现代交换技术课程设计报告基于单片机的简易程控交换系统的设计.docx
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现代交换技术课程设计报告基于单片机的简易程控交换系统的设计
吉林建筑大学
电气与计算机学院
《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系统的设计
专业班级：
电子信息工程121
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计时间：
2015.12.28－2016.01.08
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单片机控制的小型程控空分交换系统。
程控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。
控制器执行交换机的控制面功能需要多种接口，以实现相应的适配功能。
根据交换机制式和应用环境的不同，用户电路也有多种类型，对于程控数字交换机来说，目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路及与数字话机，数据终端（或终端适配器）连接的数字用户线电路。
本次设计的程控空分交换系统是利用空分交换芯片MT8816、双音多频芯片MT8870、AT89S52单片机以及外围电路组成。
详细介绍了MT8816以及MT8870芯片的工作原理，给出单片机主控模块、双音多频检测模块、数码管显示等模块电路图及工作原理，电路的设计思路清晰，性能稳定满足了设计的基本要求。
关键词:
程控交换；双音多频编解码；单片机AT89S52；数码管显示
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2
4.1程控交换机工作原理2
4.2程控交换机程序流程2
4.3DTMF发送器的原理与构成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器件介绍5
6.2.1单片机主控芯片介绍5
6.2.2MT8816芯片的介绍7
6.2.3MT8870芯片的介绍9
6.3单元电路10
6.3.1上电复位电路10
6.3.2上电指示灯电路11
6.3.3晶振电路11
6.3.4电源电路11
6.3.5数码显示电路12
6.3.6解码电路13
6.3.7交换网络电路14
6.4器件清单15
七、系统软件设计16
7.1软件设计思路16
7.2程序流程图16
八、心得体会17
九、参考文献18
附录I（电路原理图）19
附录II（源程序）20
1、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。
2、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程控交换机工作原理
本课程设计是依据程控交换原理设计的微型空分交换系统。
其基本工作原理：
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数码管显示,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,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。
程序设计思路是根据程控交换机工作过程而制定的,采用分时控制,充分利用CPU资源,实现程控交换机功能：
（1）内部分机间通话:
拨打内部分机需先按Flash键,听到内线拨号音后,再输入分机号码1～8。
如听到忙音,说明线路在“忙”或被叫分机未挂机。
当任何一根外线被占用为内部分机间通话时,为保证外线来电优先接通。
此时CPU将内部通话分机调度到其它空线上或向占线分机发送“嘟⋯嘟⋯”提示音。
（2）拨号:
打外线电话时,摘机后听到外线拨号音,直接拨号即可,也可按重拨键重拨。
直拨外线时,先挂A线,后挂B线。
若外线忙时,则直接挂内线,CPU发送内线拨号音;若无空线,则送忙音。
（3）还有另外有以下几种情况:
主叫方不挂机,被叫方摘机主叫方和被叫方建立征询通话时,外线听回铃音。
当主叫方或被叫方中有一方挂机后,另一方将与外线继续通话;双方均不挂机,且有一方拨“#”号后,则三机共线构成三方通话。
三方通话时,只有当二只分机全部挂机后才结束本次服务。
主叫方不挂机,被叫方不摘机在被叫方响六声铃内仍不摘机时,被叫方停止振铃,主叫方重新接通外线。
主叫方挂机,被叫方摘机在主叫方拨打被叫方后挂机,被叫方摘机后接入外线通话，长途加锁设置程控交换机上电时,全部分机处于长途加锁状态也可设置密码,任一分机解锁使用。
4.2程控交换机程序流程
根据程控交换机功能,整个程序分成初始化、摘机处理、按键处理、挂机处理、外线来电处理、振铃处理和定时器处理七个模块,初始化模块主要是定义常数变量、变量单元、位标志、中断设置、定时器设置/启动分机工作初始状态等。
摘机处理模块主要判别是外线来电摘机、内线来电摘机还是要拨打外线或内线电话。
挂机处理模块比较复杂,既有内外线通话结束挂机,又有内外线通话中止挂机,还有三方通话主叫机挂机或从叫机挂机,其它有中止拨打外线内线挂机、1号分机功能设置完毕挂机等。
外线来电处理模块查询外线有否来电,若来电,还要判别本外线是否被内线占用;占用的话,则要将该绳路调度到其它绳路去;无空绳路时,则要给占用本绳路的分机发送“嘟⋯嘟⋯”声,提示用户有外线来电。
振铃处理模块是在发生摘/挂机和拨号呼叫后,产生相应的分机振铃声、内线拨号音、回音铃、忙音和证实音及振铃时间到后处理等等。
根据交换机制式和应用环境的不同，用户电路也有多种类型，对于程控数字交换机来说，目前主要有与模拟话机连接的模拟用户线电路及与数字话机，终端适配器连接的数字用户线电路。
4.3DTMF发送器的原理与构成
典型DTMF发送器原理图与结构如图4.1所示：
图4.1混合电路图
（1）晶体振荡器：
外接晶体（通常采用3.5795Hz）与片内电路构成振荡器，经分频产生参考信号。
（2）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。
（3）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。
（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，如上图所示。
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。
解码电路是主要由MT8870多音视频芯片构成，它是双列直插解码芯片。
MT8870的STD接单片机的INTO,当STD电平由低变高时引起单片机中断读取电话号码。
交换网络电路电子接线器是空分交换网络的核心部件,我们采用MT8816来完成通话双方线路的接续。
MT8816芯片是SX16的模拟开关阵列,8路列输人/输出（YO一Y7）和16路行输人/输出（XO一X15）形成模拟交换矩阵,芯片有保持电路,可保持任一交叉点处于接通状态,直至接收到复原信号为止,其引脚如图4所示。
单片机的PO口通过列地址线AYO—AYZ和行地址线AXO—AX3控制列线与行线选择需要接通的交叉点（例如,要接通YO和Xl间的交叉点需向AYO—AYZ送000,向AXO—AX3送1000）。
DATA为交叉点开关控制位,高电平时交叉点开关连通相反则断开。
RST为复位信号输人,高电平时全部开关均置于截止状态。
STB为选通脉冲输人,单片机送人列、行地址码后还必须给STB端送一脉冲信号同时DATA置高电平,才能使MT8816完成接续工作,MT8816拆线复原的过程与接续过程类似,此时只须将DATA置低电平即可。
数码管显示电路是由74HC595是一款BCD码转端为7段输出的集成电路芯片，利用它可以直接驱动共阳极的7段数码管。
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
74HC595芯片驱动数码管显示不同的数。
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，AT89S52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器件介绍
6.2.1单片机主控芯片介绍
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S52是此系统的最佳选择。
单片机控制模块的作用是控制各单元电路的运行并完成数据的换算或处理，主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。
单片机引脚图如图6.1所示：
图6.1单片机引脚图
1、主要性能参数
·与MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k字节可重擦写Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作:
0Hz-24MHz
·三级机密程序存储器
·128X8字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·2个16位定时/计数器
·5个中断源
·可编程串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式
2、功能特性
AT89S52提供了一个标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡及时钟电路。
同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，只允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3、引脚功能说明
（1）VCC:
电源电压。
（2）GND:
地。
（3）P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可使其成为高阻抗输入端。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分别被地址（低8位）和数据总线使用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（4）P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。
（5）P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程时，P2亦接受高位地址和其他控制信号。
（6）P3口：
P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写“1”，它们被内部的上拉电阻拉高，此时可作输入口，做输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
（7）RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
（8）ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出拱顶的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
禁止后，只有一条MOVX和MOVC指令可激活ALE。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
（9）EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）。
EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位IB1被编程，复位时内部会锁存E端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚要加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
（10）XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
（11）XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
6.2.2MT8816芯片的介绍
MT8816是一个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，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，所有存储器位置异步返回逻辑"0"关掉所有的交叉开关。
数字信号的范围是从VDD到VSS而模拟信号的范围从VDD到VEE。
MT8816引脚图如图6.2所示：
图6.2MT8816引脚图
表6.1MT8816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/者输出
Y0~Y7
开关阵列8路列输入/输出
NC
空脚
VSS
数字地
VEE
电源-5V
VDD
VCC（+5V）
6.2.3MT8870芯片的介绍
MT8870双音多频音调译码器（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。
MT8870引脚图如图6.3所示：
图6.3MT8870引脚图
其引脚功能如表6.2所示：
表6.2MT8870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单元电路
6.3.1上电复位电路
复位电路如图6.4所示：
图6.4上电复位电路图
单片机在启动运行时都需要复位，复位使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的工作状态，并从这个状态开始工作。
在系统中，有时也会出现显示不 正常，也为了调试方便，需要设计一个复位电路，复位电路主要完成系统的上电 复位和系统在运行时用户的按键复位功能。
在此系统中单片机的复位靠外部电路实现的，单片机有一个复位引脚 RST，高电平有效。
只要RST保持高电平，单片机便保持复位状态。
此时，ALE/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。
RST变成低电平后，退出复位状态，CPU开始正常工作。
需要注意的是，复位操作不影响片内RAM的内容。
复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号。
上图为基本RC复位电路，其电路为高电平复位有效。
S为手动复位开关，可以实现上述基本功能。
复位电路单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。
复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。
单片机的复位方式可由手动复位方式完成。
电阻、电容器的参考值R=10KΩ、C=10uF。
6.3.2上电指示灯电路
图6.5上电指示灯电路图
当单片机上电时，上电指示灯亮起，系统开始工作。
6.3.3晶振电路
图6.6晶振电路图
单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作时钟电路是微型计算机的心脏，它控制着计算机的二：
作节奏。
CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。
51单片机的时钟信号可以由两种方式，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号：
另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。
如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机是无法工作的。
6.3.4电源电路
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压，确保电路的正常稳定工作。
采用L7805稳压块，输出为5V。
电子组件要正常运作都需要电源电压供电，一般常用的电源电压为+5V或+12V，因为数字IC（IngegratedCircuit：
集成电路）所供给的电压为+5V，而CMOSIC所供给的电压为+12V，7805是一个稳压块。
7805稳压管把高电压转换到低电压，7805稳压管具有保护单片机的作用。
L7805输出端要并联上一个电解电容，滤除交流电干扰，防止损坏单片机系统。
本设计采用只采用了稳压电源。
黄色发光二极管表示保温，红色的表示加热状态。
图6.7电源电路图
6.3.5数码显示电路
74HC595是一款BCD码转为7段输出的集成电路芯片，利用它可以直接驱动共阳极的7段数码管。
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
74HC595芯片驱动数码管显示不同的数字。
LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O口来驱动，要知道一个单片机可用的I/O口才32个。
所以采用动态扫描的方法。
其原理图如图6.8所示：
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