1、1 基于 AT89S52 单片机的程控交换机设计 2 摘要 随着通讯产业的发展，固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。但同时也急剧增加了市话网的话务负荷。用户型程控电话交换机是市话交换机的一种补充设备，它为市话网承担了大量的单位和家庭内部用户间的话务量，减轻了市话网的话务负荷。另外它靠近用户，因而缩短了用户线距离，节省了用户电缆。同时只用一根电话线接入市话网，起到话务集中的作用。本文介绍了基于家庭电话线的四门程控电话交换机的设计和实现。在文中主要 介绍了该设计的硬件电路、软件设计流程、系统测试。程控控制器的 MCU 采用 AT89S52 单片机，是本系统的核心器件，由 MT8870 实现电话按
2、键的 DTMF 信号的解码，由继电器来控制各门话机的通断，通过继电器控制电源产生周期性信号来模拟产生内部通话的来电铃流，用 1602 液晶显示屏显示话机的通话状态。 关键词 AT89S52； 交换机 ； 程控控制器 3 目 录 摘要 . 2 第 1 章 绪论 . 4 1.1 程控电话交换机的发展历程 . 4 1.2 本文研究内容 . 5 第二章 系统结构及功能介绍 . 6 2.1 系统工作原理概述 . 6 2.2 系统的功能和使用 . 7 2.2.1 系统的功能 . 8 2.2.2 使用说明 . 10 第三章 硬件系统的设计 . 12 3.1 系统硬件总概述 . 12 3.2 自动摘 /挂机
3、. 16 3.3 DTMF 信号解码电路 . 18 3.4 LCD1602 显示电路 . 20 3.4.1 扩展 I/O 口电路 . 20 3.4.2 液晶显示 . 21 第四章 系统软件设计 . 22 4.1 主程序部分 . 22 4.2 自动摘 /挂机 . 23 第五章 系统测试 . 26 第六章 结束语 . 28 致谢 . 30 参考文献 . 32 4 第 1 章 绪论 1.1 程控电话交换机的发展历程 电话交换机的发展经历了五个阶段 ：第一个阶段是人工电话交换机；第二个阶段进入自动交换，以史端乔式的步进制电话交换机为重要标志；第三阶段是纵横式交换机，使机电式交换机发展到了比较完善的阶段
4、；第四阶段转入了电子式交换机的阶段，在控制系统中用电子器件代替了许多电磁器件，但在交换机网络的接续上还没有突破空分的接续方式；第五阶段进入程控数字交换的时代，无论在控制方式还是交换接续方式上都有很大的变革，成了通向 ISDN 的重要支柱1。 随着数字通信与脉冲编码调制 (PCM)技术的迅速发展和广泛应用，世界各先进国家自 60 年代开始以极大的热情竞相研制数字程 控交换机，经过艰苦的努力，法国首先于 1970 年在拉尼翁 (Lanion)成功开通了世界上第一个程控数字交换系统 E10,它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。由于程控数字交换技术的先进性和设备的经济性，使电话交换跨上了
5、一个新的台阶，而且对开通非话业务，实现综合业务数字交换奠定了基础，因而成为交换技术的主要发展方向，随着微处理器技术和专用集成电路的飞跃发展，程控数字交换的优越性愈加明显的展现出来。目前所生产的中大容量的程控机全部为数字式的。 我国自 1982 年在福州引进日本的 F-150 交换机后，到 1991 年底，已引进程控数字交换机达到 600 万门之多，但仍远远满足不了国内电话的需求。为了适应迅速发展的电话通信事业，除了引进了八、九种 国外产品外，我国也进行了相关的自主研发。 5 1.2 本文研究内容 电话属半双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。操作者可以通过各种提示音
6、即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。电话遥控这一课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的半双工通信特点。本作品正是针对 这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。本作品的各种电器接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。 6 第二章 系统结构及功能介绍 2.1 系统工作原理概述 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
7、：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 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
8、 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 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7 接的数字用户线电路 (DLC)。 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
9、的交换系统的制式及局间中继线信号方式有密切的关系。 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。 2.2 系统的功能和使用 在电话网中，信号音种类繁多，具体来讲，可包括单频信号和多频信号两大类。单频信号如用户线上传送的拨号音，忙音和回铃音等，我国采
10、用 450Hz和 950Hz 频率的单频信号，通过不同的断续时间，可得到不同的信号音。 在交换机中，音频信号是以数字信号的形式产生和发送的，数字信号音发生器的硬件是只读存储器 ROM，对于不同的信号音发生器来说，其区别是 ROM中存放的取样值不同。另外，不容的信号音发生器所需的 ROM 的存储单元数也不同。 举例说明单频信号的产生原理，比如拨号音的产生： 当用户摘 机发出呼叫请求后，程控交换机检测到这一事件，在进行必要分8 析后，如果判定用户可以呼出，应发送拨号音通知用户，发送拨号音的过程，是将用户的接收通路连接到系统中的信号音发送通路的过程，通常通过数字交换网络完成。交换机将模拟的拨号音进行
11、抽样，量化和编码后，以数字形式存储在存储器中，播放过程就是依次驱除响应的信号音存储器中各单元的内容，通过 PCM链路送到用户通路的过程。 本系统为音频信号发生器，主要用于用户交换机中，告知主被叫呼叫进程所处的状态。如在一次呼叫的建立过程中，拿起电话与对方挂断电话我们都会听到表征着不同意 义的信号声，例如“嘟嘟”等，这些极其重要的信号音是可以由音频信号发生器产生。此外，该（电路）音频信号发生器略作改动，还可以作为报警器，计时器等应用与各行各业中，如医院用的病房呼叫器，厂房、车间的智能控温报警器，倒车警告器等。 该音频信号发生器的主要原理是：由 555 时基定时器构成多谐振荡器，其（输出）振荡频率
12、，振荡周期，占空比均可调。只要振荡的频率（在音频范围内）足够快，我们在其输出端接上一个小功率喇叭，就能听到类似于“嘟嘟”的声音，这就是整个系统的原始声音。那么，我们又怎样对其进行控制，从而 达到发出不同声音的呢？ 2.2.1 系统的功能 本作品使用了大量的硬件电路完成部分功能模块，其目的就是充分利用硬件电路的可靠性、稳定性，使整体电路达到比较高的稳定性，采用硬件电路实现部分功能，而且使用了大量的抗干扰元器件，例如：光耦合器，去耦电容等，提9 高系统的看干扰能力，从而是整个系统的性能更可靠。 因为程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大为约30mA 的电流，交换机检测到回路电流变大
13、就认为电话机已经摘机。当用户摘机时，电话机通过叉簧接上约 200的负载，使整个电话线回路流过约 30mA 的 电流。交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直流，完成接续。 自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关，继电器的控制端连接一个大约 200的电阻接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。 当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号。振铃为 25 3 伏的正弦波，谐铃失真不大于 10%，电压有效值 90 15V。振铃以 5 秒为周期，即 1 秒送， 4秒断。根据振铃信号电压比较高的特点，可以先使用高压稳压二极管进行降压，然后输入至光电耦合器。经过光电耦合器的隔离转换，
14、从光电耦合器输出的波形是时通时断的正弦波 ，经过 RC 回路进行滤波输出很标准的方波。方波信号就可以直接输出至单片机的中断计数器输入口，完成整个振铃音检测和计数的过程。 本单元电路主要是由反向电路、 D 触发器和继电器等控制电路组成，电路不是很复杂，只是通过单片机控制多路继电器的开关即可，常用的电路已经很成熟可以直接应用。 此部分是整个系统的关键，它的工作情况直接决定了系统的可靠性。经过翻阅大量的文献资料，发现使用电话专用的双音频编解码芯片进行输入双音频信号的解码，是比较常用的一种方法。使用集成电路不但外围电路简单，而且可靠性强。经过专用集成电路的解码，信 号转换成为不同的码制信号，可以直接被
15、单片机读取。一般常用的电话双音频编解码集成电路有 MT8870、 MT8880、 MT888810 等，经过反复论证比较，决定采用双音频解码集成片 MT8870 来完成此功能模块。有关 MT8870 的详细介绍请参阅本报告的后面附录 C 部分。 2.2.2 使用说明 本系统语音存储采用了美国 ISD 公司的 ISD2590 芯片，该芯片具有抗断电、音质好，使用方便等优点。有 10 个地址输入端，寻址能力可达 1024 位；最多能分 600 段；设有 OVF（溢出）端，便于多个器件级联。 ISD2590 芯片如图 2 3所示。 当有电话呼入并且电话远程控制器拾机后，操作人员便会在语音提示电路的提
16、示下输入密码，选择通道，设定各种数值，执行开机、挂机等操作，语音电路采用语音录放芯片 ISD2590。内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作指令可通过串行通信接口（ SPI 或 Microwire）送入，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪存中，因此能够非常真实，自然地再现语音、音乐、音调及效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩 造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为 4.0， 5.3， 6.4， 8.0KHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，可以在断电情况下保存 100 年（典型值），反复录音 10 万次，将需要提示的语音信息按段录入到芯片后，在 CPU的控制下将录入的信息顺序由音频输出端输出，然后经音频功率放大器放大后输送到电话线路上。 经过比较，决定使用 AT89S52 作为控制的单片机芯片，具体有关 AT89S52的介绍不在这里累述，其详细资料请参阅本报告的 2.1.2 部分。 本单元可以使用 AT89S52 的两个计数器的外部中断方式来实现对 不同信号
