266555）

計算機網(wǎng)絡電話通信系統(tǒng)終端機的研制

The study of the terminal of telephone communication system in the computer network

伍 巍

WU Wei

（中國石油大學（華東）網(wǎng)絡及教育技術(shù)中心，青島 266555）

電話通信是目前國內(nèi)外主要采用的一種通信方式，在現(xiàn)代信息社會中占有十分重要的地位。隨著計算機的普及，計算機網(wǎng)絡已成為許多行業(yè)必不可少的辦公工具。利用計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)了電話通信，在教育系統(tǒng)、科技系統(tǒng)、電業(yè)系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)和公安系統(tǒng)等行業(yè)的電話通信上有著廣泛的推廣及應用前景。

電話終端；系統(tǒng)硬件；系統(tǒng)軟件

1 網(wǎng)絡電話終端機硬件設備的組成

電話終端硬件設備由用戶接口電路，A/D線性編解碼電路、單片機控制電路、AMBE語音壓縮電路、鈴流發(fā)生電路、電源電路、USB接口電路、系統(tǒng)設置電路等組成。網(wǎng)絡電話終端實現(xiàn)了用戶話機接入，語音數(shù)據(jù)交換功能。其框圖如圖1所示。

圖1 電話終端組成框圖

2 C8051F023芯片的特點及應用[1,2]

單片機控制電路是由C8051F023單片機及其輸出輸入接口電路組成的。它是整個計算機電話通信系統(tǒng)的控制核心部分，主要實現(xiàn)控制AMBE語音壓縮電路實現(xiàn)語音信號的編碼和解碼，控制鈴流發(fā)生電路發(fā)送鈴流信號，控制USB接口電路完成信令和語音信號的發(fā)送和接收，讀取系統(tǒng)設置參數(shù)等多項功能，讀取用戶電路中的電話摘機、掛機狀態(tài)。其電路如圖2所示。

Cygnal公司的C8051Fxxx系列單片機速度快，具備擴展的中斷系統(tǒng)，指令集與標準8051完全兼容；另外，集成混合信號系統(tǒng)能支持在線系統(tǒng)(ISP)調(diào)試，并具有外設定制功能。因此近來得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)中使用了一片C8051F023單片機來設計終端的主控模塊，并設計了主控模塊和其它各模塊間的接口電路。

圖2 單片機控制電路

2.1 C8051F023原理和特點

C8051F023單片機具有32個數(shù)字I/O引腳，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片。圖3為C8051F023的原理框圖。

圖3 C8051F023原理框圖

下面列出了一些主要特性：

1）真正10位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。

2）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25MIPS)。

3）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。

4） 4352字節(jié)(4096+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM。

5）兩個12位的DAC，可編程更新時序。

6）64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。

7）5個通用的16位定時器。

8）可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。

9）硬件實現(xiàn)的SPI SMBus/ IzC和兩個UART串行接口。

10）片內(nèi)看門狗定時器VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

11）具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、時鐘振蕩器和看門狗定時器的C8051F023是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有數(shù)字和模擬外設均可由用戶固件配置為禁止或使能。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，允許現(xiàn)場更新8051固件并可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。

片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品R4CU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改寄存器和存儲器，支持斷點、觀察單步及運行和停機命今。在使用JTAG調(diào)試時，所有的數(shù)字和模擬外設都可全功能運行。

C8051F023可在工業(yè)溫度范圍為-45oC到+85oC，工作電壓范圍為2.7V-3.6V。端口RST，I/O和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。

2.2 在線系統(tǒng)調(diào)試(ISP)

C8051F023具有片內(nèi)JTAG邊界調(diào)試和掃描電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進行全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試。該JTAG接口完全符合IEEE1149.1規(guī)范，為生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能。

Cygnal的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改寄存器和存儲器，支持觀察點、斷點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的程序存儲器、目標RAM、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的數(shù)字和模擬外設都正常工作。當MCU遇到斷點或單步執(zhí)行而停止運行時，所有的外設(SMBus和ADC除外)都停止運行，以保持同步。

一個完整的調(diào)試環(huán)境包括適配器、集成開發(fā)環(huán)境以及用戶的目標PCB。Cygnal提供的EC2串口/JTAG適配器以及IDE(集成開發(fā)環(huán)境)不僅適用于C8051F023單片機，也適合調(diào)試Cygnal其它系列的單片機。在應用中集成開發(fā)環(huán)境也可以使用第三方的軟件，比如μ vision2。

在終端的開發(fā)中就使用了μ vision2開發(fā)環(huán)境，并在這些環(huán)境中安裝Cygnal單片機的動態(tài)鏈接庫用以支持Cygnal單片機的調(diào)試。

2.3 可編程計數(shù)器陣列

除了5個16位的通用定時器/計數(shù)器之外，C8051F023還有一個片內(nèi)可編程定時器/計數(shù)器陣列(PCA)。PCA包括一個專用的16位定時器/計數(shù)器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/4、系統(tǒng)時鐘/12、外部時鐘輸入(ECI)、定時器溢出、外部振蕩源頻率1/8和系統(tǒng)時鐘。

每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：軟件定時器、邊沿觸發(fā)捕捉、頻率輸出、高速輸出、16位脈沖寬度調(diào)制器和8位脈沖寬度調(diào)制器。在設計中利用PCA的邊沿觸發(fā)捕捉和軟件定時器功能來實現(xiàn)串口擴展。通過數(shù)字交叉開關(guān)可以將PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入連到MCU的端口I/O引腳。

2.4 串行端口

C8051F023內(nèi)部有兩個增強型全雙工UART，SPI總線和SMBus/I2C。用硬件完全可以實現(xiàn)每種串行總線，總線都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預這些串行總線不“共享”中斷或端口I/O、定時器等資源，所以可以使用任何一個或全部同時使用。

3 用戶接口電路[3]

用戶接口電路主要由MITEL公司設計的MH88612厚膜集成電路組成。該電路實現(xiàn)對用戶饋電、振鈴控制、二四線變換、摘掛機、過流保護和撥號脈沖檢測等功能，其電路如圖4所示。

圖4 用戶接口電路

3.1 MH88612的特性

1）提供提示用戶環(huán)路長度(電阻)和模擬信號輸出。具有用戶線短路過流保護能力。

2）能夠向用戶線提供恒流饋電，其電流約為26mA。具有向用戶饋電及送鈴流(-48V+90Vrms)的能力。

3）能夠檢測用戶線摘、掛機狀態(tài)和撥號脈沖信號，并輸出相應的電平信息。

4）電源供電，V+ = +5V， V- = -5V， VREF= -11V， VB = -48V。

5）含有無變壓器的2-4線變換電路。

6）功耗 ≤212mW(待用) ≤1. 1W(工作)。

3.2 功能框圖

MH88612芯片是由用戶線饋電與鈴流，過流保護，2-4線變換，環(huán)路狀態(tài)檢測和恒流饋電組成。其功能框圖如圖5所示。

圖5 MH88612功能框圖

4 USB接口電路[4,5]

為了滿足系統(tǒng)對于安裝方便和傳輸速率的要求，選用USB接口將電話終端與計算機相連。USB 100是基于ASIC設計的，內(nèi)部封裝了USB1.1全部協(xié)議以及300字節(jié)的內(nèi)部FIFO，八位并行數(shù)據(jù)接口，對USB的操作就變成了類似對外部存儲器的操作，由USB 100模塊完成全部協(xié)議的轉(zhuǎn)換和封裝，使開發(fā)過程變得簡單。USB接口電路采用迅通公司開發(fā)的USB 100模塊。

4.1 USB 100的特點

1）完全滿足USB l. 1要求。

2）全集成化的USB接口模塊。

3）八位單片機總線接口，對USB接口的操作如同對外部存儲器操作一樣方便。

4）無須用戶編寫驅(qū)動程序。

5）數(shù)據(jù)通訊速率最高可達8Mbit/s。

6）USB模塊內(nèi)部多達384字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和128字節(jié)的接受緩沖區(qū)，滿足高速通信和單片機接口的需要。

7）可靠性高，特別適合工業(yè)控制。

4.2 引腳說明

1）USB 100模塊的管腳排列如圖6所示。

圖6 USB100竹腳排列圖

2）USB100模塊的管腳定義。

數(shù)據(jù)口(DO-D7)：數(shù)據(jù)口是一個8位雙向I/O口。它是一個8位并口

RXF：高電平表示模塊沒有數(shù)據(jù)輸出：低電平表示模塊有數(shù)據(jù)輸出，可以讀數(shù)據(jù)。

WR：將八位并行總線上的數(shù)據(jù)鎖存入內(nèi)部緩沖區(qū)。

RD：允許內(nèi)部接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)通過八位并行總線讀出。

TXE：高電平表示模塊發(fā)送緩沖區(qū)己滿：低電平表示發(fā)送緩沖區(qū)為空，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

CND：電源地

USBVCC： USB接口電源腳

D+： USB數(shù)據(jù)腳

D-： USB數(shù)據(jù)腳

NC：空管腳

VCC：+5V輸出，可以提供給外部MCU使用，最大400mA

4.3 USB 100模塊的編程

從USB 100的控制時序可以看出，單片機對USB 100數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的處理時序類似于單片機操作外部存儲器，由于USB 100內(nèi)部有300字節(jié)的FIFO，可以與低、高速的單片機配合使用，了解了USB 100模塊的控制時序后，編制基于USB 100的應用程序也易于實現(xiàn)了。

[1] 強蔚,徐玉濱,等.AD73311模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在數(shù)字語音編碼中的應用[J].哈爾濱大學學報,2006,38:780-800.

[2] Analog Devices Inc.AD73311 Datasheet.1998.

[3] 電子工程手冊編委會,集成電路手冊分編委會.標準集成電路數(shù)據(jù)手冊(通信電路).北京:電子工業(yè)出版社,1991:194-201.

[4] 張念淮,江浩.USB總線接口開發(fā)指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:26-35.

[5] 廖口坤,紀越峰,黃小迅.USB在Vo工P網(wǎng)絡電話中的設計與應用[J].電子技術(shù),2005,11:63-65.

N945.13

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1009-0134(2010)11(下)-0128-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).45

2010-09-13

伍巍（1970 -），男，工程師，研究方向為網(wǎng)絡通信研究。