基于工业控制计算机的多功能通信卡的研制

杭州新大电子技术有限公司 邵甲强 李国建 陈浙明



基于工业控制计算机的多功能通信卡的研制

杭州新大电子技术有限公司 邵甲强 李国建 陈浙明

【摘要】文章详细介绍了多功能通信卡六个组成单元的功能及应用，指出了各单元电路中主要芯片的型号及生产厂家，指出了多功能通信卡与工业控制计算机之间的接口设计要点。

【关键词】工业控制技算机；指挥调度；电话会议；数字交换网

0 概要

多功能通信卡是一种可编程电话集成卡，它集成了数字程控交换网、支持R2/MFC中国1号信令和中国7号信令E1数字中继接口、多路会议处理器、PCM数字语音录放单元、二线环路接口等。它采用目前国际上先进的专用芯片，配以特有的板卡定位技术和自动检测手段，使其稳定性、可扩展性及应用程序的可移植性在国内同行处于领先水平。

该卡基于工业控制计算机（IPC），软件在windows环境下并采用TCP/IP协议为用户提供先进可靠的电话增值服务。多功能通信卡和软件的融合，可实现交互式电话会议系统、快速（应急）指挥调度系统、电话广播通信系统、语音通知系统、呼叫中心等。

1 工业控制计算机简介

工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。

它是基于PC总线的工业电脑。因其价格低、性能稳定、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑热的基础。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双风扇等设计及EMC（electromagneticco mpatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。

IPC有以下特点：

可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊断和可维护性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般为5min，MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为10000～15000小时。

实时性：工业PC对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。

扩充性：工业PC由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如视频监控系统、PLC及DCS系统等相连，以完成各种任务。

兼容性：能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。

系统总线：ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）总线是由Intel公司、IEEE等制定的一种计算机系统总线。它具有24根地址线，可寻址16MB，16位数据线，最高工作频率为8MHz，数据传输率达到16Mb/s。该总线从诞生起，历经286、386、486和Pentium几代微机，至今仍在工控机中采用。

2 多功能通信卡主要组成单元

该卡是一种综合通信设备集成卡，包括数字交换网、数字中继、模拟中继、信号收发器、会议处理器、数字录放音电路等六部分组成。

2.1 数字交换网MT8980

MT8980（ZL50000DP）是加拿大MITEL公司研制生产的8X32时隙的数字交换电路芯片。它支持8路PCM I/O，即有Sti0---Sti7八个串行输入通道和Sto0---Sto7八个串行输出通道，每个通道上能承载2.048Mbit/s码流，每一时隙即一路话音占用64kbit/s，因而2.048Mbit/s对应着32个话路的语音信号的码流。因此该电路能实现8个PCM共256路（8X32）任意2路之间的语音信息交换。可看成多功能卡的核心或枢纽。

2.2 MT9075是一种数字中继E1接口电路

数字中继是指在公众电话网或专网小电话交换机PBX上，提供一个数字物理通道和交换机数字中继接口，使用户与公众电话网上的用户可以进行话音等信息的互通。也指利用数字信道传输数据信号的数据传输网。它的主要作用是向用户提供永久性和半永久性连接的数字数据传输信道，既可用于计算机之间的通信，也可用于传送数字化传真，数字话音，数字图像信号或其它数字化信号。

电信局提供的语音服务，数字线路速率大小2.048Mb/s。接入ISDN网后可以直接使用电话机与外部通信。

目前在用的数字中继主要是PRI，也叫PRA，ISDN，30B+D，其实说的是同一种中继线，这种中继线在形态上与模拟线有较大的不同，通常是先光纤到达公司机房，然后由光端机把光信号转为电信号，一对同轴电缆也就是一根PRI，也就是一根数字中继，虽然说是一根，但是却能同时支持30路电话同时呼入呼出、同时办公，相当于30路模拟中继。

MT9075电路接口是一种可编程器件，通过对其控制寄存器写入指令，可支持中国一号信令NO1和七号信令NO7等。交互式电话会议，应急指挥电话系统一般使用此种中继线和电信公网联网。

2.3 模拟中继电路HM9041C

模拟中继（也称环路中继）电路接口选用湖北东光电子公司生产的厚膜混合集成电路（HIC）HM9401C，其特点是增益可调，具备挂机传输功能。这里的模拟中继（Analog trunk），就是家里的那种固定电话线，即为模拟线。

模拟中继一般指的是环路中继，也就是电信放号给小型公司总机使用的。我们可以把其暂时理解为，对端给了我们N个电话线，我们把这些线接到公司总机的环路中继板上去。

现实模拟中继可以理解为将若干个市话号码捆绑到一个号码，这个号码称之为“引示号”，当客户打“引示号”时，如占线，就自动跳到空闲的号码上，来达到不占线的功能的一种电信业务。

例如，公司要申请4个模拟中继，这4个线在手机或来电显示器上显示的都是A，其实可能是由B，C，D，E这4根线组成，电信局从中间选定了一个A的吉利号，让这4个线打出去强制显示为A打的。

2.4 MFC/DTMF信号收发器

该器件（型号：SEED-MF-B）是北京合众达公司真对电话交换机数字中继对接互联，中国一号信令完成多频互控部分而开发生产的，配合MT9075完成整个中国一号信令的电话呼叫接续过程。在电话应用过程中可接收或发送双音频信号，如呼叫中心用来接收电话用户选择的双音频按键号码等。

2.5 会议处理器芯片M34116

M34116是汤姆逊生产的专用会议信号处理芯片，可汇接1---64路电话组成最多达29组会议。各通路电平增益可动态编程调节。M34116的PCM的输入/输出引脚可以和数字交换网芯片的PCM引脚对应相接，值得注意的是M34116的时钟（CLOCK）和交换网MT8980D的4M时钟是反向的，引接时要加一反向电路。

2.6 数字录/放音电路MT8920

它是METEL公司生产的专用电路，把METEL公司的器件通用的ST-BUS总线转换成可被其他微型控制器读取的数据。通俗的讲，把PCM编码转换成二进制/十六进制编码。把模拟的声音变成用数字来表达的过程叫抽样，抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用 8kHz的抽样频率（fs），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。

话音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故话音数字编码信号的速率为8bits×8kHz=64kb/s，我们现在说的数字中继就是一条PCM，也称一个2M，它包括32个时隙，64kb/sX32=2048kb/s=2M。

通过MT8920，计算机一条指令就可读出一个话路的话音的数据，同理也可以通过写指令把数据变成话音。以上过程就是电话通信的录音/放音。

图1 多功能卡电路结构图（图中虚线为PCM总线）

3 多功能通信卡与工业控制计算机之间的接口设计

本板卡组成的六部分都和工控机通过标准总线ISA/PCI连接，接受计算机指令控制。他们之间通过PCM总线连接传送信号和话音数据，其中数字交换网MT8980通过PCM连接其余五个部分并负责它们交换数据。数字中继MT9075和模拟中继HM9401C为接口电路对外连接，分别接电信网的数字中继和普通电话线。MFC/DTMF信号收发器、会议处理器M34116及数字录/放音电路MT8920为卡内资源，分别完成信令接续、多路电话语音汇接和录音/放音等功能（见图1）。

3.1 地址分配及控制

电路芯片引脚分数据线、地址线和控制线等，数据线一般8位或16位是高阻并接的，可以把每个电路芯片的数据线引脚接在一起，地址线根据分配的端口范围和读（/RD）写（/WR）等控制线经过逻辑电路编码来控制每个电路芯片的片选端（/CS）。根据计算机指令中的读写及地址信息，可选中某一电路芯片有效，则该电路的数据被选中，使其读入计算机或由计算机写入该电路的寄存器。

3.2 电路板（PCB）设计制作

在PCB制作过程中，选用各电路的贴片封装，节省电路板面积。

3.3 编写驱动程序接口部分

多功能通信卡作为产品的硬件部分完成之后，要为上层软件的编写人员提供这些硬件电路的执行动作函数，也叫驱动程序。上层软件一般用高级语言编写，如VisualBasic、VisualC++、VisualFoxpro、Delphi等，电路是无法识别这些高级语言的，要真对这些功能电路器件编写的驱动或函数。

对应数字交换网MT8980电路的驱动程序要给出需要交换的2电路（时隙）参数。

对应会议处理器M34116要给出组成会议各电路参数。

3.4 调试

多功能通信卡电路板安装元器件和贴片完成后，要插入工业控制计算机总线插槽里进行调试，计算机DOS系统直接支持对地址端口的输入（I）和输出（O）命令，我们可利用其对电路卡进行调测，并且可以做到现场调试，方便发现故障及时解决问题。

4 结束语

多功能通信卡是我们积多年从事程控电话交换机、数字调度机、交互式电话会议系统、DF2000会议调度终端机、信令处理设备等研发的经验，提出并开发成功的一种先进的通信标准卡。庞大复杂的电话通信设备一般由多种插板组成，并且单个插板的CPU大多为各种类型的单片机。我们采用工业控制计算机和ISA/PCI标准总线卡是一种浓缩的通信卡，其强大的处理能力（INTEL高速CPU）和大吞吐量（32/64位并行通讯），能提供丰富的语音导航及录放音等，单片机不具备这个能力。该卡已在企业生产调度，电话会议等通信系统中得到应用，性能稳定，可靠性高。

参考文献

［1］杨全胜.现代微机原理与接口技术［M］.电子工业出版社，2002.

［2］李生红.现代交换原理［M］.机械工业出版社，2008.

［3］高鹏，等.电路设计与制版［M］.人民邮电出版社，2000.

作者简介：

邵甲强（1963-），男，浙江人，硕士，工程师，研究方向：企业综合通信平台。