基于FPGA的數(shù)字交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　專用交換機(jī)過于強(qiáng)大專業(yè)的功能，以及昂貴的價(jià)格，并非小型建網(wǎng)的理想選擇;同時(shí)，傳統(tǒng)的PBX的模擬交換方式存在著失真大、欠靈活以及隨規(guī)模增大而復(fù)雜度劇增的不足。本文提出的方案，有別于常用PBX的模擬交換，是一種適用于一定規(guī)模局域網(wǎng)的數(shù)字交換機(jī)。FPGA的使用在保證了性能提高的同時(shí)，在復(fù)雜度和擴(kuò)展性方面也有了明顯的改進(jìn)。

　　一 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶有16路內(nèi)線電話、同時(shí)具備4路外線接口的數(shù)字交換機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　　(1)用戶接口及PCM編碼部分

　　用戶接口電路選用IDT公司的821611芯片，該芯片與編碼芯片IDT821034配合良好。用戶線各對(duì)應(yīng)一片821611，四路用戶接入一片821034(可調(diào)增益的四路PCM編碼芯片)，最終4片821034的PCM信號(hào)(16路)一起掛接在PCM總線上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我們能采用帶SPI的單片機(jī)(例如，Analog公司的Aduc812)，很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多片IDT821034的控制。

　　(2)外線接口

　　外線接口一部分負(fù)責(zé)外線的鈴流檢測(cè)和變壓器(僅通過語音)接入。鈴流檢測(cè)采用了SGS公司的LS1240。每當(dāng)鈴流進(jìn)入，向FPGA送出高電平，從而測(cè)知外線的呼入。另一部分為與內(nèi)線中的SLIC和CODEC類似的語音編解碼部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為語音送到外線(或者將外線語音及DTMF編碼后送入FPGA)。

　　(3) DTMF接收及提示語音產(chǎn)生

　　系統(tǒng)中，20路電話(含4路外線)復(fù)用4路DTMF收號(hào)芯片進(jìn)行收號(hào)。FPGA將待收號(hào)話路的PCM信號(hào)送到當(dāng)前空閑的收號(hào)模塊。DTMF的接收由MT8870完成， FPGA與MT8870之間，有一片MT8965(單通道語音編解碼芯片),將FPGA送出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)由MT8870讀取。而交換過程的提示語音則選用ISD4004(語音錄放芯片，SPI控制)，將其語音輸出接在MT8965的語音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF接收和語音送出均為固定時(shí)隙，交換控制在FPGA中完成。

　　(4) FPGA

　　FPGA作為核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)字交換、信號(hào)音產(chǎn)生及控制、收號(hào)控制、提示音控制、外線接口控制、時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。為了與外圍器件配合，選用兼容5V接口的FPGA(如Altera的ACEX 1K)。詳細(xì)說明在后面給出。

　　(5)MCU

　　MCU(這里選用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在內(nèi)的的靈活的用戶接口)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程的調(diào)度及流程控制。軟件設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)也將在后面進(jìn)行說明。

　　二、PGA邏輯設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號(hào)(用戶語音、外線語音、提示語音3種語音的PCM編碼信號(hào))需要處理和交換;電話所需的信號(hào)音(撥號(hào)、提示、忙等)需要產(chǎn)生;MCU雖然負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置控制，但它與器件之間還需要控制邏輯;同時(shí)，系統(tǒng)還需要特定的時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)。上述的這些功能，都由FPGA來完成。圖3是FPGA的頂層硬件框圖。

　　MCU對(duì)各功能塊的相關(guān)操作均通過以總線讀寫寄存器的方式進(jìn)行。

　　(1)總線控制(BUS-TRAN)

　　本功能塊將MCU的總線(高8位地址線和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線)轉(zhuǎn)換為分開的地址與數(shù)據(jù)總線(以BUS表示)。

　　(2) SPI片選生成(SPI-/CS)

　　圖4中除/SS之外的信號(hào)均由MCU產(chǎn)生，只有/SS信號(hào)需要FPGA提供。通過對(duì)功能塊內(nèi)寄存器的寫操作，生成外圍器件的SPI-/SS信號(hào)。

　　(3) DTMF收號(hào)(DTMF-REC)

　　FPGA與8870有DATA0-DATA3(數(shù)據(jù))、StD(狀態(tài)線)、TOE(片選有效)等6線相連，F(xiàn)PGA在MCU控制下查詢StD狀態(tài)，有正脈沖時(shí)，通過TOE使8870輸出有效，再由DATA0-DATA3讀取收號(hào)結(jié)果。同時(shí)， 還要產(chǎn)生MT8965的控制線( CA,/F1i, CSTI)以配合收號(hào)和送提示音過程。

　　(4)外線檢測(cè)(EXTERNAL-DET)

　　這里只需要對(duì)外線接口送來的狀態(tài)線進(jìn)行查詢(讀寄存器方式)，以測(cè)知是否有外線呼入。

　　(5)時(shí)鐘產(chǎn)生(TIMING-GEN)

　　將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等時(shí)鐘信號(hào)。

　　(6)數(shù)字交換(PCM-SWITCH)

　　這是邏輯設(shè)計(jì)中的核心部分，其框圖如圖5所示。

　　圖5中INNER指內(nèi)線用戶,EXTERNAL指外線用戶,DTMF指收號(hào)模塊,AUDIO指提示語音模塊。同時(shí),RAM-D用來存放PCM數(shù)據(jù),RAM-ADD用來存放控制RAM-D讀出的地址。

　　各路PCM信號(hào)在用來標(biāo)識(shí)時(shí)隙的SLOT-CLOCK上升沿順序?qū)懭雽?duì)應(yīng)的RAM-D內(nèi)，RAM的大小均為32