基于SM8951的小型程控交換機設(shè)計

　　引言

　　雙音多頻(DTMF)信號由貝爾實驗室發(fā)明，最初是用于電話系統(tǒng)中電話機與交換機之間的一種用戶信令，通常用于發(fā)送被叫號碼。DTMF信號由高頻群和低頻群組成，高、低頻群各包含四個頻率。一個高頻信號和一個低頻信號疊加組成一個組合信號，代表一個數(shù)字。DTMF信令有16個編碼。雙音多頻的撥號鍵盤是4×4的矩陣。每按一個鍵就發(fā)送一個高頻和低頻的正弦信號組合，因為任何2個頻率之間沒有諧波干擾，因此其抗干擾能力很強，遠(yuǎn)程傳輸之后的誤判率很低。

　　交換機中DTMF、解碼芯片采用CM8870實現(xiàn)通訊線路上雙音多頻信號的解碼功能，該芯片將偵聽到的雙音多頻信號轉(zhuǎn)換為二進制四位代碼，發(fā)往單片機，為單片機提供數(shù)據(jù)流的目的信息。雙音多頻信號是一組由高頻信號與低頻信號疊加而成的組合信號。雙音多頻信號解碼是交換機中非常重要的組成部分，是否能夠準(zhǔn)確地解碼出線路發(fā)送來的雙音多頻信號是建立通信鏈路的關(guān)鍵，它的工作情況直接決定了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊的可靠性。本系統(tǒng)采用的雙音頻解碼芯片CM8870集成了頻帶分離濾波器和數(shù)字解碼器，可以將接收到的DTMF信號轉(zhuǎn)換成8421碼。

　　1CM8870解碼功能實現(xiàn)

　　1．1CM8870芯片簡介

　　CAMD公司的CM8870雙音多頻信號解碼器為單片18腳DIP封裝芯片，該芯片內(nèi)含濾波器與數(shù)據(jù)解碼功能，可濾除340～3400Hz外的非音頻信號，同時將音頻信號轉(zhuǎn)換為二進制4位數(shù)字信號，內(nèi)部CMOS工藝大大降低了芯片功耗，功耗僅為35mW。CM8870內(nèi)置一個差分輸入放大器、一個時鐘產(chǎn)生器及一個三態(tài)鎖存接口總線，減少了芯片外圍組件，只需要接一個普通晶振即可正常工作。其特點如下：提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能；功耗低于35mW；可以工作在工業(yè)溫度范圍內(nèi)；可外接晶振，且內(nèi)含震蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號；采用18引腳DIP，EIAJ，OIC，PLCC封裝。

　　CM8870電路的基本特性是提供DTMF信號分離濾波和譯碼功能，輸出相應(yīng)的16種DTMF頻率組合的4位并行二進制碼。電路輸出的二進制碼D1～D4由數(shù)據(jù)輸出允許段TOE控制，當(dāng)TOE為高電平時，D1～D4輸出與當(dāng)前輸入的DTMF信號相對應(yīng)的二進制碼；當(dāng)TOE為低電平時，D1～D4端呈高阻狀態(tài)。運放和R1，R2，C1組成一反相放大器，對輸入的DTMF信號進行隔離放大，其增益．K=-R2／R1，改變R2的值可改變增益的大小，VREF為基準(zhǔn)電壓輸出端，取VDD／2=2．5V；INH和PD為內(nèi)部電路連接點，應(yīng)接地；OSCl和OSC2為振蕩器輸入輸出端，外接3．58MHz晶振與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號；STD為延遲控制輸出端，當(dāng)一組有效的雙音頻信號被接收時輸出“1”，否則輸出“O”；ESt為初始控制輸出端，若電路檢測出可識別的單音對，則此端變成高電平，若無輸入信號或連續(xù)失真，則ESt返回低電平；SI／GT為控制輸入端／時間監(jiān)測輸出端。功能框圖如圖1所示。

　　雙音多頻信號是用兩個不同頻率的信號組合來表示一個字符或數(shù)字。這兩個頻率一個選自低頻段，一個選自高頻段，每個頻段分別包含四個不同的頻率，因而總共可以組合成16種選擇，而常用的只有12種，它們是O～9，以及#號和*號。CM8870能將DTMF信號譯碼成4位二進制碼。

　　1．2CM8870的收號過程

　　CM8870組成收號電路，它的輸入為來自模擬用戶接口雙音多頻信號，輸出為4位二進制數(shù)據(jù)，供處理器從數(shù)據(jù)總線口讀入。其收號過程如下：模擬信號從IN一腳引入后，經(jīng)雙音濾波器初步濾除帶外干擾信號，隨后，此濾出信號在經(jīng)高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，這兩種分量分別通過過零檢測后送給數(shù)字檢測計算電路；該電路對音頻信號進行進一步的優(yōu)化，能排除外部噪聲因偶然含有某些特定頻率而被編碼器編碼，或者影響編碼器的編碼，從而引起后續(xù)的收號錯誤。當(dāng)高、低頻組信號同時被編碼器檢測到時，ESt腳將輸出高電平作為有效檢測DTMF信號的標(biāo)志，而當(dāng)DTMF信號消失時，ESt腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被CM8870誤編碼，編碼器要求被編碼的音頻信號能維持一段時間，這段時間由外部的一個RC電路來決定。如前所述，當(dāng)音頻信號被檢測到時，ESt輸出高電平1，電容放電，VC上的電壓值上升(假設(shè)信號在整個要求時間內(nèi)部存在)，VC升到一個門限值Vrst時，該音頻信號被編碼，變成了數(shù)字信號，該數(shù)字信號將被鎖存起來，此時，GT就為高，使VC點的電壓由門限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持為高，GT就為高，外部的RC電路回到初始狀態(tài)，隨后，經(jīng)過一段鎖存操作引起的延時后，STD腳輸出高電平，表示信號鎖存完畢。這時，若要從Q1～Q4上讀這4位編碼，應(yīng)使TOE為高，打開鎖存器，就完成了DTMF的收號任務(wù)。

2單片機控制CM8870設(shè)計

　　2．1SM895l控制框圖

　　SM8951外圍電路連接如圖2所示，單片機通過P1．4管腳與模擬摘掛機電路相連，有設(shè)備呼叫通信時，單片機會通過該管腳檢測到線路上有摘機動作，然后單片機控制鈴流發(fā)生器向呼叫方發(fā)送撥號音，收到號碼后，將該號碼用DTMF、解碼器解碼并經(jīng)過P2．7腳發(fā)給單片機，單片機對該號碼進行分析，確定主叫方呼叫的對象，而后單片機摘機，判定終端交換機是否空閑，若空閑則發(fā)送呼叫號碼，收到回應(yīng)后，給被叫方發(fā)送振鈴音，給主叫方發(fā)送回鈴音，被叫一旦摘機，則單片機馬上退出操作，完成呼叫轉(zhuǎn)移。

　　CM8870與SM8951單片機的接口電路如圖3所示。SM8951單片機的PO．O～PO．3讀取CM8870的譯碼數(shù)據(jù)，當(dāng)CM8870接收到一個有效DTMF信號后，ESt端首先變?yōu)楦唠娖?，?jīng)積分電路使控制輸入端SI電平升高，若SI端電平高于門限電平，CM8870內(nèi)部的4位二進制碼被更新，STD端變?yōu)楦唠娖?，SM8951單片機通過P2．7口檢測到這一信息后就開始接收。若CM8870無DTMF信號輸入或DTMF信號連續(xù)失真，則ESt端為低電平，SI端為低電平，STD端輸出低電平。

　　雙音頻解碼電路如圖4所示。雙音頻信號輸入點與一個三極管的集電極V1相連接，當(dāng)V1導(dǎo)通時，從電話線上送來的雙音頻信號進入CM8870。如果CM8870接收到的是有效的DTMF信號，便解碼出對應(yīng)的8421碼從數(shù)據(jù)輸出端Q1～Q4輸出，該數(shù)據(jù)進入單片機PO．0～P0．3口，完成數(shù)據(jù)采集、判斷和處理。另外，從CM8870的第15腳出來的狀態(tài)信號進入單片機的P2．7端口，通知單片機讀取數(shù)據(jù)。

　　2．2單片機控制過程

　　單片機控制交換機通信時要時時監(jiān)控通信鏈路中是否有摘機、掛機動作。摘機、掛機電路其實就是一個電子開關(guān)，控制電路板和電話線之間的連接。平時這個開關(guān)應(yīng)該處于斷開的狀態(tài)，以免造成電話線占線；當(dāng)需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制時，如果振鈴響5次而無人接聽，這時就需要讓電路板和電話線路接通，即完成摘機動作。V1就是一個電子開關(guān)，該開關(guān)的導(dǎo)通與否受到單片機P1．4口的控制。摘機掛機電路如果用繼電器設(shè)計，電路要簡單一些，但在實用中發(fā)現(xiàn)耗電大，5V的繼電器吸合電流高達(dá)30μA，另外繼電器也容易產(chǎn)生火花干擾。采用晶體管摘機掛機電路克服了這些問題。

　　軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

　　當(dāng)單片機控制CM8870作為主叫方時，單片機要先對CM8870進行初始化，然后控制摘機電路摘機，收到被叫方的撥號音后，單片機控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等待一段時間后，看對方有沒有接機。若對方摘機，則通信開始，否則掛機，通信結(jié)束。

　　當(dāng)中繼作為被叫方時，啟動單片機后，程序要首先對CM8870進行初始化，然后隨時檢測是否有振鈴音，如果有，由單片機控制摘機電路主動摘機，等待一段時間，確保已經(jīng)摘機后，單片機控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等一段時間后，完成呼叫轉(zhuǎn)移功能，掛機，結(jié)束通信。

　　3結(jié)語

　　本系統(tǒng)基于SM8951單片機與CM8870雙音多頻解碼芯片實現(xiàn)小型工控交換機功能，該小型交換機可用于以電力線或雙絞線為傳輸載體的工控網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，依據(jù)PSTN公共電話交換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與信令標(biāo)準(zhǔn)，采用電路交換原理實現(xiàn)交換功能。該小型交換機可置于網(wǎng)絡(luò)通信的中繼器中，也可置于末端的數(shù)據(jù)處理器中，通常，該交換機只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)通信建立傳輸鏈路，數(shù)據(jù)在交換機中的傳輸是雙向的。交換機不是數(shù)據(jù)的最終目的地，而只是一個“驛站”。雖然隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，交換技術(shù)日趨復(fù)雜，交換功能日益完善，但對于工控網(wǎng)絡(luò)來說，基于有線網(wǎng)絡(luò)的電路交換技術(shù)仍以其低成本，易實現(xiàn)、安全可靠性高等優(yōu)點而被廣泛使用。