小型程控交换机的课程设计知识分享.docx
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小型程控交换机的课程设计知识分享
小型程控交换机的课程设计
湖南文理学院课程设计报告
课程名称：
专业综合课程设计
系部：
电气信息与工程学院
专业班级：
通信2班
学生姓名：
王昊东
指导教师：
王立
完成时间：
____2013年6月13日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
小
型
程
控
交
换
机
的
设
计
第一章交换原理
1.1交换机构成
程控交换机的主要任务是实现用户间通话的接续,由两大部分组成：
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。
1.1.1 交换网络
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。
1.1.2 用户电路
用户电路的作用是实现各种用户线与交换之间的连接，通常又称为用户线接口电路（SLIC,Subscriber Line Interface Circuit）。
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 （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）。
模拟用户线电路是适应模拟用户环境而配置的接口，其基本功能有:
1.馈电（Battery feed）:
交换机通过用户线向共电式话机直流馈电；
2.过压保护（Overvoltage Protection）:
防止用户线上的电压冲击或过压而损坏交换机；
3.振铃（Ringing）：
向被叫用户话机馈送铃流；
4.监视（Supervision）：
借助扫描点监视用户线通断状态，以检测话机的摘机，挂机，拨号脉冲等用户线信号，转送给控制设备，以表示用户的忙闲状态和接续要求；
5.编解码（CODEC）：
利用编码器和解码器（CODEC）,滤波器，完成话音信号的模数与数模交换，以与数字交换机的数字交换网络接口；
6.混合（Hybrid）：
进行用户线的2/4线转换，以满足编解码与数字交换对四线传输的要求；
7.测试（Test）：
提供测试端口，进行用户电路的测试。
这7种功能常用第一个字母组成的缩写词（BORSCHT）代表。
对于模拟程控交换机，不需要编解码功能；而在数字程控交换机中，除某些特定应用的小型交换机利用增量调制方式外，其它大部分均采用PCM编解码方式。
数字用户线电路是为适应数字用户环境而设置的接口，它主要用来通过线路适配器（LAM）或数字话机（SOPHO-SET）与各种数据终端设备（DTE）如计算机，打印机，VDU,电传相连。
1.1.3 出入中继器
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。
它的功能和电路与所用的交换系统的制式及局间中继线信号方式有密切的关系。
对模拟中继接口单元（ATU）,其作为是实现模拟中继线与交换网络的接口，基本功能一般有：
发送与接收表示中继线状态（如示闲，占用，应答，释放等）的线路信号。
转发与接收代表被叫号码的记发器信号。
供给通话电源和信号音。
向控制设备提供所接收的线路信号。
对于最简单的情况，某一交换机的中继器通过实线中继线与另一交换机连接，并采用用户环路信令，则该模拟中继器的功能与作用等效为一部“话机”。
若采用其它更为复杂的信号方式，则中继器应实现相应的话音，信令的传输与控制功能。
数字中继线接口单元（DTU）的作用是实现数字中继线与数字交换网络之间的接口，它通过PCM有关时隙传送中继线信令，完成类似于模拟中继器所应承担的基本功能。
但由于数字中继线传送的是PCM群路数字信号，因而它具有数字通信的一些特殊问题，如帧同步，时钟恢复，码型交换，信令插入与提取等，即要解决信号传送，同步与信令配合三方面的连接问题。
数字中继接口单位的基本功能包括帧与复帧同步码产生，帧调整，连零抑制，码型变换，告警处理，时钟恢复，帧同步搜索及局间信令插入与提取等，如同模拟用户电路的BORSCHT,也可将数字中继单元的上述8种功能概括为GAZPACHO。
1.1.4 控制设备
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。
1.2交换机的控制方式
交换机的控制方式主要有两种：
布线逻辑控制和存储程序控制。
1.2.1布线逻辑控制（WLC,Wired Logic Control）它是通过布线方式实现交换机的逻辑控制功能,.通常这种交换机仍使用机电接线器而将控制部分更新成电子器件,因此称它为布控半电子式交换机,这种交换机相对于机电交换机来说,虽然在器件与技术上向电子化迈进了一大步,但它基本上继承与保留了纵横制交换机布控方式的弊端,体积大,业务与维护功能低,缺乏灵活性,因此它只是机电式向电子式演变历程中的过度性产物。
1.2.2存储程序控制（SPC,Stored Program Control）它是将用户的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,从而完成各种交换功能.通常这种交换机属于全电子型,采用程序控制方式,因此称为存储程序控制交换机,或简称为程控交换机。
1.3信令系统
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（信令），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。
按信令的作用区域划分，可分为用户线信令与局间信令，前者在用户线上传送，后者在局间中继线上传送。
如果按信令的功能划分，则可分为监视信令，地址信令与维护管理信令。
第二章核心模块——交换网络的介绍
2.1交换网络的一般结构和工作原理
交换网络是交换系统的核心。
将若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式，可以构成交换网络。
交换网络的三要素就是交换单元、不同交换单元之间的拓扑连接和控制方式，其结构图如下所示：
交换网络的一般结构
在本设计中采用的是同步时分交换网络，由时间交单元、空间交换单元这两种基本交换单元组成。
2.1.1时间交换单元
时间交换单元又称为时间接线器，简称为T单元或T接线器，其功能是完成一条PCM复用线上各时隙之间的信息交换。
如下图所示，时间交换单元主要由信息存储器和控制存储器构成。
信息存储器用来暂时缓存存储要交换的信息，控制存储器用来寄存脉冲码信息的时隙地址。
（a）顺序写入，控制读出（b）控制写入顺序读出
T接线器的组成和原理图
设输入话音信号在TS50，要求经过T接线器以后交换至TS240上去，然后输出至下一级。
下面分别介绍两种工作方式的原理。
“顺序写入，控制读出”的工作原理：
CPU根据这一要求，通过软件在控制存储器的240号单元写入“50”.这个写入是由CPU控制进行的，因此把它叫做“控制写入”。
控制存储器的读出由定时脉冲控制，按照时隙号读出相对应单元内容。
如0时隙读出0单元内容;1时隙读出1单元内容……这种工作方式叫做“顺序读出”。
话音存储器的工作方式正好和控制存储器的方式相反，即是“顺序写入，控制读出”。
即，由定时脉冲控制，按顺序将不同时隙的话音信号写入相应的单元中去。
写入的单元号和时隙号一一对应。
而读出时则要根据控制存储器的控制信息（读出数据）而进行。
由于向话音存储器输入话音信号不受CPU控制，而输出话音信号（读出时）受到由CPU控制的控制存储器的控制，因此把它总称为“顺序写入，控制读出”方式。
根据图中的例子，话音的输入时隙号为50，在定时脉冲控制下就可写入到50号单元中。
因为CPU在控制存储器中的240号单元己写入了内容“50”，在定时脉冲控制下，在TS24O这一时间，从控制存储器的地址240中读出内容为“50”，把它作为话音存储器读出地址，立即读出话音存储器的50号单元。
这就是原来在50号时隙写入的话音信号内容。
因此在话音信号50号单元读出时己经是TS24O了，即己把话音信号从TSSO交换到TS240，实现了时隙交换。
“控制写入，顺序读出”的工作原理：
话音存储器的写入要受控制存储器的控制，而其读出则受定时脉冲控制按顺序读出，所以称为“输入控制”。
控制存储器仍然是由CPU控制写入，在定时脉冲控制下按顺序读出。
但是CPU写入到控制存储器的内容却不同了。
如图（b）所示，CPU要在控制存储器的50号单元写入内容“240”。
然后控制存储器按顺序读出，在TS50时读出内容“240”，作为话音存储器写入地址，将输入端Ts50中的话音内容写入到240号单元中去。
话音存储器按顺序读出，在TS240读出240号单元内容，这也就是TS50的输入内容，这样就完成了时隙交换。
2.1.2空间交换单元
空间交换单元又称为空间接线器，简称为S单元或S接线器，其作用是完成不同PCM复用线之间同一时隙的信码交换。
如下图所示，它由交叉接点矩阵和控制存储器组成。
（a）输入控制方式（b）输出控制方式
S接线器的组成和原理图
上图表示2
2的交叉接点矩阵，它有2条输入复用线和2条输出复用线。
控制存储器的作用是对交叉接点矩阵进行控制，控制方式有以下两种。
输入控制方式：
它按输入复用线来配置CM，即每一条输入复用线有一个CM，由这个CM来决定该输入PCM线上各时隙的信码，要交换到哪一条输出复用线上去。
输出控制方式：
它按输出PCM复用线来配置CM，即每一条输出复用线有一个CM，由这个CM来决定哪条输入PCM线上哪个时隙的信码，要交换到这条输出PCM复用线上来。
S接线器的工作原理：
以输入控制方式为例。
设输入PCM0的TS1中的信码要交换到输出PCM1中去，当时隙1时刻到来时，在CM0的控制下，交叉点01闭合，使输入PCM0的TS1的信码直接转送至输出PCM1的TS1中去。
同理，在改图中把输入PCM1的TS14的信码，在时隙14时由CM1控制10交叉点闭合，送至PCM0的TS14中去。
因此，S接线器能完成不同的PCM复用线间的信码交换，但是在交换中其信码所在的时隙位置不变，即它只能完成同时隙内的信码交换。
故S接线器不能单独使用。
而输出控制方式的S接线器工作原理与输入控制方式的工作原理是相同的。
第三章基于MT8980的交换网络的具体设计与实现
3.1交换芯片——MT8980
本设计中实现话音交换功能的芯片是MT8980。
MT8980是Mitel公司生产的PCM时分复用时间变换器。
3.1.1MT8980的管脚说明
其芯片引脚图如下所示：
STi0-STi7：
8路串行输入的PCM基群（32信道）码流,速率为2.048Mb/s。
ST00-STO7：
8路三态串行输出的PCM基群码流,速率为2.048Mb/s。
A0~A5:
微处理器接口时地址信号输入。
D0~D7:
微处理器接口时双向数据输入/输出（三态）。
C4i:
时钟输入,频率为4.096MHz,串行码流由此时钟的下降沿定位。
F0i:
帧同步脉冲输入,它作为2.048Mb/s码流的同步信号,低电平使内部计数器在下次负跳变时复位。
CS:
片选信号输入,低电平有效。
DS:
微处理器接口时数据输入选通信号,高电平有效。
R/W:
微处理器接口时读、写控制信号,若输入高电平,为读出;若输入低电平,则为写入。
DTA:
数据应答信号输出（开漏输出）,它为微处理器接口时数据证实信号,若此端下拉至低电平,电路处理完数据,通常DTA经909Ω接+5V。
ODE:
输出驱动允许。
若该输入保持高电平,则SDO0~SDO7输出驱动器正常工作;若为低电平,则SDO0~SDO7呈高阻。
CST:
控制总线输出。
每帧由256b组成,每码元为接续存储器高位256个存贮单元第1位的值。
第0码流相应的码元先输出。
3.1.2MT8980的功能说明
其功能框图如图所示，该芯片由串/并变换器、数据存储器、帧计数器、控制寄存器、控制接口单元、接续存储器、输出复用器与并/串变换器等部分构成。
MT8980功能框图
串行PCM数据流以2.048Mb/s速率分八路由STI0～STI7输入，经串/并变换，根据码流号和信道号依次存入256×8比特数据存储器的相应单元内。
控制寄存器通过接口，接受来自微处理器的指令，并将此指令写入到接续存储器。
这样，数据存储器中各信道的数据按照接续存储器的内容，以某种顺序从中读出，再经复用、缓存、经并一串变换，变为时隙交换后的八路2.048Mb/s串行码流STO0～STO7，从而达到数字交换的目的。
如果不再对控制寄存器发出命令，则电路内部维持现有状态，刚才交换过的两时隙将一直处于交换过程，直到接受新命令为止。
接续存储器的容量为256×11位，分为高3位和低8位两部分，前者决定本输出时隙的状态；后者决定本输出时隙所对应的输入时隙。
另外，由于输出多路开关的作用，电路还可以工作于消息或报文模式，以使接续存储器低8位的内容作为数据直接输出到相应的时隙中去。
MT8980的全部动作均由微处理器通过控制接口控制。
外部CPU可以读取数据存储器、控制寄存器和接续存储器的内容，并可向控制寄存器和接续存储器写入指令。
此外，还可置电路于分离方式，即微处理器的所有读操作均读自于数据存储器，所有写操作均写至接续存储器的低8位。
3.2控制单元——AT89S51
控制单元控制着各模块协调有序的完成呼叫的全过程，本设计中采用AT89S51单片机完成。
AT89S51单片机是Atmel公司所生产的，该单片机在AT89C51的基础上，增加了WDT（看门狗）功能和双数据指针（DPTR）,并且支持ISP/IAP功能，其中看门狗模块可以在单片机出现死机现象时自动使单片机复位。
3.2.1AT89S51的管脚说明
该单片机的引脚图如下：
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
3.3MT8980与AT89S51的连接
MT8980与AT89S51之间的接口信号主要有：
地址线A0～A5、地址线D0～D7、片选信号CS、读写控制信号R/W，另外还有选通信号DS、回应信号等。
当片选信号CS为低电平时，AT89S51可对MT8980内部的寄存器进行读写，DS和DTA作为AT89S51和MT8980之间数据交换的同步信号。
在DS信号的上升沿时刻，如果MT8980的片选信号、数据线、地址线以及读写信号有效，则AT89S51开始对MT8980进行读或写操作。
当MT8980与AT89S51之间完成相应的数据发送或者接收之后，MT8980的DTA送出一个下降沿，表示这次数据交换完成，可以进行下一项操作。
89C51的P3.0、P3.1分别与MT8980的DS、DTA相连，可以比较容易地实现AT89S51和MT8980之间数据交换的同步。
89C51的读信号线RD经反相处理以后，直接与MT8980的读写控制线相连，可以实现对该芯片的读写控制。
其引脚连线图见附录。
3.4基于MT8089的交换网络实现原理
本文在第一章已经介绍了交换系统的整体构成。
在此，对整个交换系统基于核心交换芯片MT8980的实现原理进行阐述。
用户电路是程控交换系统连接模拟用户线的接口电路，主要完成馈电、过压保护、摘挂机检测、二四线转换等功能。
用户集中级完成话务集中的功能，在本系统中将32个话路集中在一起，各个语音信号经过PCM编码后通过复用形成2.048Mbit/s码流，送入MT8980进行交换。
从MT8980输出的2.048Mbit/s码流经相反的处理后送入用户电路。
各个话路的状态检测、拨号数据的接收以及向被叫用户发送振铃信号都通过用户接口电路实现。
中继电路和中继接口电路为本局用户和远端局用户提供数据通道，向远端局发送接续请求，拨号，并且检测远端局送来的振铃呼叫信号。
一次呼叫的建立过程大致如下：
AT89S51以100ms的周期循环检测各用户电路，当某用户摘机后，其状态就反映到用户电路中，AT89S51确认该用户摘机后，即在内存中为该用户分配相应资源，包括记发器、呼叫存储器等，然后向该用户发送拨号音，并开始接收用户的拨号，将号码存储于记发器内，同时内部程序不断地对用户的拨号进行分析，当用户正确地拨完号码以后，AT89S51根据该号码，寻找被叫话机，并向被叫话机发送振铃信号。
被叫用户摘机后，在MT8980内部即为这两个用户建立通路，这样通话开始。
同时AT89S51监视着这两个话路的状态，当其中的一方将电话挂机后，AT89S51即撤销该次接续，并收回相应资源。
总结
上大学以来做了好几次课程设计了，以前的课程设计与当时所学的东西没有太多的联系，有很多都是网上查找资料，边学边做的。
这次非常幸运被分到了小型程控交换机的设计，正好这学期学的现代交换技术可以运用一点自己学的东西到课程设计里面去了。
开始一周觉得还挺简单的，但是结合了书本上的和去网上查的知识，发现要做好这个设计不是那么简单就能搞定的。
我对广义的程控交换还有一点点了解，但是做沉入的研究发现自己只能眼巴巴看着，以芯片为基础去设计真不是我能弄懂的，去网上找到了基于T8980的设计。
发现芯片还是很强大的，那么小的东西能处理那么复杂的情况。
这次课程设计学到了很多有用的东西。
参考文献
[1]罗国明等.现代交换原理与技术.电子工业出版社.—2版.2010年9月
[2]张继荣等.现代交换技术.西安电子科技出版社，2005年2月
[3]姜冰.一种小型程控交换机的设计.电子元器件应用.2003年第5卷第8期
[4]张中荃等.程控交换与宽带交换.人民邮电出版社.2003年11月
[5]谭伟贤.现代电话通信实用技术.冶金工业出版社. 2002.
[6]金蕙文.现代交换原理.电子工业出版社.2000.
附录MT8980与AT89S51的连线图
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