模拟电话通信系统的软件设计.docx
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模拟电话通信系统的软件设计
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生：
指导教师：
完成日期2011年5月
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
模拟电话通信系统的软件设计
SoftwareDesignofAnalogTelephoneCommunicationSystem
总计：
毕业设计（论文）24页
表格：
1个
插图：
17幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
模拟电话通信系统的软件设计
SoftwareDesignofAnalogTelephoneCommunicationSystem
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
模拟电话通信系统的软件设计
电子信息工程专业
[摘要]本文是基于单片机的模拟电话通信系统的软件设计，设计的核心是设计一个简易的程控交换系统。
本设计的重点是交换系统的软件设计，其设计的主要内容是对单片机进行编程，使其能够完成对整个系统的控制，实现呼叫、接续、拆线等各种通信功能。
本设计以AT89C51为控制核心，以MT8816为交换芯片，开发和实现一种高性价比、符合电信标准规定的程控电路交换机。
本设计的优点在于价格低廉且性能良好，并且有很大的扩展空间，使其能够应用于许多领域。
本设计的重点是当系统要同时处理多个用户的请求时，所涉及到系统的实时性和并发性的问题，这是程控交换机软硬件设计的焦点和难点。
在本系统中同时采用了查询和中断两种方式，来解决这个问题。
[关键词]程控交换机；中继接口；空分交换；双音多频
SoftwareDesignofAnalogTelephoneCommunicationSystem
ElectronicInformationEngineeringSpecialty
Abstract:
Thisarticleisbasedonsinglechipmicrocomputersimulationoftelephonecommunicationsystemofsoftwaredesign;thedesignofthecoreistodesignasimpleprogram-controlledexchangesystem.Thisdesignisthefocusoftheexchangeofsoftwaresystemdesign,thedesignofthemaincontentistoprogramtheMCUtoenablecompletecontroloftheentiresystemtoachievethecall,continuation,disconnectandotherfunctionsofcommunication.
ThisdesigntakeAT89C51asthecontrolcore,asexchangesthechiptakeMT8816,developsandrealizesonekindofhighperformance-to-priceratio,toconformtothetelecommunicationstandingoperatingprocedureprogramcontrolelectriccircuitswitchboard.Thisdesign’smeritliesinthelowinprice,andtheperformanceisgood,andhastheverybigexpansionspace,enablesitstoapplyinmanydomains.
Thekeypointofthisdesigniswhenthesystemwantssimultaneousworkingtherequestsofmanyusers,involvestosystem’stimelinessandtheconcurrencyquestion,thisistheprogramcontrolledswitchsoftwareandhardwaredesignfocalpointandthedifficulty.Simultaneouslyusedinthissysteminquiredandinterruptstwoways,solvedthisproblem.
Keywords:
SPCExchange;relayinterface;spaceswitching;dual-tonemultifrequency
目录
1引言1
1.1本课题研究的主要内容1
1.2国内外研究现状2
2电话通信系统的工作原理2
2.1系统的总体结构设计2
2.2各模块的功能分析3
2.2.1用户接口电路3
2.2.2语音处理单元4
2.2.3交换网络和中心控制单元4
3系统的硬件实现4
3.1控制系统的实现4
3.1.1CPU及其扩展电路6
3.1.2DTMF接收器电路7
3.2接口电路8
3.2.1用户接口电路8
3.2.2中继接口电路10
4控制软件的设计11
4.1电话工作状态分析12
4.2控制系统的呼叫处理过程13
4.2.1局内呼叫处理14
4.2.2出局呼叫处理15
4.2.3入局呼叫处理15
4.3动作集16
4.3.1交换网络的管理17
4.3.2信令、中继及收号器的管理19
4.4中断处理模块和程序流程图20
5系统设计结果21
结束语22
参考文献23
致谢24
1引言
通信网是由用户终端设备、传输设备和交换设备组成。
它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与其他用户通信。
程控交换机是数字电话网、移动电话网及综合业务数字网中的关键设备，在通信网中起着非常重要的作用。
而交换机的基本功能是实现任意入线与任意出线之间的互连，即实现任意两个用户之间的信息交换。
为此，交换机的基本组成应包括接口、交换网络和控制系统三个部分。
接口的作用是将来自不同终端或其他交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作信号，并按信号的性质分别将信令传送给控制系统，将信息传送给交换网络。
交换网络的任务是实现入线、出线上信号的传递或接续。
控制系统负责处理信令，按信令的要求控制交换网络完成接续，通过接口发送必要的信令，并协调整个交换机的工作。
程控就是存储程序控制，程控交换是利用计算机软件进行控制的一种交换方式，故程控交换机是电子计算机控制的交换机[1]。
1.1本课题研究的主要内容
方便、快捷的公共交换电话网（PSTN）线路遍布世界各地。
已经成为生活中不可缺少的部份。
它具有成本低，范围广，重复建设少等优点。
PSTN通信网基于电路交换方式，其核心设备——电路交换机如同是交换网的“立交桥”。
交换技术从早期的人工交换、机电交换发展到电子交换，从模拟交换发展到数字交换，从布控发展到程控。
如今先进的电路交换机同时采用数字交换、空分交换、时隙交换和程序控制等技术，因此具有抗干扰能力强，交换容量大以及控制灵活等特点。
设计一种采用89C51单片机控制的小型程控交换机，该小型程控交换机采用一条电话外线作为中继线，可扩展4部分机，具有多种接听方式，具有多种通话功能，其具有可靠性高、成本低、电路简单、使用方便、语音质量好的优点。
满足办公室、家庭等，只有一条电话外线又需接多部电话且其之间可相互通信的地方的需要[2]。
本课题首先分析了程控交换机的组成原理，建立了一个程控交换系统。
该系统应该包含交换机的各个组成部分，包括接口、交换网络和控制系统，它们应该能够实现相应的各部分的功能，同时便于检测和演示。
然后，针对控制系统部分进行了软件设计。
因为控制系统要控制整机运行实现局内呼叫、入局呼叫和出局呼叫的自动交换能力，首先是对于一个用户呼叫处理过程的设计，它的设计比较简单，只要根据呼叫的过程编写相应的控制程序控制各部分动作即可；然后，要针对多个用户来设计控制程序。
因为当用户数较多时涉及到控制系统的实时性和并发性问题，它往往是程控软件的一个重点和难点问题，所以要对硬件部分进行相应的调整，然后建立合理的软件模型，在此基础上用单片机C语言来实现。
1.2国内外研究现状
目前市场上类似高端产品，如日本NEC公司生产的NEAX-61系列、美国AT&T公司生产的No.5ESS系列等。
这类产品都拥有强劲的性能，超高的稳定性和完善的支援系统，自然也就拥有天价。
而在市场上大多数产品虽然称为“程控交换机”，但据其表现，充其量只能算是一个电话线路分离器，无论是在参数指标上还是在可靠性等方面，都没有很好地达到国际电信协会建议的标准，相当部分的机型仍然运用模拟电路搭建交换阵列，导致可靠性差。
随着经济的发展和人民生活水平的提高，电话通讯在生活及工作中发挥了重大作用，但普通的一个或多个话机并行接入一根外线的模式已经远远不能满足生活和工作上的需要，并带来许多不便；专用的交换机又太昂贵及功能太过强大造成浪费[3]。
因此，针对程控交换机仿真系统的研究主要是对它的控制系统的改善，用较简单的单片机系统来实现它的控制，有利于降低成本。
2电话通信系统的工作原理
本系统包括了程控交换机的所有基本部件：
以单片机为核心的控制系统、四个用户接口、两个中继接口、8×16交换网络以及信号发生源等，能够实现自动局内呼叫处理、出局呼叫处理以及入局呼叫处理。
同时可在该硬件平台下借助单片机仿真器自由的编写程控软件。
2.1系统的总体结构设计
本系统的核心是程控交换部分。
程控交换机通常由控制系统、接口和交换网络三个部分组成。
控制系统是整个交换机系统的枢纽，它的功能分为两大类：
呼叫处理；运行、管理和维护（OAM）。
其中，呼叫处理是交换机的基本功能。
它主要负责处理信令，按信令的要求控制交换网络完成接续、通过接口发送必要的信令，来协调整机工作。
OAM功能指控制系统在无人干预或很少人干预的情况下自动完成对交换机的运行、管理和维护等。
程控交换机的控制系统的结构如同一般计算机系统，包括中央处理器（CPU），存储器（MEM）和输入/输出（I/O）接口三个部分[4]。
但是与一般的计算机系统相比，它又有接口种类多，输入数据量大，实时性强等特点，因此程控交换机的控制系统常采用专门的CPU和I/O集成电路。
接口是交换机中唯一与外界发生物理连接的部分。
为了保证交换机内部信号的传递与处理的一致性，任何外界系统原则上都必须通过接口与交换机内部发生关系，因此，接口部分往往是交换机最庞大的部分。
根据接口所连接的设备，接口可主要划分为与用户电话相连接的用户接口和与其它交换机相连的中继接口两大类。
它们通常都是由专用的集成芯片组合而成。
系统原理框图如图1所示。
图1系统原理框图
交换网络又称接续网络，可由一个或多个交换器组成。
它的任务是实现各入、出线上信号的传递或接续。
在实际中，当入线数目很大时，出于实现技术和经济上的考虑，常需要用多个交换器组成一个交换网络。
但无论交换网络如何组成，从外部看，它们的作用都是相同的，即可在控制系统的控制下实现连接在交换器上的任意一条入线和出线的连通与断开。
交换网格的结构和实现是目前交换机中设计技术最成熟的部分，通常由专用的集成芯片组成。
2.2各模块的功能分析
2.2.1用户接口电路
用户接口电路（SLIC）是用户线与交换机的接口电路。
由于某些信号（如振铃、直流馈电等）不能通过电子交换网络，因此把某些过去由公用设备实现的功能移到电子交换网络以外的用户电路来实现。
归纳起来，目前数字程控交换机中用户电路的功能可归纳为BORSCHT这七个功能，具体如下：
B（BatteryFeeding）——馈电；
O（Over-voltageProtection）——过压保护；
R（RingingControl）——振铃控制；
S（Supervision）——监视；
C（Codec&Filters）——编译码与滤波；
H（HybridCircuit）——混合电路；
T（Test）——测试；
2.2.2语音处理单元
该模块的主要功能有与SLIC接口，语音的滤波及编译码。
与SLIC的接口主要实现两方面的作用：
一是通过与SLIC的接口控制用户线的状态；二是分配给用户的话路时隙，完成与后面的交换模块的接口[5]。
编译码是将模拟语音信号转换成PCM码流，把PCM码还原为模拟信号。
数字滤波器对语音信号进行带限。
为了实现时分交换，采用A率编码，每一话路量化编码后的速率为64kb/s，32路组成一帧，64kb/s×32=2.048Mb/s。
所以对每一路语音分别进行量化编码时就需要2.048MHz的位时钟和8KHz的帧首脉冲，作为时隙定位信号。
用户的话音可以通过软件被分配到0-31中的任意时隙。
2.2.3交换网络和中心控制单元
该模块主要包括：
用户电路的扫描和驱动、信号音的产生、定时单元、控制微处理器单元。
定时单元：
提供用户电路的编译码、交换网络的时钟和帧首信号。
用户电路的扫描和驱动：
用户扫描就是检测用户线环路状态，即通断状态。
并以此来决定用户话机的摘挂和检测脉冲拨号[6]。
用户驱动就是控制用户线的状态，比如向用户振铃，送忙音，通话等。
信号音的产生：
信号音指的是交换机送往用户的信号，如拨号音、忙音、回铃音等。
当主叫摘机时，听到拨号音才能拨号；主叫拨完号码，如果被叫闲则会听到交换机送来的回铃音，否则听到忙音。
信号音可能有模拟信号音和数字信号音两种，对于不同时间断续的拨号音、忙音和回铃音，是使用同一450Hz的单频信号，由硬件或软件控制器通断。
收号器：
话机有双音多频拨号和脉冲拨号两种，相应的端局应能识别这两种拨号，脉冲拨号可以通过扫描用户通断状态识别，双音多频则使用专用芯片MT8870来接收。
总的来说，交换网络的功能是实现话音的无阻塞交换，即完成时隙交换，也就是完成任意PCM复用线上任意时隙之间的信息交换。
在具体实现时应具备以下两种基本功能：
在一条复用线上进行时隙交换功能，在复用线之间进行同一时隙交换功能。
这两种基本功能分别由时间接线器和空间接线器实现。
中心控制单元由一片单片机芯片控制这个模块协调有序的完成呼叫的全过程。
3系统的硬件实现
3.1控制系统的实现
系统是整个交换机的核心，几乎所有的交换处理都要求在控制系统的的参与下才能进行。
呼叫处理是交换机的基本功能，也是本装置控制系统的基本功能，它主要按照信令的指示控制交换网络完成接续和拆线[7]。
控制系统的工作包括以下几个方面：
（1）接收终端和其它交换机发出的信令。
例如，及时检测到话机经接口系统发来的摘机信号；接收话机发出的电话号码等；
（2）指导呼叫过程进行。
例如，通过接口向话机发送拨号音，提示用户拨号；或发送催挂音，促使用户挂机等；
（3）根据接收到的信令，完成线路的接续和拆除。
例如，根据收到的电话号码，在交换网络中选择一条空闲的绳路，然后向交换网络发出闭合相应交点的命令。
收号挂机信号时，则应释放相应的绳路和交换链路；
（4）接收键盘的输入的结果。
包括键盘的功能设定等。
基于上述功能要求，提出了如图2所示的控制系统功能框图。
图2控制系统功能框图
各部分的功能和实现如下：
（1）CPU：
中央处理器，负责处理和储存信息，由单片机89C51实现；
（2）DTMF接收器：
接收DTMF信号，同时译成四位的二进制码，接收存储后送给CPU处理。
由专用芯片MT8870及通道选择电路完成；
（3）用户状态检测电路：
识别用户的摘挂机状态，送给CPU处理。
由89C51的P1口完成；
（4）信号控制音电路：
按照CPU发出的指令，控制信号音的通断。
由I/O扩展芯片8255完成；
（5）交换网络驱动电路：
输出交换器的地址和开关控制数据。
由74LS373来完成；
（6）键盘输入：
进行功能设定，包括电话会议、超时设定、系统复位等。
为2×4矩阵8个按键。
3.1.1CPU及其扩展电路
控制系统的CPU采用AT89C51型单片机，它是一种低功耗、高性能带有4K字节闪速EPROM的八位CMOS微型计算机，其具有128字节的RAM，32根I/O线，两个16位的定时计数器，两个六矢量双态中断结构[8]。
对本系统而言，内部程序存储器和数据存储器已经满足设计要求，不需进行扩展，EA/VPP接高电平。
单片机的工作时钟采用12M的晶振，因此机器周期为1us。
为了满足接口数目的要求，扩展了三个I/O芯片：
8255和74LS373。
其中8255控制信号音和接收电话号码，74LS373驱动交换网络。
图3为89C51及扩展电路原理图，以下为各管脚的接法与功能：
图3CPU及扩展电路的接口原理
（1）89C51
P0：
低八位地址线和数据输出口；
P2：
高八位地址线；
P1.0-P1.3：
输入摘挂机的状态；
P1.4-P1.7：
输出收号的选通开关；
INT0-INT1：
输入收号器的数据输出允许；
TO-T1:
输出1-4s和0.35-0.35s的信号音控制波形。
（2）8255
片选信号线为A14；
PA0-PA3：
铃流控制信号；
PA4-PA7：
回铃音控制信号；
PB0-PB3：
忙音控制信号；
PB4-PB7：
拨号音控制信号[9]。
3.1.2DTMF接收器电路
在电话拨号中有两种拨号方式，即脉冲拨号和双音多频（DTMF）拨号。
双音多频拨号方式是指用两个特定的单音频信号的组合来代表数字或功能，两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能不同。
在双音多频电话中有16个按键，其中有十个数字键0-9，6个功能键*、#、A、B、C、D，按照组合的原理，它必须有8种不同的单音频信号。
将这8种不同频率的信号分为高频群和低频群两组，再从两组中各任取一个进行组合，就得到16种不同的组合，代表了16种不同的数字或功能。
由于脉冲拨号方式是按一定的断续比和速率来断续电话线环路而发出脉冲的,它与拨号脉冲相比有如下缺点：
（1）拨号速度慢；
（2）脉冲信号在线路的传输中容易产生波形畸变，可能产生错号；
（3）脉冲信号的幅度较容易产生线间干扰。
基于以上原因，本系统中采用现在电话中常用的DTMF拨号发送器[10]。
图4是DTMF接收电路的内部工作原理图。
DTMF接收器先经高、低群带通滤波器进行fL/fH区分，然后过零检测、比较，得到相应于DTMF的两路FL、FH信号输出。
该两路信号经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于16种信号音对的4bit二进制码。
图4DTMF接收器内部工作原理图
在本系统中，DTMF接收器采用的是MT8870芯片。
它至多能够检测16路用户电路的DTMF信号，可通过模拟开关来控制多通道的接入[11]。
同时，模拟开关还有对话音进行隔离的作用。
多通道的处理要保证不出现漏检的现象，可在软件中采取排队等待的方式进行。
图5和6分别为DTMF信号接收器的电路原理框图和电路图。
图5DTMF信号接收器的电路框图
图6DTMF信号接收器的电路图
3.2接口电路
接口的作用是将来自用户线或中继线的各种不同信令和消息转化成统一的机内信号，以便控制单元或交换网络进行处理或接续[12]。
用户接口连接的是用户电话，因此用户电路所具备的功能与其连接的话机本身的性能有关，在本系统中的用户接口针对的是模拟电话机。
中继接口连接的是上级交换机的用户接口，它必须具备电话的基本功能，所以它的设计与用户接口有根本上的区别。
3.2.1用户接口电路
用户接口电路也可以称为用户线接口电路（SubscriberLineInterfaceCircuit-SLIC），它的作用是将用户线输入的信令和消息转化为机内信号。
把信令送给交换控制系统处理，把消息送给交换网络。
CCITT为程控交换机的模拟用户接口规定了七项功能：
B（馈电）、O（过压保护）、R（振铃控制）、S（监视）、C（编译码和滤波）、H（混合电路）、T（测试），这七项功能合称为BORSCHT功能。
图7是用户接口电路的原理图，振铃控制信号选择是向用户线馈电（－48V）还是加载铃流（25Hz/75V），用户线状态向控制系统送出用户电话的摘、挂机状态，混合电路实现模拟二线双向信号与PCM发送、接收数字四线单向信号之间的转换，编译码电路完成模拟话音与PCM数字信号间的转换。
图7接口电路的功能框图
实际中，基于实现和应用上的考虑，通常将BORSCHT功能中过压保护由外接元器件完成，编译码器部分采用专用的集成芯片，其余功能有集成模拟SLIC承担。
（1）SLIC集成电路
●振铃和馈电回路
来自控制系统的振铃控制信号加到MH88612的RC端，驱动继电器线圈来选择加载到电话线的是－48V直流馈电电压，还是铃流Ring。
其中，二极管桥起续流的作用。
●状态检测回路
状态检测回路通过检测电话环线的电流确定用户电话的摘挂机状态，并通过SHK端输出到控制系统[13]。
当用户电话处于摘机状态时，环路有电流通过，SHK送出高电平，三极管导通，发光二极管亮；当用户挂机后，环路没有电流通过，SHK送出低电平，三极管截止，发光二极管灭。
●混合电路
电话的话音模拟信号通过该电路转换成来话1VR和去话1VT。
●过压和过流保护
热敏电阻R1,R2,R3起过流保护的作用。
过压保护在芯片内部实现。
（2）PCM编译码器
PCM编码器的功能是将模拟信号经取样、量化、编码后得到PCM码；PCM译码器则是将PCM码经译码、低通滤波、放大后得到模拟信号。
将两者集成到一个集成芯片上成为PCM编译码器。
在本系统中采用TP3067作为编译码器，它的功能比较强，既可以进行A-Law变换，也可以进行u-Law变换。
选择它进行A-Law变换，以2.048Mbit来传送信息，信息帧为无信令帧。
TP3067在进行A-Law编译码变换时所需工作时钟为2.048MHz，FSx和FSr端的帧同步信号需为8KHz窄脉冲。
为了得到这些时钟信号，需要进行时钟电路的设计。
图8是PCM编译码工作时钟和帧同步脉冲产生的电路方框图。
图8工作时钟生成原理框图
3.2.2中继接口电路
一个交换机有了中继接口就可以与别的交换机建立联系从而扩大其所接用户的通话范围。
中继接口和用户接口最大的不同之处在于前者连接的是交换机而后者连接的是电话机。
用户交换机的中继接口连接的是上级交换机的用户接口，而用户接口一般用来接电话，所以中继必须能检测到上级交换机发来的铃流来发起入局呼叫处理，同时能够模仿电话机摘/挂机动作以建立连接，建立连接后此后应该自动向对方发送语音提示音引导对方拨号。
因此，中继接口至少要由四个部分组成：
铃流检测部分、模拟摘挂机部分、音频2/4线变换部分、语音提示部分等[14]。
如图9所示。
图9中继接口硬件框图
（1）铃流检测电路
当局外用户向本局用户发起呼叫时，与本局交换机相接的上级交换机会向本局的中继接口发送铃流信号以作为发起
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