嵌入式多路交换电话系统.docx
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嵌入式多路交换电话系统
简单的多路电话交换系统
概述
自1876年美国贝尔发明电话以来，随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提高，电话交换技术迅速地发展和变革。
其历程可分为三个阶段：
人工交换、机电交换、电子交换。
早在1878年就出现了人工交换机，它是借助话务员进行话务接续，显然其效率是很低的。
15年后步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电交换时代。
这种机电自动交换时代。
这种交换机属于直接控制方式，即用户可以通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。
从而自动完成用户间的接续。
这种交换机虽然实现了自动接续，但存在着速度慢、效率低、杂音大与机械磨损严重等特点。
直到1938年发明了纵横制交换机才部分解决了上述问题。
随着半导体器件和计算机技术的诞生与迅速发展，传统的机电式交换结构走向了电子化，美国贝尔系统经过艰苦努力于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机，这标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代，交换技术发生了时代的变革。
存储程序控制（SPC,StoredProgramControl）是将用户信息和交换机的控制、维护、管理功能预先变成程序，存储到计算机的存储器内，当交换机工作时，控制部分自动监测用户的状态变化和所拨号码，并根据要求执行程序完成各种交换功能，因此称为存储程序控制交换机，简称程控交换机。
程控交换机按信息传送方式可分为：
模拟交换机和数字交换机。
随着数字通信与脉冲编码调制（PCM）技术的迅速发展和广泛应用，世界各先进国家自60年代开始以极大的热情竞相研制数字程控交换机，经过艰苦的努力，法国首先于1970年在拉尼翁成功开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。
由于程控数字交换技术的先进性和设备的经济性，使电话交换跨上了一个新的台阶，而且对开通非话业务，实现综合业务数字交换也奠定了基础，因而成为交换技术的主要发展方向，随着微处理器技术和专用集成电路的飞跃发展，程控数字交换的优越性愈加明显的展现出来。
目前所生产的中大容量的程控机全部为数字式的。
90年代后，我国逐渐出现了一批自行研制的大中型容量的具有国际先进水平的数字程控局用交换机，典型的如深圳华为公司的C&C08系列、西安大唐的SP30系列、深圳中兴的ZXJ系列等等，这些交换机的出现，表明在窄带交换机领域，我们国家的研发技术已经达到了世界水平。
随着时代的发展，目前的交换机系统逐渐融合ATM、无线通信、接入网技术、HDSL、ASDL、视频会议等先进技术。
可以想象，今后的交换机系统，将不仅仅是语音传输系统，而是一个包含声音、文字、图象的高比特宽带传输系统，并深入到千家万户之中。
IP电话就是其应用一例。
世界上传统交换机厂商目前正努力研制，并通过与计算机厂商的合作和交流，来达到这一目的。
整个电话交换系统基本划分几大部分：
交换网络，目前主要采用由电子开关阵列构成的空分交换网络，和由存储器等电路构成的时分接续网络；用户电路，其作用是实现各种用户线与交换机之间的连接，通常又称为用户线接口电路（SLIC,SubscriberLineInterfaceCircuit），目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路（ALC）及与数字话机，数据终端（或终端适配器）连接的数字用户线电路（DLC）；出入中继器，是中继线与交换网络间的接口电路，用于交换机中继线的连接；控制部分，这是程控交换机的核心，其主要任务是根据外部用户与内部维护管理的要求，执行存储程序和各种命令，以控制相应硬件实现交换及管理功能。
本设计将采用Intel8086微处理器和MITEL公司的多款相关芯片组成一个简单的数字交换系统，仿照实际交换机的原理进行软硬件环境设置，模拟实现多话路并行数字语音交换功能。
背景知识和基本原理
（一）、语音数字化
目前的通信网仍然以模拟为主，用户终端多为模拟话机。
因而来自用户线的话音要进入数字交换机，需先在用户接口电路进行模数转换，将模拟话音编码成数字话音，基本采用PCM数字化方法。
在PCM设备中，各路编码信号，先经时分多路复用，合成的码流再通过信道（或线路）传送到接收端。
在接收端先进行信码再生，定时提取及分路，再经数模变换（即PCM解码），还原为PAM抽样保持信号。
根据抽样定理，借助低通滤波器便可以从中恢复出模拟话音信号。
话音信号在量化的过程中，必然会产生误差失真引起通话时附加量化噪声，为解决线性量化时小信号音质差的问题，在实际中通常采用不均匀分层的办法，让量化特性在小信号时分层密，即量化间隔小，而在大信号时分层疏，即量化间隔大，为此需要在发送端先将话音信号进行非线性幅度压缩，再进行线性量化与编码，与此对应，在接收端解码后则需对话音信号加以扩张，以补偿因压缩而造成的非线性。
在理想情况下，扩张器与压缩特性应是完全互补的。
在实际中广泛应用两种对数形式的压缩特性，即A律和μ律，CCITT和欧洲邮电部长会议（CEPT）已对A律压缩特性形成了标准，而CCITT与北美贝尔系统已对μ律压缩特性形成了标准，前者主要用于欧洲，后者主要用于北美和日本，我国采用A律压缩方式。
简单原理图如下：
图1电话终端语音数字化过程
由于个人能力和时间限制，本系统中并未进行用户终端模拟话机及用户线路接口电路部分的详细设计，这部分主要应用的数模转换和编码压缩技术都是当前研究的热门方向。
（二）、时分复用与信令系统
为提高传输信道的利用率，通常采用多路时分复用技术将若干路信息综合于同一信道进行传送。
在程控数字交换系统中，为提高传输速率和交换容量，通常采用PCM复用方式。
对于PCM基群系统，目前国际上有两种复用制式30/32路帧结构与24帧结构，我国采用30/32路结构方式。
在交换机内各部分之间或者交换机与用户、交换机与交换机间，除传送话音数据等业务信息外，还必须传送各种专用的附加控制信号，以保证交换机协调动作，完成用户呼叫的处理，接续，控制与维护管理功能。
这些就称为信令。
根据信令通道与话音通路的关系，可将局间信令分为随路信令（CAS,ChannelAssociatedSignalling）与共路信令（CCS,CommonChannelSignalling），目前程控数字交换机仍多采用随路信令，但它一般具有采用共路信令的功能与潜力。
为充分发挥程控数字交换系统的优点，采用先进的共路信令是当前程控交换技术的一个重要发展方向，CCITTNo.7号信令是一种目前应用最广泛的国际标准化共路信令系统，它将信令和话音通路分开，在32个时隙通道中，通常用第0时隙作帧同步信息，用第16时隙作公共信息通道，其余30个时隙则作为话路语音通道。
出入中继部分负责管理各个时隙的并行控制，按需求完成中继通道的选择和语音通道的连接等系列任务，通过对数字中继接口芯片编程控制，可以实现各路协调工作。
（三）、信道交换网
由微处理器控制管理的数字语音信道交换网络，其基本功能是根据用户的呼叫要求，通过控制部分的接续命令，建立主叫与被叫用户间的连接通路。
一般情况下，串行PCM数据流以2.048Mb/s的速率（共32个64Kb/s,8比特数字时隙）从多路输入，经串并转换，根据码流号和信道（时隙）号依次存人比特数据存储器的相应单元内。
控制寄存器通过控制接口，接收来自微处理器的命令，并将此指令写到接续存储器，这样，数据存储器中各信道的数据按照接续存储器内的接续指令以某种顺序从中读出，再经复用缓存、并串变换，形成时隙交换后的2.048Mb/s串行码，分多路输出，从而达到数字交换的目的。
图2交换网络原理图
硬件系统
（一）、总体系统
信道数字交换器、数字中继接口及相关的配套器件均选用MITEL公司的芯片组，它们提供了整套电话交换系统的功能衔接与组合。
由于只需处理8位数据，且并不涉及复杂的人机交互过程，所以主机方面采用Intel8086微处理器芯片和SRAM芯片HY628400A及FLASH芯片HY29F040A。
图3系统总体图
（二）、主机部分
8086芯片简介：
●INTEL1978年推出的16位处理器
●共40根引脚
●频率为5M、8M、10M不等
●+5v供电
●需要外加时钟发生器
●内部无存储器
●IO空间与存储器空间独立,采用独立编址方式
●数据线与地址线分时复用
最小模式中引脚定义：
●AD15—AD016条地址/数据复用总线
T1地址线三态输出
T2-T4数据线三态双向输入/输出
中断响应或总线保持周期高阻态
●AD19/S6—AD16/S3地址/状态分时复用
T1地址线A0—A19访问M；A16—A19访问IO
T2-T4状态线S3S4表示当前使用的段寄存器
BHE与AD0线的组合值影响对总线的使用：
00，16位字传送；01，高8位字节传送；10，低8位字节传送；11，无效
CPU在时钟序列控制下进行操作，总线周期由4个时钟周期（状态）组成：
●T1状态，CPU向地址/数据和堆栈/状态复用总线上发地址信号，以指出要寻址的存储器单元或外设端口地址
●T2状态，总线上撤消地址，使AD0-AD15浮置高阻态（读周期）或将输出数据放到总线上（写周期），总线高4位用于输出本总线周期状态信息
●T3状态，AD19/S6--AD16/S3继续提供状态信息，AD15--AD0出现数据
●T4状态，总线周期结束
地址空间分配：
CPU分时复用的引脚信号需先用地址锁存器74LS373保存再进行寻址操作。
由M/IO引脚信号区分内存或IO编址方式。
●内存空间
A0--A18
A19
选中芯片
选址范围
U--U
0
HY29F040A
00000--7FFFFH
U--U
1
HY628400A
80000H--FFFFFH
●IO空间
A0A1A2A3A4A5
A6--A16
A17A18A19
选中芯片
UUUUXX
X--X
000
MT8952
UUUUUU
X--X
001
MT8980
（三）、中继接口
MH89790是MITEL公司的PCM数字中继接口电路，它支持HDB3和AMI线路码。
来自数字交换网络的2.048Mb/s的PCM码流可通过其DSTO脚输出；来自ST总线的PCM码流经过它导入交换网络。
它由ST总线并行存取电路所控制，一方面将并行总线数据转换为ST总线串行数据；另一方面，在相反的方向上作串并转换即把MH89790的CSTO输出的串行数据流给MT8920的STi0，并经MT8980转换为并行数据后送入CPU。
其功能模块图如下所示。
图4MH89790功能模块图
重要引脚参数：
●CSTi0控制ST总线输入，输入流包含30个信道控制字和2个主控字
●CSTi1控制ST总线输入，输入流包含信道关联控制和同步信息
●CSTO控制ST总线输出，串行输出流包含16个信道控制字、2个主控字及其他控制信息
●DSTI、DSTO数据ST总线输入输出，包含30个PCM信道传输的数据信息
●E8Ko8kHz的外部时钟控制，即2.048MHz分为256路分配接收CEPT帧
●F0i帧中继输入信号，指示ST总线32信道的开始信号
MT89790内部功能强大，可以协调处理32信道数据信息，自带CRC校验即错误处理逻辑，通过合适的程序取出数据能完成一系列用户终端模拟信息向PC能处理的数字信息转换的工作，还可以通过中继线和其他PCM中继接口相联，实现多级路由传播。
这些复杂的应用可参考芯片手册。
配合89790使用的一般还有MT8941，这是一个双工数字信道锁相环电路，它提供时间和同步信号给T1或CEPT32时分复用信道。
由其功能模块图可知，它有4种同步信号工作方式和1种时间信号工作方式，分别为T1传输链路主控终端同步信号、T1传输链路从终端同步信号、CEPT数字链路主控终端同步信号、CEPT数字链路从终端同步信号和ST总线时钟信号。
本设计中采用的是CEPT数字链路主控终端同步信号工作方式，将其C2O、C4B分别接出至89790的C2I和8980的C4I上，而F0B信号则接入所有需同步的芯片的FOI脚，具体可参见后面的交换网络功能引脚连接图。
图5MT8941功能模块图
（四）交换网络
数字交换芯片MT8980有8对32通道64Kb／s的串行输入、输出端口，可实现256路数字语音或数据的无阻塞交换，其功能模块如图6所示。
串行PCM数据流以2.048Mb／s的速率（共32*64Kb／s，8比特数字时隙）分八路由SD10～SDI7输入，经串并转换，根据码流号和信道时隙号依次存入256*8比特数据存储器的相应单元内。
控制寄存器通过控制接口，接收来自微处理器的命令，并将此指令写到接续存储器，这样，数据存储器中各信道的数据按照接续存储器的内容（接续指令）以某种顺序从中读出，再经复用缓存、并／串变换，变为时隙交换后的8路2.048Mb／s串行码流，分8路由SD00～SD07输出，从而进行数字交换。
图6MT8980功能模块图
有了以上几款芯片，再配合HDLC协议控制器MT8952便可以设计出可由程序控制的数字语音信道交换网络，整个结构的功能引脚组装如下：
图7交换网络功能引脚连接图
图中MH89790B的数据串行总线输出（DSTO）、数据串行总线输入（DSTI）分别接入MT8980的STI0和STO0上，MT8952的ST总线格式输出CDSTO和格式输入CDSTI分别接MT8980的STI1和STO1，这样，MH89790的2.048Mb／s的串行数据流中任一信道的数据由STI0输入MT8980的数据寄存器，根据接续指令，再由STOl输出到MT8952并送出处理；同样，由CPU来的数据经MT8952的STI1输入MT8980的数据寄存器，再根据接续指令由STO0的相应信道输出至MH89790送出。
软件设计
为模拟实际的电话呼叫系统处理，该交换机上运行的软件应具有智能处理主叫、被叫号码的信道连接和数据交换的能力，还要求并行控制30个信道的话路稳定互不干扰。
线路底层封装的PCM编码流采用标准的7号信令格式，链路包的具体字段可参见信令协议。
收到底层链路包后截获线路信息数据就需要开始程序控制，实现话路连接。
为此首先需要定义两种关键的数据结构：
●用户呼叫中继通道状态
enumTRUNK_STATE{
TRK_FREE,//通道空闲
TRK_FIRST_CALLOUT,//主叫呼叫
TRK_PLAY,//放音
TRK_WAIT_KEY,//等待按键
TRK_FIRST_CONNECT_WAIT_SECOND_LINK,//主叫等待被叫连接
TRK_SECOND_CALLOUT,//被叫建立新中继连接
TRK_TWO_CHANNEL_LINK,//两个通道连接通话
TRK_WAIT_HANGUP//等待挂机
};
●中继通道数据结构
typedefstruct{
TRUNK_STATEstate,//通道状态
char[30]Caller,//主叫号码
char[30]Callee,//被叫号码
char[30]SaveDtmf,//接收到的DTMF按键值
boolbConnectFlag,//连接标志
intiConnectTrk,//连接的中继通道号
intReleaseCause//释放原因
}TRUNK_STRUCT;
程序运行采取循环侦听形式，对呼入呼出电话成对处理，整个系统流程图分多个过程给出，图中各状态值其实就是一些自行定义的常量整数，在此不一一列出，信号值则是7号信令标准规定的链路数据代码值：
图8呼入时中继通道状态变化流程处理
图9上图中内部中间状态扩展
图10呼出时中继通道状态变化流程处理
图11闭锁及解除时中继通道状态变化流程处理
因为芯片的集成度很高，对硬件的控制比较简单，初始化连接后就不太需要控制各部件更换工作方式，主要的控制发生在交换网络部分，实现信道数据互换。
下例给出第2、3时隙信道交换数据的伪码过程：
寻译码地址访问8980；
取8980内部存储区，存放时隙号2、3；
创建地址指针以便动态选取时隙号；
通过指针选定时隙号3；
选定8980接续存储器高3位并指定STI0；
通过指针选定时隙号2；
置STO1允许输出；
选定8980接续存储器低8位并指定STO1；
选定STI0的第3时隙数据在STO1的第2时隙输出；
通过指针选定时隙号2；
选定8980接续存储器高3位并指定STI1；
通过指针选定时隙号3；
置STO0允许输出；
选定8980接续存储器低8位并指定STO0；
选定STI1的第2时隙数据在STO0的第3时隙输出；
结束语
实际的电话系统是个庞大而负责的构架，本设计只能依据其基本原理简单地展现了从用户终端模拟语音到PCM转换后由程控交换机控制连接各中继通道而实现用户语音数据双向传递的过程，所采用的设计方法和芯片选型在理论角度成立，但实际线路中需根据具体物理环境适当更换合适的软硬件设计。
系统只需要扩充寻址编码就很容易能加扩中继接口和交换器件，已达到更多线路同时控制的目的，在用户回路还可以考虑加入视频信号采集、智能存储消息通信，并压缩编制为PCM码流，实现多话路音视频信息数据的转换，形成视频会议、录音留言等多种高级功能，而交换网络部分的软硬件配置可以基本不变，适应了稳定可扩展的要求。
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