基于单片机的简易程控交换系统的设计.docx
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基于单片机的简易程控交换系统的设计
吉林建筑大学
电气与电子信息工程学院
《现代交换技术》课程设计报告
设计题目：
基于单片机的简易程控交换的系统设计
专业班级：
电子信息工程111
学生姓名：
学号：
10210134
指导教师：
杨佳吴贺君
设计时间：
2014.12.22－2015.01.02
教师评语：
成绩评阅教师日期
摘要
本次课程设计介绍了一种基于STC90C516RD+单片机控制的小型程控空分交换系统。
利用空分交换芯片MT8816、双音多频芯片MT8870、STC90C516RD+单片机以及外围电路组成。
本文详细介绍了MT8816以及MT8870芯片的工作原理以及工作单元电路设计，整体方案设计和电路设计，使其性能更加的稳定。
用户交换机是构成现代交换式通信网的重要设备，主要由用户线接口部分、交换网络和控制系统三大部分组成。
交换网络执行交换机的传送功能。
从原理上看，最基本的交换网络是一个交叉接点矩阵，它提供任意输入与输出之间的可控的连接。
控制器执行交换机的控制面功能因此需要多种接口，以实现相应的适配功能，根据要求本系统不详细介绍和应用接口电路。
目录
一、设计的作用、目的…………………………………………………………1
二、设计任务及要求……………………………………………………………1
三、设计内容……………………………………………………………………1
四、设计原理……………………………………………………………………1
4.1交换原理简述………………………………………………………………1
4.2双音多频信号的工作原理…………………………………………………3
五、硬件系统框图………………………………………………………………4
六、硬件系统设计………………………………………………………………5
6.1设计思路……………………………………………………………………5
6.2器件清单……………………………………………………………………6
6.3器件介绍……………………………………………………………………6
6.3.1MT8816芯片的介绍……………………………………………………6
6.3.2MT8870芯片的介绍…………………………………………………7
6.3.3单片机STC90C516RD+的介绍……………………………………………8
6.4单元电路…………………………………………………………………10
6.4.1上电复位电路…………………………………………………………10
6.4.2上电指示灯电路………………………………………………………10
6.4.3晶振电路………………………………………………………………10
6.4.4电源电路………………………………………………………………11
6.4.5数码显示电路…………………………………………………………11
6.4.6解码电路………………………………………………………………12
6.4.7交换网络电路…………………………………………………………12
七、系统软件设计………………………………………………………………13
7.1软件设计思路……………………………………………………………13
7.2程序流程图………………………………………………………………14
八、心得体会…………………………………………………………………15
九、参考文献…………………………………………………………………15
附录一（电路原理图）…………………………………………………………16
附录二（源程序）………………………………………………………………17
一、设计的作用、目的
课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等于有特殊作用。
本次课程设计一方面通过对交换网络的设计，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。
二、设计任务及要求
1、掌握时分交换网络的原理及具体实现方法；
2、掌握空分交换网络的原理及具体实现方法；
3、掌握基于单片机的时空交换网络系统的设计；
4、利用相关软件实现电路图的绘制。
三、设计内容
1、有上电指示灯；
2、能正确手动复位；
3、交换器采用T型接线器；
4、使用双音多频解调电路读取电话号码；
5、电话号码在数码管中显示；
6、其它扩展功能
四、设计原理
4.1交换原理简述
在程控交换机中交换网络由一个或多个交换单元构成。
交换单元一般被封装成集成（交换网络芯片），这样就可以根据需要组成大小不同的交换网络。
交换单元有很多种，最典型的交换单元是开关阵列，它是用各种各样的开关所构成的，是最基本、最直接、也是最早使用的交换单元。
在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，最简单最直接的想法就是使用开关。
在每条入线和每条出线之间都各自接上一个开关，所有的开关就构成了交换单元内部的开关阵列。
若交换单元的每条入线能够与每条出线相连接，则被称为全连接交换单元；若交换单元的每条入线只能够与部分出线连接，则被称为部分连接交换单元或非全连接交换单元。
若交换单元是由空间上分离的多个小的交换部件或开关部件按一定的规律连接构成，则称其为空分交换单元。
开关阵列是一种空分交换单元。
开关阵列中的开关通常有两状态:
接通成断开。
当开关接通时，该开关对应的入线和出线就被连起来；当开关断开时，入线和出线就不被连接。
开关阵列拓补结构上可排成方型或矩形二维阵列，井分别被称为N*N方形开关阵列和M*N矩形开关阵列。
如下图，图中表示了用M*N有向矩形开关阵列实现的M*N有向交换单元及M*N无向矩形阵列。
其中，连接线代表入线和出线，交叉点（实心圆点）代表开关，则共有M*N个开关。
图4.1M*N无向矩形开关阵列图4.2M*N有向矩形开关阵列
1、因为每条入线和每条出线的组合都对应着一个单独的开关，所以在任何时间，任何入线都可以连接任何出线。
而且由于从任何给定的入线到出线的通道上只存在一个开关，所有开关控制简单，具有均匀的单位延迟时间。
2、一个交叉点代表一个开关，因此通常用交叉点数目表示开关数目。
因为对指定入线和出线数的交换单元，其开关数反映了实现的复杂程度和成本的高低，所以应尽量减少交叉点数目。
减少交叉点数目是交换领域的重要研究课题。
开关阵列的交叉点数取决于交换单元的入线和出线数，是两者的乘积，当入线和出线数增加时，交叉点数目会迅速增加，因此开关阵列适合于构成较少的交换单元。
3、当某条入线与其连接的所有出线间的一行开关部分成全部处于接通状态，开关阵列很容易地实现了同时发送功能。
同样，若干条出线对应的一列开关部分或全部接通，若干条入线同时接至一条出线，也很容易产生出线冲突。
所以，一列开关只能有一个处于接通状态。
4、由于开关是开关阵列中的唯一部件，所以交换单元的性能依赖于所使用的开关。
如果开关是可以双向转送信息的，则可构成无向交换单元（图4.1）；如果开关只能单向转送信息，则可构成有向交换单元（图4.2）。
如果开关是用于传送数字信息的，则交换单元也用于交换数字信息；如果开关是用于传送模拟信息的，则交换单元也用于交换摸拟信息；用光开关还构成光交换单元。
5、开关阵列具有控制端和状态端。
在最简单的情况下，每个开关都有一个控制端和一个状态端，分别是用于控制和表示开关的通断状态.因为开关的状态只有两种，所以，控制端的控制信号和状态端的状态描述信号均可用两种电平0或者1来表示，如果某个开关某时刻的控制信号为1，则需要该开关接通；控制信号为0，则将该开关断开。
4.2双音多频信号的工作原理
1、双音多频拨号和脉冲拨号
在电话单机中，有两种拨号方式，即脉冲拨号和双音多频拨号。
双音多频，简写DTMF（DualToneMultiFrequency）。
本文介绍的DTMF信号的接收电路是由STC90C516RD+单片机控制大规模集成电路MT8870芯片以及外围电路所构成的。
外围电路主要由标准晶振（3.58MHz）和有关的电子元件组成，电源电压为+5V。
大规模集成电路MT8870芯片包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器，其基本原理如图4.3所示。
图4.3DTMF接收器的的原理框图
双音多频（DTMF）拨号方式中的双音多频是指用两个特定的单音频信号的来代表数字或者功能，两个单音频的频率不同，所代表的数字和功能也不同，在双音多频电话机中有16个按健，其中有10个数字键0-9，6个功能键*，#，A，B，C，D，按照组合的原理，它有8种不同的单音颇信号，由于采用的频率有8种，故又称为多频，又因以8种频率中任意抽出2种进行组合，又称为8中取2的编码方法.根据CCITT的建议，国际上采用697Hz，770Hz，852Hz，941Hz，1209Hz，1336Hz，1477Hz，1633Hz，把这8种频率分成两个群，即高频群和低频群，从高频群和低频群中任意抽出一种频率进行组合，共有16种不间组合，代表16种不同数字功能（见表4.1）。
表4.1音多频高频低频组合频率
高频低频号码
1029Hz
1336Hz
1447Hz
1633Hz
697Hz
1
2
3
A
770Hz
4
5
6
B
852Hz
7
8
9
C
941Hz
*
0
#
D
多频信号的组合标准是由国际电报电话咨询委员会向世界各国推荐的。
它共有8个不同的频率，1000赫兹以下的频率称为低频群，1000赫兹以上的频率为高频群。
每一个低频和一个高频代表电话机一个选号，8个频率共有16种不同组合，分别代表16个信号。
普通型的双音频电话机。
双音频属带内信号，在线路越长时，其衰耗也越大，为了满足程控交换机接收器对呼叫信号的要求和防止相邻线间的相互串扰，对双音频信号电平有比较严格的要求，目前世界各国根据本国的线路状况，作出了一些相应的规定。
为了防止市话交换机接收器的误动作，
双音频信号还必须满足以下要求：
（1）高、低频各1个且必须同时出现，才能被接收器检出为呼叫信号。
（2）高、低频率的误差要小。
我国的标准为正负百分之一点八，国外有的规定为正负百分之一点五，精度要求更高。
由于交换机的窄带滤波器的通频带做得非
常窄，如果选号信号频率误差过大，交换机就将其作为干扰信号处理。
表4.2MT8870译码表
fL（Hz）
fH（Hz）
NO.
EN
D04
D03
D02
D01
697
1209
1
H
L
L
L
H
697
1336
2
H
L
L
H
L
697
1477
3
H
L
L
H
H
770
1209
4
H
L
H
L
L
770
1336
5
H
L
H
L
H
770
1477
6
H
L
H
H
L
852
1209
7
H
L
H
H
H
852
1336
8
H
H
L
L
L
852
1477
9
H
H
L
L
H
941
1336
0
H
H
L
H
L
941
1209
*
H
H
L
H
H
941
1477
#
H
H
H
L
L
697
1633
A
H
H
H
L
H
770
1633
B
H
H
H
H
L
852
1633
C
H
H
H
H
H
941
1633
D
H
L
L
L
L
L
Z
Z
Z
Z
方式是按一定断续和速率来判断的。
目前，脉冲拨号与双音多频拨号相比，它有如下缺点：
拨号速度慢；脉冲信号在线路传输中容易产生波形变形，可能产生错号；脉冲信号的幅度较容易产生线间的干扰。
2、DTMF发送器的原理与构成
下图是典型DTMF发送器原理图，它主要包括：
（1）晶体振荡器：
外接晶体（通常采用3.58Hz）与片内电路构成振荡器，经分频产生参考信号。
（2）键控可变时钟产生电路：
它是一种可空分频比的分频器，通常由N级移位寄存器与键控反馈逻辑单元组成。
（3）正弦波产生电路：
它由正弦波编码器与D/A变换器构成，通常，可变速时钟信号先经过5位移位寄存器，产生一种5位移位代码，再由可编程逻辑阵列（PLA）将其转换成二进制代码，加到D/A变换器形成台阶型正弦波。
显然台阶的宽度等于时钟频率的倒数，这样形成的正弦波信号频率必然对应于时钟的速率和按键号码。
（4）混合电路：
将键盘所对应产生的行、列正弦波信号（即低、高群FL、FH）相加、混合成双音信号输出，如图所示：
图4.4混合电路
五、硬件系统框图
本次设计系统框图如图5.1所示：
图5.1硬件系统框图
电话交换机的主要任务是实现用户间通话的接续。
基本划分为两大部分：
话路设备和控制设备。
话路设备主要包括各种接口电路（如用户线接口和中继线接口电路等）和交换（或接续）网络；控制设备在纵横制交换机中主要包括标志器与记发器，而在程控交换机中，控制设备则为电子计算机，包括中央处理器（CPU）,存储器和输入/输出设备。
程控交换机实质上是采用计算机进行“存储程序控制”的交换机，它将各种控制功能，方法编成程序，存入存储器，利用对外部状态的扫描数据和存储程序来控制，管理整个交换系统的工作。
交换网络的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。
在纵横制交换机中它采用各种机电式接线器（如纵横接线器，编码接线器，笛簧接线器等）,在程控交换机中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。
用用户电路。
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的交换功能。
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着各模块协调有序的完成呼叫的全过程。
控制部分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。
程控交换机控制设备的主体是微处理器，通常按其配置与控制工作方式的不同，可分为集中控制和分散控制两类。
为了更好的适应软硬件模块化的要求，提高处理能力及增强系统的灵活性与可靠性，目前程控交换系统的分散控制程度日趋提高，已广泛采用部分或完全分布式控制方式。
六、硬件系统设计
6.1设计思路
本系统是依据程控交换原理设计的微型空分交换系统。
其基本设计原理为：
当用户1摘机呼叫用户2时，交换机向主叫方发送拨号音，同时，由单片机将主叫号码送七段显示器显示，主叫方拨打相应号码后，程序控制将话机的输出与DTMF模块相连接，进行双音多频信号的译码，每收到一个DTMF信号，DTMF模块即可译出相应的BCD码，同时给单片机送1个“己译出”的信号，作为中断信号，使单片机中断，STC90C516RD+单片机读入数据同时显示被叫号码，此时交换机切断拨号音，并检测被叫方状态，若被叫用户忙，则交换机向主叫方发送忙音；否则，向被叫方送铃流、向主叫方送回铃音。
当被叫方摘机后，交换机切断铃流和回铃音，接续话路，双方开始通话，并启动通话计时。
当一方挂机后，计时停止显示通话时间，并向对方送催挂音，对方挂机后系统拆线复原。
6.2器件清单
表6.1器件清单
器件名称
数量（个）
器件名称
数量（个）
电阻（100k）
3
STC90C516RD+
1
电阻（10k）
2
电阻（300）
17
电阻（1k）
2
晶振（11.0592M）
1
瓷片电容（30uF）
10
晶振（3.58M）
1
电解电容（47uF）
2
MT8870
1
发光二极管
1
MT8816
1
开关
2
74HC595
2
直流电源（5V）
1
数码管（4位）
2
6.3器件介绍
6.3.1MT8816芯片的介绍
MT8816是一个大小为8x16的模拟开关阵列。
开关阵列是8列乘16行。
列是Y输入/输出而行是X输入/输出。
交叉模拟开关阵列当打开时将任何的Y输入/输出与任何的X输入/输出互相连接，当关掉时提供一个隔离的高程度。
一个128位的控制存储器有只写位被地址输入（AY0-AY2,AX0-AX3）选中的RAM。
数据在数据输入端被送到存储器。
只要CS（芯片选择）和选通脉冲（STROBE）输入是高电平，数据被异步写入存储器，而且在选通脉冲（STROBE）下降沿被锁存。
存储器单元被写入逻辑"1"时对应的交叉开关打开，而被写入逻辑"0"把对应的交叉开关关掉。
只有当数据写入存储器时与地址存储器地址相应的交叉开关才改变。
剩余的开关保持他们的原来状态。
通过在控制存储器内建立适当的模式，可以使任何X和Y的组合输入/输出互相连接。
RESET输入是逻辑"1"时，不管CS是高或低电平，所有的存储器位置异步返回逻辑"0"关掉所有的交叉开关。
二个电压叁考管脚（VSS和VEE）能使MT8816负模拟信号转变。
数字信号的范围是从VDD到VSS而模拟信号的范围从VDD到VEE。
如果需要单电压叁数VSS和VEE可以连在一起。
图6.1MT8816引脚图
表6.2MT8816芯片引脚功能
引脚
功能作用
AX0~AX3
行地址总线（输入）
AY0~AY2
列地址总线（输入）
CS
片选信号
DATA
数据总线
STROBE
阀门开关
RESET
复位信号
X0~X15
开关阵列16路行输入或者输出
Y0~Y7
开关阵列8路列输入或输出
NC
空脚
VSS
数字地
VEE
电源-5V
VDD
VCC（+5V）
6.3.2MT8870芯片的介绍
MT8870音调译码器（ToneDecoder）是MITEL公司所开发生产为一颗常用复频译码IC，这个电路可以接收DTMF信号，是一个完整的DTMF接收器。
它接收了DTMF信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，然后将讯号送至数字译码器以解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线（Q1、Q2、Q3、Q4）输出到外部共享Bus上。
值得一提的是，当MT8870解出一个按键值且输出到外部时，其STD接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，我们便可利用此特点侦测到此脚有讯号时便马上将Q1-Q4接脚所产生的值读入CPU，然后解出电话的按键值。
用户音频电路电话机发出的双音多频（DTMF）信号通过电容（0.1μF）及电阻（100kΩ）耦合到芯片的第2脚，2脚是芯片内部运算放大器的反向输入端，3脚是运放的输出端，输入输出之间接一个100kΩ的比例放大电阻。
芯片的11脚至14脚是DTMF信号的二进制代码的输出数据通道。
它们与单片机的数据总线相连。
芯片内部的DTMF信号代码可通过此通道进入控制电路的RAM中。
芯片的18脚接电源+5V，16、17脚与18脚之间所接的电阻（100kΩ）及电容（0.1μF）是识别DTMF信号时所需的时间常数电路。
5、6、9脚接地，1脚与4脚相连，7、8脚之间接一个3.5795MHz的晶振，分频产生芯片内部所需的DTMF信号双音对中的各单音比较信号，芯片的15脚是DTMF信号检测输出，当芯片接收到双音多频信号时，15脚输出高电平，15脚通过反相器接到单片机的外部中断0引脚，平时15脚为低电平。
芯片的10脚为数据允许输出端，允许芯片接收到的DTMF二进制代码从11~14脚输出，高电平有效。
平时10脚保持低电平，11~14脚为高阻态。
这种接线方式是常规使用的接线方式。
图6.2MT8870引脚图
其引脚功能如下表：
表6.3MT8870引脚功能
PIN
脚位
说明
PIN
脚位
说明
1
IN+
OPA非反相输入端
18
VDD
电源正电压
2
IN-
OPA反相输入端
17
St/GT
动作输入/监视时间
3
GS
增益选择
16
Est
提前动作输出
4
Vref
参考电压输出
15
StD
延迟动作输出
5
INH
禁制输入信号检出
14
Q4
三态译码数据输出
6
PWDN
电源下降输入
13
Q3
三态译码数据输出
7
OSC1
内部振荡电路输入端
12
Q2
三态译码数据输出
8
OSC2
内部振荡电路输出端
11
Q1
三态译码数据输出
9
VSS
电源地线
10
TOE
三态输出端
6.3.3单片机STC90C516RD+介绍
STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。
STC90C516RD+单片机有一下特点：
1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU2.工作电压：
5.5V-3.8V（5V单片机）/3.8V-2.4V（3V单片机）3.工作频率范围：
0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.4.用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字节5.片上集成1280字节/512/256字节RAM6.通用I/O口（35/39个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3-5秒即可完成一片8.EEPROM功能9.看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下时，可省外部复位电路，复位脚可直接接地。
11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒13.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART14.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃15.封装：
LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44
管脚说明：
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输
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