小型程控电路交换机的硬件设计

王　平　施文灶　黄　晞

摘 要：为了开发和实现一种高性价比、符合电信标准规定的程控电路交换机。阐述程控电路交换机在公共交换电话网中的作用、工作原理和系统的组成结构，将程控交换机的硬件设计分为几个功能模块，并分别加以详细地介绍。可以实现8部话机（含中继接口）的互相呼叫及通话。最后，提出功能模块独立化的应用方式，使得该设计成果能应用于通信及控制等领域。

关键词：电路交换；空分交换；模块；双音多频

中图分类号：TP334 文献标识码：B 文章编号：1004－373X(2009)04－148－04

Hardware Design of Small Program－control Circuit Switch

WANG Ping,SHI Wenzao,HUANG Xi

(School of Physics and Opto－electronic,Fujian Normal University,Fuzhou,350007,China)

Abstract： In order to develop and realize the program－control circuit switch with a high cost－effective,conforming to telecommunications standard,the function and operational principle of the program－control circuit switch in the PSTN and the system structure,the hardware design of program－control circuit switch with several function modules are introduced.The calls and communications among eight phones(including relay interfaces)are realizable.Application mode of the function modules is independence,the production is applied to the communication and control fields.

Keywords：circuit switching;space switching;modules;DTMF

0 引 言

方便、快捷的公共交换电话网（PSTN）线路遍布世界各地，已经成为生活中不可缺少的部份，它具有成本低，范围广，重复建设少等优点。PSTN通信网基于电路交换方式，其核心设备——电路交换机如同是交换网的“立交桥”。交换技术从早期的人工交换、机电交换发展到电子交换，从模拟交换发展到数字交换，从布控发展到程控。如今先进的电路交换机同时采用数字交换、空分交换、时隙交换和程序控制等技术，因此具有抗干扰能力强，交换容量大以及控制灵活等特点。

目前市场上类似高端产品，如日本NEC公司生产的NEAX－61系列、美国AT&T;公司生产的No.5 ESS系列等。这类产品都拥有强劲的性能，超高的稳定性和完善的支援系统，自然也就拥有天价。而在市场上大多数产品虽然称为“程控交换机”，但据其表现，充其量只能算是一个电话线路分离器，无论是在参数指标上还是在可靠性等方面，都没有很好地达到国际电信协会建议的标准，相当部分的机型仍然运用模拟电路搭建交换阵列，导致可靠性差。

该设计是将在程控交换里应用广泛的“电路交换”以实物的形式体现出来。这台小型程控交换机模拟了程控交换网中的电路交换的全过程，既可以形象的作为教学的实物例子，也是一台实用的标准小型电话交换机，其性能很好地达到国际电信协会建议的标准。稍加改进后又可用于诸如视频信号传输系统、智能家居管理系统、楼宇门禁管理系统、远程信号传输和小区安防管理系统等。

1 系统结构

本系统是一个8口（含一个中继接口）小型程控电话交换机，系统结构如图1所示。用户终端和中继设备通过接口电路，经由CPU模块控制的交换网络控制各个话路的接续和释放。

1.1 系统模块

按功能可分为 MCU模块、I/O扩展模块、“看门狗”模块 、双音多频（Double Tone MultiFrequency，DTMF）模块、空分交换模块 、信号音模块、 电源模块、 用户接口模块、中继模块、振铃模块。

MCU模块是整个系统的核心。上电后，由MCU模块对周边各个模块进行初始化，初始化完成后，扫描用户端口的状态，并根据端口状态执行相应的指令。

I/O扩展模块是因为单片机I/O口数量不够，必须进行I/O口的扩展。采用一片8255A并行I/O扩展芯片对外进行扩展，可将I/O口数量扩充到原先的2倍。

“看门狗”模块是一个定时复位芯片，当系统程序出现“跑飞”或者由于外界干扰等一系列原因而出现异常时，将产生一个RESET（复位）信号，让系统恢复正常，因此，“看门狗”模块对于系统来说是非常重要的。

DTMF模块实现对双音多频信号的接收、译码功能。当DTMF模块收到有效的DTMF信号时，以一个中断的形式向MCU发出请求，MCU响应采取相应的收号操作。

空分交换模块是整个系统的关键，实现整个系统的话路切换、信号音的传送。

信号音模块提供符合国际电信标准的拨号音、提示音以及忙音等提示音。信号音通过空分交换模块与用户接口相连。

电源模块提供程控交换机所需的-48 V和±5 V馈电。其中:±5 V提供给DTMF模块、空分交换模块、中继模块；+5 V提供给MCU模块、I/O扩展模块、“看门狗”模块、信号音模块、用户接口模块；-48 V提供给用户接口模块、振铃模块；

用户接口模块负责进行2/4线转换，将电话线上的TIP－RING信号转换成可以在空分交换矩阵中传输的4线制信号。考虑到防雷等安全性，还在用户接口上进行了防雷处理，可承受4 000 V的雷击。

中继模块是一个用于与电信运营商大型程控交换机进行级联的接口，它要求具有模拟摘挂机、振铃响应、2变4线转换的功能，模拟摘挂机是提供给电信运营商交换机的一个模拟信号，振铃响应是指响应中继接口上的振铃信号。

振铃模块提供符合国际电信标准的90VAC 25 Hz的振铃信号，该振铃信号送至用户接口模块，即可实现振铃提示。

1.2 功能实现

系统上电复位后，依次对各个用户接口模块、I/O扩展模块、空分交换模块进行初始化，设定这几个模块的工作方式，并赋初值。

由MCU模块（AT89C55单片机）对各路话机的端口进行扫描，每个用户接口都有1个摘机标志位，接至单片机的1个I/O口，读取这几个I/O口的值，即可判断出对应的话机摘、挂机状态。

识别用户摘机后，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转至控制I/O扩展模块读出译出的BCD码。

振铃的功能由振铃模块配合振铃控制模块来实现的。振铃模块仅产生一个幅度90 V ，频率 25 Hz的高压交流信号；振铃控制模块产生通1 s断4 s的脉冲信号，控制高压交流信号的通断比。

信号音由3个独立的555电路产生。信号频率为450 Hz的拨号音信号；通1 s断4 s的回铃音信号；通0.5 s断0.5 s的忙音信号。

链路建立主要是由一个空分交换IC“ MT8816”的芯片来实现，该芯片具有链路导通阻抗低和自我保持功能。对该IC的控制端口写控制字，对地址控制口写交换地址值即可实现链路的交换。

用户接口芯片MH88612C，配合少量的外部分立元件较好地实现了BORSCHT七项功能中的5项，进行2/4线转换，摘挂机标识等功能。

2 硬件主要部份设计

系统模块较多，所需技术涉及模拟电子、数字电子、单片机技术、计算机辅助制图等多方面，因篇幅有限，仅介绍比较特殊的几个主要功能模块。

2.1 用户接口模块

用户接口模块主要采用的是加拿大Mitel公司的MH88612C接口芯片。芯片是2/4线厚膜混合用户线接口电路。包含功能有：恒流馈电、馈送铃流、摘机后自行截除铃流、摘挂机的检测及音频或脉冲信号的识别、接口否有话机、语音信号的2/4线转换以及外接振铃继电器驱动输出。芯片用户电路的双向传输衰耗均为-1 dB，供电电源+5 V，-5 V和-48 V，接口电路原理如图2所示。

用户摘机后，MH88612C向单片机模块发出摘机信号；在拨号期间，VX端发出用户话机的DTMF信号；接续期间，经过交换矩阵构成通信链路，这时话音虽还被当成DTMF信号，但不符合键值标准，不会产生误码。为增强抗雷击性能，在P1（RJ11接口）上加装有压敏电阻，配合内部的保护电路，可以防止雷击。

2.2 DTMF（双音多频信号）模块

DTMF是用2个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。又称之为“8中取2”的编码技术。用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。双音多频解码方案有多种：方案A：采用加拿大Mitel公司生产的MT8870或者HM9270D进行解码；方案B：采用加拿大Mitel公司生产的MT8880或者MT8888通过写命令字进行解码；方案C：采用模拟电路搭建一个双音多频解码电路；方案C是最经济的，但难度也大，且需

要大量的时间，故不考虑。在设计初期采用方案B，尽管MT8888或者MT8880在译码的效果上要比方案A中的MT8870的效果好，到中后期发现，方案B需要对其写命令字，占用了过多的单片机I/O口，所以放弃了方案B而转去选择方案A， MT8870单片机价格在5元左右。MT8870为CMOS电路，DIP－18分装，它具有DTMF信号分离滤波和译码功能，硬件原理如图3所示。

双音多频模块的原理图由DTMF解码和译码显示两部份构成。DTMF解码部份由MT8870及其周边元件构成；译码显示部份由地址锁存器74LS373、显示译码器74LS48、共阴数码管构成。

2.3 空分交换模块

空分交换是指在各实线通道间切换，现代程控交换系统中使用的交叉接点均是大规模集成电路构成的交换矩阵，具有开关速度快（微秒级），体积小，功耗小，无机械磨损，寿命长等优点。

在该系统里，采用加拿大Mitel公司生产的MT8816电路芯片，交换矩阵如图4所示。

单片机通过地址线ACOL2~ACOL0控制COL7~COL0中的一条线、通过地址线AROW3～AROW0控制ROW15～ROW0中的1条。

例如要接通ROW0和COL3，就给AROW地址线送0000，给ACOL地址线送011。当送出地址启动门ST时，就可以将相应交叉点接通，当DI为低电平时，相应的接点就断开。

接在COL7～COL0端的是用户的受话端VR7～VR0；而ROW15~ROW0中的ROW7～ROW0端接用户的收话端VX7~VX0,ROW15~ROW8用于接提示信号音,实现了电路交换,包括主、被叫和信号音的传输，硬件原理如图5所示。

2.4 “看门狗”模块

为了确保可靠性，还采用外置“看门狗”模块，它是一种定时复位的定时器电路。在一定的时间内必需向“看门狗”电路传送一个复位信号（为了避免与单片机的复位信号混淆，称之为“喂狗”），在接收到这个“喂狗”信号，定时器复位，从头开始计时，直到下一次“喂狗”，如果在规定的时间内没有“喂狗”信号，则“看门狗”给单片机一个复位信号。

本次设计，采用的芯片是MAXIM公司生产的MAX813L复位芯片，MAX813L采用DIP－８封装，体积小巧，“喂狗”周期为1.6 s，即在1.6s内给MAX813L一个复位信号。MAX813L还具有掉电检测的功能，当电压检测端的电压低于1.25 V，即给出一个复位信号。

3 功能与应用

该系统调试成功后，可以实现8部话机（含中继接口）的互相呼叫及通话，工作可靠，实时性高，实现了电信标准规定的参数标准。完全可以当做一个小的集团电话来使用。

在该系统里应用到的多种技术，把它们独立开来就是以下几套完全可行的实际应用系统。

(1) DTMF模块完全可以应用于远程的工业控制，DTMF信号可以在无中继放大的情况下进行10 km的通信，这个通信距离是相当可观的。

(2) MT8816空分交换芯片在民用和工用方面也得到广泛的采用。

(3) 用户接口模块完全可以不加改动运用于诸如“智能家居系统”中的用户接口模块，目前的“智能家居系统”较为广泛采用模拟电路搭建接口电路，在可靠性和稳定性方面跟接口模块差距很大，并且接口模块自身所带的2/4线转换功能可以为电路的搭建省去非常多的麻烦。中继接口可以方便的连接公共交换网（PSTN），应用于“智能家居系统”或远程控制。

参 考 文 献

［1］梁绒香.小型智能电话交换机的设计.微计算机信息,2006,22(29):260－262.

［2］徐冠捷，陈力平,曹柏荣.基于单片机的程控交换机多机通信应用.微计算机信息,2007,22(5):16－18.

［3］李燕.浅谈程控交换机的环境要求.科技情报开发与经济,2006,16(12):273－274.

［4］王秀玲，吴武臣.基于DTMF的智能电话控制器设计.现代电子技术,2007,30(20):189－191,194.

［5］刘虎，章慧.基于电话网络的智能控制器设计与实现.工业控制计算机,2008(2):93－94.

［6］张京红.模拟交换集成电路MT8816的应用.电信技术,1991(7)：37－39.

［7］王龙建，狄新望.数字程控交换机用户接口电路MH88612C及其应用.电子技术,1997.

［8］杨俊杰，肖石.空分交换型OPS节点技术.光通信技术,2006,30(5):10－12.

［9］Zarlink公司.MH88612 Datasheet.http://www.zarlink.com,2006.

［10］深圳明亚公司.MY8632 Datasheet.http://www.minyacn.com,2007.