小型程控电话交换机的硬件毕业设计.docx
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小型程控电话交换机的硬件毕业设计
小型程控电话交换机的硬件毕业设计
本科生毕业设计论文
题目:
小型程控电话交换机的硬件设计
教学单位电气信息工程学院
姓名学号200731003076
年级2007级
专业通信工程
指导教师
职称副教授
2011年4月27日
摘要
该设计是面向少量用户的数字程控交换机,模拟了电话交换的基本过程,具备交换机的所有基本功能。
该设计采用单片机、网络交换芯片和用户接口芯片,以单片机为微控制中心实现通信系统的呼叫、应答、处理,话路连接和拆线功能。
该系统既可用作数字交换演示的实例,同时也是一台可用于实际的小型数字交换机,可以进行分机内部通话。
该系统主要由用户线接口模块、DTMF模块、信号音模块、控制模块和交换模块组成。
本文主要介绍了电话交换机的硬件设计,具体包括各个模块的主要功能,芯片的选择以及具体的应用电路。
关键字:
电话交换机、AM79R70、DTMF、MT8816Abstract
ThisdesignisfacingafewuserPBX,simulatedthebasicprocessoftelephoneexchange,allofthebasicfunctionswithswitches.Thisdesignuseamicrocontroller,networkexchangechipanduserinterfacechip,usesinglechipmicrocontrolcenterrealizecommunicationsystemcallandresponse,processing,wordsroadconnectsandtakeoutstitchesfunction.Thissystemnotonlycanbeusedasexamplesofdigitalswitchingdemo,butalsocanbeusedintheactualsmallofadigitalswitches,canundertakeextensioninternalcommunicationsThissystemmainlybytheuserlineinterfacemodule,DTMFmodule,signalmodule,controlmoduleandexchangemodule.Thispapermainlyintroducesthehardwaredesignoftelephoneexchanges,specificallyincludingthemainfunctionmodules,chipchoiceandspecificapplicationcircuitKeywords:
Telephoneexchanges、AM79R70、DTMF、MT8816目录
摘要1
Abstract2
1.引言4
1.1.主要功能4
1.2.系统的可行性分析4
1.2.1.总体设计分析4
1.2.2.模块功能简介4
2.功能模块的设计6
2.1.用户线接口模块6
2.1.1.AM79R70的引脚定义6
2.1.2.AM79R70的工作方式8
2.1.3.AM79R70的应用10
2.2.信号音发生模块11
2.2.1.NE555简介11
2.2.2.450HZ信号发生电路12
2.2.3.铃流信号发生电路13
2.3.DTMF双音频识别模块14
2.3.1.MT8870工作原理14
2.3.2.MT8870应用14
2.4.电话交换模块17
2.4.1.MT8816简介18
2.4.2.MT8816应用电路21
2.5.控制模块和电源模块22
2.5.1.控制模块23
2.5.2.电源模块23
3.系统的工作原理24
4.总结与展望24
参考文献25
致谢26
附录交换机原理图27
引言
主要功能
该设计是面向少量用户的数字程控交换机,模拟了电话交换的基本过程,具备交换机的所有基本功能。
该设计采用单片机、网络交换芯片和用户接口芯片,以单片机为微控制中心实现通信系统的呼叫、应答、处理,话路连接和拆线功能。
该系统既可用作数字交换演示的实例,同时也是一台可用于实际的小型数字交换机,可以进行分机内部通话。
系统的可行性分析
总体设计分析
程控电话交换机的具体要求:
1可实现双向通话功能;
2具备信号音,忙音等信号发生器
3可以实现双音频拨号音的识别;
4具有电话机振铃功能;
5能完成电话线路的空分交换;
6可以提供电话馈电所需要的-48v电源;
因此此设计所必须的模块如下:
SLIC用户线接口模块;
信号音发生模块;
DTMF双音频识别模块;
电话交换模块;
控制模块;
模块功能简介
SLIC用户线接口模块
用户线接口模块是交换机与电话机的连接部分,根据用户电话机的不同类型,可以区分为数字用户接口模块和模拟用户接口模块。
在实际应用中电话交换机用户电路的功能可以总结为BORSCHT这七个功能。
具体如下:
馈电B
交换机中的馈电电路要向主、被叫用户提供通话所需的直流电压。
馈电电压一般规定为-48v,环路电流不小于18mA,如果用户线距离过长,可以适当提高和电压。
过压保护O
用户线一般架设在室外,可能受到雷电的袭击或者受到高压电路的影响。
高压进入电话交换机内部会是交换机损坏,因此交换机要防止过压过流进入交换机内部。
振铃控制R
铃流信号为90v的交流信号,在振铃控制信息控制下由用户电路输送给用户话机,被叫用户摘机后应停止输送铃流信号。
监视S
此功能用于检测用户摘挂机、电话机发出的拨号信号并送往控制的交换网络以及用户的话路状态。
编译码和滤波C
编译码器的功能是完成模拟信号以及数字信号的相互转换,通常采用PCM编码器coder和译码器decoder组成。
编码器实现模拟信号变为数字信号,译码器实现数字信号变为模拟信号.,它们统称为codec。
PCM的编码速率为64kbit/s/。
混合电路H
用于实现二线和四线的转换。
用户的模拟信号是二线双向信号,PCM信号为四线单向,因此需要混合电路进行二线/四线的转换。
过去由混合线圈实现,现在改为集成电路。
测试T
对用户线进行测试。
信号音发生模块
信号音的种类有很多,我国常用的信号音均采用450HZ单频信号,通过不同的信号断续时间产生如拨号音、忙音以及回铃音信号。
拨号音为连续的450HZ信号,忙音为0.35s通0.35s断的信号,回铃音为1s通4s断的5s连续450HZ信号。
DTMF双音频识别模块
DTMF为双音多频,有16个信号,是话机与交换机之间的用户信令,用于发送被叫用户号码。
由一个高频信号和一个低频信号叠加而成,选用4中取2的方式组成一个组合信号代表一个数字。
CCITT的建议,采用的频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz8种组成16个组合,代表10个数字键0~9和6个功能键*、#、A、B、C、D。
电话交换模块
交换网络实现话音的无阻碍传输,数字交换网络使用两种接线器:
时间接线器和空间接线器。
时间接线器负责时隙交换,空间交换器负责母线交换。
本设计采用空分交换网络,空分接线器由电子矩阵组成,使用n输入n输出组成n×n个电子接点。
空分接线器使用行控制和列控制来控制接点的接通,实现话音的传输。
控制模块
控制模块是整个设计的核心部分,控制各模块完成整个呼叫过程。
包括整个系统的初始化、摘挂机控制、DTMF信号分析、控制电路信号音等部分。
整个系统通过控制模块实现对外部信息的采集、分析与决策。
功能模块的设计
用户线接口模块
用户接口模块采用AMD的AM79R70芯片,内部结构见图2-1该芯片是一款功能较强的SLIC芯片。
AM79R70提供馈电、过压保护、振铃、监视、混合和测试的功能。
AM79R70的引脚定义
AM79R70的引脚定义见图2-2。
各个引脚的功能如下:
AGND/DGND模拟地和数字地;
ATIP接用户线ATIP;
B2EN馈电电源的选择端。
低电平时使用VBAT2馈电;高电平时使用VBAT1馈电;
BRING接用户线BRING;
BGND电源地;
C1~C3控制字输入端,通过此端口选择芯片的工作方式;
D1继电器1的使能端,低电平时有效;
D2继电器2的使能端,低电平时有效;
摘挂机信号输出端,摘机时输出低电平;挂机时输出高电平;
E1信号输出使能端,改脚输入低电平时,可是输出摘挂机信号;
HPAATIP端高通滤波电容;
HPBBRING端高通滤波电容;
RD摘机检测门限调整与滤波;
RDC直流馈电电阻;
RDCR振铃反馈连接点;
RINGIN振铃信号的输入端,需要占空比为50%的方波信号;
RSGH使用VBAT1馈电时,此端口接下拉电阻用来调制开路电压;
RSGL使用VBAT2馈电时,此端口接下拉电阻用来调制开路电压;
RSN模拟语音信号的输入端;
RTRIP1振铃电压门限设置与滤波管脚;
图2-1
RTRIP2振铃电压偏置端;
RYERYOUT1与RYOUT2的发射极输出端;
RYOUT1继电器1开关;
RYOUT2继电器2开关;
VBAT1馈电电源1;
VBAT2馈电电源2;
VCC电源;
VNEG内部-5v电压的返回端;
VTX模拟话音信号的输出端;
图2-2
AM79R70工作所需要的的电源有VCC、VEE、VBAT1、VBAT2四种电压。
其中VCC为+5v;VEE为-5v,此电压已有芯片内部负电压调整器得到,并通过VNEG引脚作为输出端;VBAT1的输入范围为-40v~-67v,一般用-48v,VBAT2的电压幅度范围为-19v~-48V。
芯片的馈电选择由B2EN端控制,当B2EN为高电平时选择VBAT1作为馈电;当B2EN为低电平时选择VBAT2作为馈电。
在实际应用中可以只选用VBAT1,此设计使用-48v电压。
AM79R70的工作方式
AM79R70的工作方式由C1~C3控制字输入端决定,具体的工作方式选择见表2-1。
当C3C2C1为000时,话机处于开路状态,话机不工作;
当C3C2C1为001时,话机为振铃状态,将RINGIN脚的方波信号经内部铃流放大电路通过BRING脚输送给话机;
当C3C2C1为010时话机处于正常工作状态,此时话机话音信号可以通过芯片送至交换网络。
为摘挂机信号输出端,低电平话机处于摘机状态;高电平话机处于挂机状态。
振铃所需的信号为1.5v电压25HZ的方波信号,由RINGIN脚输入。
表2-1
两个话机的具体工作状态如下:
当话机a摘机时,与之相连的AM79R70芯片脚会输出低电平,控制模块扫描到电压改变后会识别出话机a已经摘机。
控制模块会向相应的AM79R70芯片的控制端C3C2C1写入工作状态控制字010此使AM79R70处于正常工作状态,既通话状态。
同时控制模块会对话机的基本信息进行检测如话机的编号、是否具有拨号权限等如果话机通过检查则向用户发送拨号音并启动DTMF双音频识别模块以及交换模块。
此时话机的话音信号会同过交换网络输送至DTMF解码芯片并解出拨出的号码并定位到被叫话机。
如果被叫话机存在,控制模块会向与被叫相连的AM79R70的控制端C3C2C1输出001以使得对应的AM79R70处于振铃状态。
在振铃状态下AM79R70将铃流信号通过RINGIN脚输入到AM79R70内部的铃流放大电路中将输入的铃流信号进行放大通过电话线接口输出到用户话机使电话机振铃。
当话机b摘机后与之相连的AM79R70芯片脚会输出低电平,以向控制模块指示话机b已经摘机。
此后控制模块向话机b的AM79R70控制端C3C2C1输出010使AM79R70处于工作状态。
此时话机b的话音信号可以输送到交换网络并且电话机停止振铃,这样话机a与话机b之间就可以建立一条通路,就可以进行正常的话音传输。
AM79R70的应用
AM79R70的应用电路见图2-3。
图中TIP和RING引脚接至电话机;
BAT1接-48v电压,0v电压参考点为BGND、AGND、DGND三点相连;
VCC接+5v,VNEG为-5v反馈输出点,悬空;
VTX和RSN分别为模拟语音信号的输出和输入端,接至交换网络;
B2EN、C1、C2、C3、E1、接至控制模块,其余控制引脚悬空;
RINGIN脚接铃流信号;
需要注意的是:
电路中存在较高的电压VBAT1、TIP、RING脚,在选用元件时要考虑元件的耐压范围。
图2-3
信号音发生模块
信号音发生模块的主要功能是产生450HZ的信号音以及AM79R79芯片所需的25HZ方波信号。
450HZ信号采用NE555芯片组成RC多谐振荡电路产生。
LM358用于产生25HZ方波信号。
NE555简介
NE555的引脚图见图2-4。
1脚接地点连接至电路公共接地端;
2脚触发输入端触发信号输入使NE555启动时间周期。
触发信号的上缘电压必须大于2/3VCC,下缘电压必须低于1/3VCC;
3脚输出端当NE555启动时间周期次脚为信号输出端,信号为比VCC低1.7v的高电平信号,高电平的最大输出电流约为200mA。
当NE555时间周期截止后输出0v低电平信号;
4脚强制复位端此脚输入低电平时会使NE555复位,并且输出脚输出低电平。
通常此脚接至高电平或悬空;
5脚电压控制端引脚准许由外部电压来改变触发与闸限电压。
当NE555工作在稳定或振荡的方式下,死角的输入能用来改变或调整输出频率;
6脚阈值输入端重置锁定并使输出呈低电平。
当这个引脚的电压从1/3VCC电压以下上升至2/3VCC以上时启动动作;
7脚放电端此引脚和主要的输出引脚具有相同的电流输出能力,当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗,当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗;
8脚电源正端此引脚是NE555的正电源电压端。
供应的电压范围为+5v至+16v;
图2-4
450HZ信号发生电路
此电路采用NE555定时器加RC元件构成多谐振荡电路,能够产生几HZ至几MHZ的矩形信号。
适当选择R1、R2的阻值和C的大小可以使电路产生450HZ的信号。
该电路选用三极管作为NE555的开关控制,三极管选用PNP型S8850。
三极管的发射极接至VCC,基极接至控制模块,集电极接至NE555的VCC电源正脚,三极管随着基极的电平高低呈现开关状态。
当基极输出低电平时,三极管导通发射极被拉至高电平驱动NE555工作;当基极输出高电平时,三极管截止发射极被拉至低电平,NE555停止工作。
通过向该端口输如脉冲信号,就能够是电路产生n秒通n秒断的450HZ脉冲信号,作为信号音通过3脚输出至交换网络。
电路振荡周期计算公式为:
TRl+R2Cln2+R2ln2,f1.43/[Rl+R2C]。
NE555的应用电路见图2-5。
图2-5
铃流信号发生电路
25HZ方波信号采用LM358产生。
LM358内部包括有两个独立的,高增益,内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式。
LM358引脚见图2-6。
图2-6
方波产生电路见图2-7。
如果偏移电压V+等于运放电源电压,可以获得占空比50%的方波,方波周期是?
?
2*R1*C*ln2。
实际上,由于运放LM358的输出范围高端到达不了电源电压,低端也到不了地,上述公式有一定误差。
如果偏移电压减小,占空比也减小,反之则占空比增大。
图2-7
DTMF双音频识别模块
本设计采用MT8870组成双音频识别号电路,输入信号为来自用户接口模块的双音多频信号,输出为4位二进制数据,通过四条数据线Q1、Q2、Q3、Q4输出至控制模块。
MT8870的引脚见图2-8。
图2-8
MT8870工作原理
MT8870的基本工作流程如下:
DTMF模拟信号从IN-脚引入后首先进行双音滤波器初步滤除带外干扰信号,滤出后的信号再经高群滤波器和低群滤波器分离出信号其中的低频和高频分量,随后这两种分量通过过零检测后送至数字检测计算电路;
如果分离出高、低频信号同时被编码器检测到,芯片的ESt引脚会输出高电平,通过此信号可以判定输入的信号是否为双音频信号。
当输入DTMF信号消失时,ESt引脚会输出低电平。
为了防止输入的噪声被MT8870误判,MT8870需要输入端的信号能够延迟一段时间。
时间的长短由PK1和C2组成的电路来决定。
见图2-9。
MT8870应用图2-9
如果输入的信号为DTMF信号,Est引脚输出高电平,电容C2放电,ST/GT引脚上的电压值上升,电压上升至门限VTSt时,输入的音频信号会被编码成四位二进制数字信号。
该数字信号会被锁存起来。
此时ST/GT脚会输出高电平,使此引脚的电压由门限值VTSt升到VCC。
之后只要Est引脚输仍然保持为高电平ST/GT就为高电平,使PK1和C2组成的电路回到初始状态。
芯片将数字信号锁存操作并延时以后STD引脚会输出高电平,表示数字信号已经锁存完毕。
此时控制模块若要从Q1~Q4上读出这四位编码,应使TOE引脚为高电平来打开锁存器。
具体时序图可参见图2-10。
图2-10
信号注释:
Vin输入的DTMF信号;
ESt提前动作输出。
高电平表示检测到DTMF音频信号;
ST/GT动作输入/监视时间。
连接外部RC电路作为延迟判定信号;
Q1~Q4DTMF音频信号译码器输出信号;
StD延时动作输出。
高电平表示出现有效的DTMF信号;低电平表示没有出现有效的DTMF信号。
TOEDTMF译码器输出使能信号。
信号为高电平时,Q1~Q4能够从寄存器中输出译码信号。
控制模块需要得到DTMF的译码值时会扫描查询StD引脚的状态。
当StD上出现一个上升沿的脉冲时,即StD的前一状态为低电平而当前状态为高电平时,就表示输入端输入了新的DTMF信号,控制模块会对从Q1~Q4的到的信号进行分析、储存工作。
依次将得到的不同的DTMF信号值存入一个数组当中。
并对该数组中的号码经行分析处理,既确定收到的被叫用户号码是否有效。
如有效控制模块会打开相应的被叫用户端口进行后续操作。
表2-2
MT8870的数据输出引脚Q1~Q4以及StD连接至控制模块。
控制模块会根据MT8870的真值表来确定电话的按键。
与电话按键相对应的二进制译码值出见表2-2。
如图所示,1~9的编码是8421码,例如”1”的二进制编码为”0001”,”9”的二进制编码为”1001”。
除此之外其余的号码均有不同的二进制编码与之对应。
真值表中一共有16个号码,其中A,B,C,D4个号码通常会被当作R/P,REDIAL,HOLD,HANDSFREE功能来使用。
电话交换模块
MT8816是卓联半导体公司Zarlink使用ISO-CMOS技术制造的8×16大规模模拟交换矩阵,芯片内部具有8×16交叉开关阵列和一个7到128线译码以及一个锁存电路。
通过7线128译码器可以得到128个开关节点中的任意一个的地址。
而DATA端输入的信号可以确定开关节点的通断状态。
根据输入的数据是1还是0,相应的接点会被打开或关闭。
图2-11
MT8816简介
MT8816芯片具有内部控制锁存器和7线128地址译码器,具有上升和保持时间短,4.5V~13.2V的宽电压工作范围,12VPP的模拟信号能力,独立的模拟和数字供电,最大65欧姆的导通能力,低功耗的ISO-CMOS技术最小的引线、亮度和色度干扰等特点。
MT8816的引脚见图2-11。
Y3Y3模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y3列;
AY2Y2的地址输入线;
RESET复位脚,输入高电平使芯片复位;
AX3、AX0X3、X0地址输入线;
X14、X15Xl4、Xl5模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的X14、Xl5行;
X6~X11X6~Xl1模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的X6~Xl1行;
Y7Y7模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y7列;
VSS数字地;
Y6Y6模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y6列;
STROBESTROBE输入端,地址和数据的使能功能,高电平有效;
Y5Y5模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y5列;
VEE负电源供电端;
Y4Y4模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y4列;
AX2、AX1X2、Xl地址输入线;
AY0,AY1Y0,Y1地址输入线;
Xl3,X12X13、X12模拟输入输出,连接到矩阵开关的X13、X12行;
X5~X0X5~X0模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的X5~X0行;
Y0Y0模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y0列;
CS芯片片选端,高电平有效;
Y1Y1模拟输入输出,连接到矩阵开关的Y1列;
DATA数据输入端,高电平使被选择的开关接点打开,低电平关闭被选择的开关接点;
Y2Y2模拟信号的输入输出端,连接到矩阵开关的Y2列;
VDD正电源供电端;
图2-12
图2-12为MT8816的内部结构图,从图中可以看出芯片有Y0~Y7的8条COL线和X0~X15的16条ROW线,共同构成一个8×16的大规模矩阵开关。
矩阵中的任意一个接点可以通过控制端接通或断开。
芯片内部具有节点保持电路,可以是两个以上的节点同时接通。
例如AX0AX1AX2AX3AY0AY1AY2为0000000是打开X0,Y0点,继续控制AX0AX1AX2AX3AY0AY1AY为0000100可以同时打开X0,Y1点。
控制模块可以通过地址线AX0~AX3和数据线AY0~AY2进行控制和选择需要接通的矩阵节点。
AY0~AY2控制Y0~Y7中的一条线。
Y0~Y7编成二进制码,经过译码以后就可以接通矩阵节点相应的COLi;数据线AX0~AX3控制X0~X15中的一条。
AX0~AX3是不编码的,其中一条AROW7线为“1”,控制相应的ROWi以接通相应的矩阵节点。
MT8816的地址表见表2-3
例如要接通X1和Y0之间的矩阵节点,这时要向AY0~AY2送000,同时也要向AX0~AX3送0000。
当送出地址启动门ST时,就能够将对应的矩阵开关接通,图中还有一个引脚叫作“CS”的片选端。
当CS为“1”时,全部矩阵节点就打开了。
具体时序图见图2-13。
图2-13综上所述,MT8816是由7~128线地址译码器,128位的控制数据锁存器和8×16矩阵开关组成,在电路处于正常接通、断开工作状态下,CS端应为高电平,RESET
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