小型数字程控交换机的设计
1 引言自1876年美国贝尔发明电话以来，随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提高，电话交换技术处于迅速的变革和发展之中。其历程可分为三个阶段：人工交换、机电交换、和电子交换。
早在1878年就出现了人工交换机，它是借助话务员进行话务接续，显然其效率是很低的。15年后步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电交换时代。这种交换机属于直接控制方式，即用户可以通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。从而自动完成用户间的接续。这种交换机虽然实现了自动接续，但存在着速度慢、效率低、杂音大与机械磨损严重等特点。
直到1938年发明了纵横制(cross bar)交换机才部分解决了上述问题，相对于步进制交换机，它有两方面重要改进：一、利用由继电器控制的压接触接线阵列代替大幅度动作的步进接线器，从而减少了磨损和杂音，提高了可靠性和接续速度；二、由直接控制过渡到间接控制方式,这样,用户的拨号脉冲不再直接控制接线器动作,而先由记发器接收、存储，然后通过标志器驱动接线器,以完成用户间接续。这种间接控制方式将控制部分与话路部分分开,提高了灵活性和控制效率,加快了速度。由于纵横制交换机具有一系列优点,因而它在电话交换发展上占有重要的地位,得到了广泛的应用。
随着半导体器件和计算机技术的诞生与迅速发展,猛烈地冲击着传统的机电式交换结构,使之走向电子化。美国贝尔系统经过艰苦努力于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机(No.1 ESS),这一成果标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代,使交换技术发生时代的变革。由于电子交换机具体体积小,速度快,便于提供有效而可靠的服务等优点,引起世界各国的极大兴趣。在发展过程中相继研制出各种类型的电子交换机。
随着经济的发展和人民生活水平的提高，电话通讯在生活及工作中发挥了重大作用，现代文明已经离不开电信通讯了。而普通的一个或多个话机并行接入一根外线的模式已经远远不能满足生活和工作上的需要，并带来许多不便；专用的交换机又太昂贵及功能太过强大造成浪费。小型程控交换机便是为了填补这个空白而设计的。本文将主要从硬件构架和工作原理上设计一个小型数字程控交换机。
2程控交换机的分类及特点
2.1程控交换机的分类
a) 就控制方式而论,主要分两大类：
1) 布线逻辑控制(WLC,Wired Logic Control)它是通过布线方式实现交换机的逻辑控制功能，通常这种交换机仍使用机电接线器而将控制部分更新成电子器件,因此称它为布控半电子式交换机,这种交换机相对于机电交换机来说,虽然在器件与技术上向电子化迈进了一大步,但它基本上继承与保留了纵横制交换机布控方式的弊端,体积大,业务与维护功能低,缺乏灵活性,因此它只是机电式向电子式演变历程中的过度性产物。
2) 存储程序控制(SPC,Stored Program Control)它是将用户的信息和交换机的控制,维护管理功能预先变成程序,存储到计算机的存储器内。当交换机工作时,控制部分自动监测用户的状态变化和所拨号码,并根据要求执行程序,从而完成各种交换功能。通常这种交换机属于全电子型,采用程序控制方式,因此称为存储程序控制交换机，或简称为程控交换机。
b) 程控交换机按用途可分为市话，长话和用户交换机。
c) 按接续方式可分为空分和时分交换机。
d) 程控交换机按信息传送方式可分为：模拟交换机和数字交换机。
由于程控空分交换机的接续网络(或交换网络)采用空分接线器(或交叉点开关阵列)，且在话路部分中一般传送和交换的是模拟话音信号，因而习惯称为程控模拟交换机，这种交换机不需进行话音的模/数转换(编解码),用户电路简单，因而成本低，目前主要用作小容量模拟用户交换机。
程控时分交换机一般在话路部分中传送和交换的是模拟话音信号，因而习惯称为程控数字交换机，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。由于数字程控交换机的诸多优点，很多小型程控交换机也为数字式的。
世界各国研制与生产出众多各具特色的程控数字交换机，比较有代表性的有：
SOPHO-S/iS 荷兰飞利浦公司；
S-1240 中国，比利时，上海贝尔电话设备公司；
SCX-1200,5000 美国TELEX公司；
NEAX-61 日本NEC公司。
90年代后，我国逐渐出现了一批自行研制的大中型容量的具有国际先进水平的数字程控局用交换机，典型的如深圳华为公司的C&C08系列、西安大唐的SP30系列、深圳中兴的ZXJ系列等等，这些交换机的出现，表明在窄带交换机领域，我们国家的研发技术已经达到了世界水平。随着时代的发展，目前的交换机系统逐渐融合ATM、无线通信、接入网技术、HDSL、ASDL、视频会议等先进技术。可以想象，今后的交换机系统，将不仅仅是语音传输系统，而是一个包含声音、文字、图像的高比特宽带传输系统，并深入到千家万户之中。IP电话就是其应用一例。世界上传统交换机厂商目前正努力研制，并通过与计算机厂商的合作和交流，来达到这一目的。
2.2 程控交换机的特点
程控数字交换机是现代数字通信技术、计算机技术与大规模集成电路(LSI)有机结合的产物。先进的硬件与日臻完美的软件综合于一体，赋予程控交换机以众多的功能和特点，使它与机电交换机相比，有以下主要优点：
a) 能灵活的向用户提供众多的新服务功能。由于采用SPC技术，因而可以通过软件方便的增加或修改交换机功能，向用户提供新型服务，如缩位拨号、呼叫等待、呼叫传递、呼叫转移、遇忙回叫、热线电话、会议电话，给用户带来很大的方便。
b) 工作稳定可靠，维护方便，由于程控交换机一般采用大规模集成电路(LSI)电路或专用集成电路(ASIC)，因而有很高的可靠性。它通常采用冗余技术或故障 自动诊断措施，以进一步提高系统的可靠性。此外，程控交换机借助故障诊断程序对故障自动进行检测和定位，以及时地发现与排除故障，从而大大减少了维护工作量。系统还可方便地提供自动计费，话务量记录，服务质量自动监视，超负荷控制等功能，给维护管理工作带来了方便。
c) 易于与数字终端，数字传输系统联接，实现数字终端，传输与交换的综合与统一。
d) 增强程控交换系统与其它类型通信网(如传真网，分组交换网或公用数据网，计算机局域网等)的接口，联接与组网能力。
3 程控用户交换机的类型与功能
3.1 程控用户交换机的作用
用户交换机是机关工矿企业等单位内部进行电话交换的一种专用交换机，其基本功能是完成单位内部用户的相互通话，但也装有出入中继线可接入公用电话网的市内网部分和网中用户通话(包括市通话，国内长途通话和国际长话)。由于这类交换机系单位内部专用，故可根据用户需要增加若干附加性能以提供使用上的方便。因此这类交换机具有较大的灵活性。
用户交换机是市话网的重要组成部分，是市话交换机的一种补充设备，因为它为市话网承担了大量的单位内部用户间的话务量，减轻了市话网的话务负荷。另外用户交换机在各单位分散设置，更靠近用户，因而缩短了用户线距离，节省了用户电缆。同时用少量的出入中继线接入市话网，起到话务集中的作用。从这些方面讲，使用用户交换机都有较大的经济意义。因此公用网建设中，不能缺少用户交换机的作用。
用户交换机在技术上的发展趋势是采用程控用户交换机，采用新型的程控数字用户交换机不仅可以交换电话业务，而且可以交换数据等非话业务，做到多种业务的综合交换，传输。为各单位组建综合业务数字网(ISDN)创造了条件，目前已可接入ISDN用户。可以坚信，在未来的ISDN网中程控数字用户交换机将发挥巨大的作用。
3.2 程控用户交换机的类型
程控用户交换机有很多种类型，从技术结构上划分为程控空分用户交换机和程控数字用户交换机两种。前者是对模拟话音信号进行交换，属于模拟交换范畴。后者交换的是PCM数字话音信号，是数字交换机的一种类型。
如果从使用方面进行分类，可分为通用性程控用户交换机和专用型程控用户交换机两大类。通用型适用于一般企业、事业单位、工厂、机关、学校等以话音业务为主的单位。容量一般在几百门以下，且其内部话务量所占比重较大，一般占总发话话务量的70%左右。目前国内生产的200门以下的程控空分用户交换机均属此种类型，其特点是系统结构简单，体积较小，使用方便，价格便宜，维护量较少。专用型适用于各种不同的单位，根据各单位专门的需要提供各种特殊的功能。下面分别说明几种专用型程控用户交换机：
a) 宾馆型
宾馆型程控用户交换机出入局话务量大，不需要直接拨入功能(DID),为此话务台功能要强。为满足客人打长途电话的需要，应具有PAMA(Private Automatic Message Accounting)计费功能。为满足宾馆客房管理软件，提供了以下功能：
1) 房间控制：客人离店结帐电话自动闭锁。
2) 留言中心：对临时外出的客人的来话呼叫，提供留言服务。
3) 客房状态：随时提供客房占用，空闲，是否打扫的情况。
4) 自动叫醒：按客人需要，准时叫醒客人。
5) 请勿打扰：为客人提供安静环境，客人在电话输入指令后，任何电话不能呼入，但超过一定时限失效。
b) 医院型
这是装有医院特点软件的专用程控交换机。软件功能中除具有宾馆功能外，还具有呼叫寄存，呼叫转移，病房紧急呼叫，热线电话及配合救护车的移动通信接口的功能。
c) 银行型
银行型专用软件包括总行和分行间的通信联络，呼叫代答，警卫线路，外线保留等。同时具备办公自动化PABX的功能。
d) 办公自动化型
1) 办公室人员需要最现代化的话音通道程控交换机完成一流的话音通信要求。呼出要求快速自动直拨，即缩位拨号功能。呼入要求全自动呼入，即DID(Direct Inward Dialling)功能，避免话务员介入，提高效率。
2) 要解决办公桌的微机通过程控交换机使用内部的数据资源和外部的数据库。目前程控用户交换机能提供传输速率为144kb/s的用户线数字传输通道。即2B+D(64kb/s传输话音，64kb/s传输数据，16kb/s传输信令)。并且通过异步，同步适配器传输方式，传输电报，传真，文字及固定图象等。先进的第四代程控交换机可提供2Mb/s的传输通路，还可开展宽带非话业务，传输动态图象和电视电话等。
3) 提供X.25分组交换接口，提高与公用数据网及分组交换网并网能力。
4) 具有话音邮递和电子邮箱等功能。
5) 办公室自动化中的程控用户交换机需要更高的可靠性，否则影响将是十分严重的.为此必要的冗余度是重要的。
e) 专网型
具有组网汇接功能的程控用户交换机应具有多位号码存储，转发能力，直达优先路由选择，自动迂回，外线呼叫等级限制，等位拨号，功能透明，远端集中维护管理及话务台集中设置等。对专网型程控交换机应着重考虑其中继接口，信令方式与传输系统的配合能力。还可能要求具有汇接，长途甚至与农话业务配合功能。
随着技术的不断进步以及各单位业务增长的需要，还会出现更加新颖的机型。
f) 小型企业及家庭型
可将1至2条电话外线扩展成8个分机，3绳路容量，可以多部分机同时通话而互不干扰（可以内外线混用）；分机可以为电话机、传真机、答录机等电讯产品。
4 程控交换机的基本组成及其工作原理
4.1 程控交换机的基本组成及功能
程控交换机的硬件系统基本组成如图4.1所示，它是由用户电路、中继器、交换网络、信令设备和控制系统这几部分组成的，其功能如下。
4.1 程控交换机的基本组成
用户电路
用户电路
数
字
交
换
网
络
中继器
中继器
信令设备
控制系统
用户端
用户端
4.1.1 用户接口电路
用户接口电路是用户通过用户线（用户话机）与数字程控交换机相连的接口电路。由于用户线和用户终端有数字和模拟之分，所以用户接口电路也有数字与模拟之分。
极性倒换控制
测试开关
馈电电路
振铃开关
极性倒换开关
过压保护开关
混合电路
编译码器
低通
带通
a
测试总线
振铃控制
监视信号
监视电路
图4.2 模拟用户接口电路功能框
模拟用户接口电路，由于电子交换网络对电流以及电压有一定的要求，一些早期交换机中由公用设备实现的功能（如馈电、振铃等）需要由用户接口电路来完成。数字程控交换机中的模拟用户接口电路功能可归纳为BORSCHT7项功能：
B (Battery feeding)馈电；
O（Over voltage protection）过压保护；
R (Ringing control )振铃控制；
S（Supervision）监视；
C（CODEC & filters）编译码和滤波；
H（Hybrid circuit）混合电路；
T(Test)测试;
4.1.2 中继器
中继器是交换机和交换机之间的接口。
4.1.3 交换网络
交换网络用来完成任意两个用户之间，任意一个用户与任意一个中继器之间，任意两个中继器之间的连接。
4.1.4 信令设备
用来接收和发送信令信息。
在电话交换过程中，交换机需要向用户及其它交换机发送各种信号，例如拨号音、忙音、多频互控信号等，同时也要接收用户或其它交换机发送的各种信号，例如多频互控信号、双音多频信号等。双音多频信号主要有按钮话机发出的双音多频（DTMF）信号和局间信令中的多频互控（MFC）信号。
各种信号音由用户电话机接收，在用户接口电路中进行译码后变成模拟信号发送到用户线上的。DTMF信号的接收需要使用DTMF信号接收器。
4.1.5控制系统
控制系统是程控交换机的“指挥中心”，接收各个话路设备发来的状态信息，确定各个设备应执行的动作，向各个设备发出驱动命令，协调各设备共同完成呼叫处理和维护管理任务。随着交换技术的发展，交换机的控制技术也日趋复杂，现代数字程控交换机基本上采用两种多处理机的控制结构，即分级分散控制和分布式分散控制。不论采用何种配置的控制结构，为了提高系统的可靠性，处理机的配置一般都采用冗余配置。
小型数字程控交换机一般都采用单片机控制。
4.2 呼叫处理的基本过程
下面以本局呼叫为例，简要说明程控交换机呼叫处理的基本过程。
a) 用户呼出阶段
在用户呼出阶段，程控交换机按照一定的周期检查每一条用户线的状态。当发现用户摘机时，程控交换机就根据用户线在交换机上的安装位置找到该用户的用户数据，并对其进行分析。如该用户有权发起呼叫，程控交换机就寻找一个空闲的收号器并通过交换网络将该用户电路与收号器相连接，向用户送拨号音，进入拨号状态。
b) 数字接收机分析阶段
该阶段是处理任务最繁重的阶段。在此阶段，程控交换机接收用户拨号。对于直流拨号脉冲方式，每次收到的是一个脉冲，并由信令接收程序将收到的多个脉冲装配为拨号数字；而对于DTMF信号，每次收到的是一个数字。当程控交换机收到一定位数的号码后将进行数字分析，从而确定呼叫的类型、路由等。当数字分析的结果是本局呼叫时，就通知信令接收程序继续接收剩余号码。
c) 通话建立阶段
当被叫号收齐后，程控交换机根据被叫号码查询被叫号码的用户数据。若被叫空闲且未登记与被交有关的新业务（如呼叫前转），程控交换机就在交换网络中寻找一条能将主叫用户和被叫用户连接的通路，并预先占用该通路，同时向被叫用户送振铃信号，向主叫用户送回铃音。
d) 通话阶段
当被叫用户摘机应答后，交换机停止向被叫用户送振铃信号，停止向主叫用户送回铃音，将交换网络中连接主、被叫用户的链路接通，同时启动计费，呼叫处理进入通话阶段。
e) 呼叫释放阶段
在通话阶段，交换机如果发现一方先挂机，就给另一方送忙音。当双方都挂机时，程控交换机就收回此次呼叫占用的资源，停止计费，呼叫处理过程结束。
这个例子完整的讲述了程控交换机完成一次本局通话的过程，呼叫的全过程可以看做为若干个稳态，交换机每次呼叫处理，总是使呼叫由一个稳定状态转移到另一个稳定状态。
5主要芯片介绍
本设计中用到了MAX6323、MH88500、ISD4004、AT89C51、8255A、MT8880、MT8816、74LS138、555定时器。下面对这些用到芯片的基本功能和内部结构作简单介绍。
5.1MAX6323
MAX6323是一款简单实用的看门狗电路，其作用是监视单片机的运行，在单片机出现死机现象时自动使单片机复位。
基本性能如表5.1
表5.1MAX6323基本性能表
应用
系列
监视电压
看门狗延时（最小）
复位延时
（最小）
特点
窗式
MAX6323
2.5V/3V/3.3V
或5V
1.5ms至714ms（最小）10ms至1.3s（最大）模式
100ms
8种工厂微调的选项仅接收规定窗口内的延时复位脉冲
5.2MH88500
MH88500是MITEL公司生产的用户电路芯片，它的主要功能有：摘挂机检测，输送馈电和铃流，事先电话的静音，即完成交换机的BORSCHT 7项功能。
5.3ISD4004
ISD4004语音芯片采用CMOS技术,内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等。因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。芯片设计是基于所有操作由微控制器控制,操作命令通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降。片内信息存于内烁存储器中,可在断电情况下保存100年(典型值)反复录音10万次。器件工作电压3V,工作电流25~30mA,维持电流1μA,单片录放语音时间8~16min,音质好,适用于移动电话机及其它便携式电子产品中，在公交车报站、语音导览、部队及校园广播的自动播放、消防及空防警报等场合也有很广泛的应用。其内部结构图如图5.1所示。
定时
采样时钟
5-pole
Antlallasing
Fitter
Amp
3840K Cell
非易失多级存储阵列
模拟收发器
解码
平滑滤波
Amp
控 制 器 件
内部时钟
电源
自动静音
图5.1ISD4004内部框图
5.4AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
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