程控交换原理课程设计.doc

目录
第一章 小型程控交换机的整体设计........................................
1.1 程控交换机的简介.......................................................
1.2 程控交换系统的总体结构...........................................
1.3 各个模块的功能分析...................................................
1.3.1 用户接口电路....................................................
1.3.2 语音处理单元....................................................
1.3.3 交换网络............................................................
第二章 程控交换机的核心部分--交换网络的介绍.................
2.1 交换网络的结构和工作原理.......................................
第三章 基于MT8980芯片的交换网络的设计和实现............
3.1 交换芯片MT8980的介绍...........................................
3.1.1 MT8980的管脚说明.......................................
3.1.2 MT8980的功能...............................................
3.2 控制部分--AT89S51的介绍.........................................
3.2.1 AT89S51的管脚说明.......................................
3.3 MT8980与AT89S51的连接.......................................
3.4 基于MT8980的交换网络的设计与实现..................
设计总结和参考文献

第一章 小型程控交换机的整体设计
1.1 程控交换机的简介
通信网是由用户终端设备、传输设备和交换设备组成。它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与其他用户通信。程控交换机是数字电话网、移动电话网及综合业务数字网中的关键设备，在通信网中起着非常重要的作用。而交换机的基本功能是实现任意入线与任意出线之间的互连，即实现任意两个用户之间的信息交换。为此，交换机的基本组成应包括接口、交换网络和控制系统玩个部分。接口的作用是将来自不同终端或其他交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作信号，并按信号的性质分别将信令传送给控制系统，将消息传送给交换网络。交换网络的任务是实现各入、出线上信号的传递或接续。控制系统负责处理信令，按信令的要求控制交换网络完成接续，通过接口发送必要的信令，并协调整个交换机的工作。程控就是存储程序控制，程控交换是利用计算机软件进行控制的一种交换方式，故程控交换机是电子计算机控制的交换机。
1.2 程控交换系统的总体结构
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，其基本结构可分为话路部分和控制部分两部分。控制部分主要由CPU、存储器和I/O设备组成。话路部分主要由用户电路、中继设备、交换网络和信令设备组成。整个系统主要由用户接口电路、语音处理单元和交换网络与中心控制单元组成。
其原理框图如下所示。

小型程控交换系统的原理框图
1.3 各个模块的功能分析
1.3.1 用户接口电路
用户接口电路是用户线与交换机的接口电路。由于某些信号（如振铃、直流馈电等）不能通过电子交换网络，因此把某些过去由公用设备实现的功能移到电子交换网络以外的用户电路来实现。归纳起来，目前数字程控交换机中用户电路的功能有下列7项：
B（Battery Feed）——馈电；
O（Over-voltage Protection）——过压保护；
R（Ringing Control）——振铃监控；
S（Supervision）——监视；
C（Codec & Filters）——编译码和滤波；
H（Hybrid Circuit）——混合电路；
T（Test）——测试。
1.3.2 语音处理单元
该模块的主要功能有与SLIC接口，语音的滤波机编解码。
与SLIC的接口主要实现两方面的作用：一是通过与SLIC的接口控制用户线的状态，二是分配给用户的话路时隙，完成与后面的交换模块的接口。
编解码是将模拟语音信号转换成PCM码流，把PCM码还原为模拟信号。数字滤波器对语音信号进行带限。为了实现时分交换，采用A率编码，每一话路量化编码后的速率为64kb/s，32路组成一帧，64kb/s32=2.048Mb/s。所以对每一路语音分别进行量化编码时就需要2.048MHz的位时钟和8KHz的帧首脉冲，作为时隙定位信号。用户的话音可以通过软件被分配到0~31中的任意时隙。
1.3.3 交换网络
该模块主要包括：用户电路的扫描和驱动、信号音的产生、定时单元、控制微处理器单元。
定时单元：提供用户电路的编解码、交换网络的时钟和帧首信号。
用户电路的扫描和驱动：用户扫描就是监测用户线环路状态，即通段状态。并以此来决定用户话机的摘挂和检测脉冲拨号。用户驱动就是控制用户线的状态，比如向用户振铃，送忙音，通话等。
信号音的产生：信号音指的是交换机送往用户的信号，如拨号音、忙音、回铃音等。当主叫摘机时，听到拨号音才能拨号；主叫拨完号码，如果被叫闲则会听到交换机送来的回铃音，否则听到忙音。信号音可有模拟信号音和数字信号音两种，对于不同时间断续的拨号音、忙音、和回铃音，是使用同一450Hz的单频信号，由硬件或软件控制其通断。
收号器：话机有多音多频拨号和脉冲拨号两种，相应地局端应能识别这两种拨号，脉冲拨号可以通过扫描用户通断状态识别，双音多频则使用专用芯片MT8870来接收。
总的来说，交换网络的功能是实现话音的无阻塞交换，即完成时隙交换，也就是完成任意PCM复用线上任意时隙之间的信息交换。在具体实现时应具备以下两种基本功能：在一条复用线上进行时隙交换功能，在复用线之间进行同一时隙的交换功能。这两种基本功能分别由时间接线器和空间接线器实现。中心控制单元由一片单片机芯片控制着各模块协调有序的完成呼叫的全过程。
第二章 程控交换机的核心部分--交换网络介绍
2.1 交换网络的结构和工作原理
交换网络是交换系统的核心。将若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式，可以构成交换网络。交换网络的三要素就是交换单元、不同交换单元之间的拓扑连接和控制方式，其结构图如下所示：
交 换

单 元
交 换

单 元

交 换

单 元

交 换

单 元

入

线
出

线

控制单元

交换网络的一般结构
时间交换单元（T接线器）
时间交换单元又称为时间接线器，简称为T单元或T接线器，其功能是完成一条PCM复用线上各时隙之间的信息交换（即完成相同母线不同时隙之间的交换）。如下图所示，时间交换单元主要由信息存储器和控制存储器构成。信息存储器用来暂时缓存存储要交换的信息，控制存储器用来寄存脉冲码信息的时隙地址。

顺序写入
信息存储 器
控制 存储 器
控 制 读 出
0

信息
50
255
0
控制写入

240
255
50
控 制 写入
240
255
信息
信息存储器
0
顺序读出
顺序读出
控制写入
50

255
240
控制 存储 器
0
顺序读出

(a)顺序写入，控制读出 （b）控制写入顺序读出
T接线器的组成和原理图
设输入话音信号在TS50，要求经过T接线器以后交换至TS240上去，然后输出至下一级。下面分别介绍两种工作方式的原理。
“顺序写入，控制读出”的工作原理：
CPU根据这一要求，通过软件在控制存储器的240号单元写入“50”.这个写入是由CPU控制进行的，因此把它叫做“控制写入”。控制存储器的读出由定时脉冲控制，按照时隙号读出相对应单元内容。如0时隙读出0单元内容;1时隙读出1单元内容……这种工作方式叫做“顺序读出”。话音存储器的工作方式正好和控制存储器的方式相反，即是“顺序写入，控制读出”。即，由定时脉冲控制，按顺序将不同时隙的话音信号写入相应的单元中去。写入的单元号和时隙号一一对应。而读出时则要根据控制存储器的控制信息(读出数据)而进行。由于向话音存储器输入话音信号不受CPU控制，而输出话音信号(读出时)受到由CPU控制的控制存储器的控制，因此把它总称为“顺序写入，控制读出”方式。
根据图中的例子，话音的输入时隙号为50，在定时脉冲控制下就可写入到50号单元中。因为CPU在控制存储器中的240号单元己写入了内容“50”，在定时脉冲控制下，在TS24O这一时间，从控制存储器的地址240中读出内容为“50”，把它作为话音存储器读出地址，立即读出话音存储器的50号单元。这就是原来在50号时隙写入的话音信号内容。因此在话音信号50号单元读出时己经是TS24O了，即己把话音信号从TSSO交换到TS240，实现了时隙交换。
“控制写入，顺序读出”的工作原理：
话音存储器的写入要受控制存储器的控制，而其读出则受定时脉冲控制按顺序读出，所以称为“输入控制”。控制存储器仍然是由CPU控制写入，在定时脉冲控制下按顺序读出。但是CPU写入到控制存储器的内容却不同了。如图(b)所示，CPU要在控制存储器的50号单元写入内容“240”。然后控制存储器按顺序读出，在TS50时读出内容“240”，作为话音存储器写入地址，将输入端Ts50中的话音内容写入到240号单元中去。话音存储器按顺序读出，在TS240读出240号单元内容，这也就是TS50的输入内容，这样就完成了时隙交换。
2.1.2空间交换单元（S接线器）
空间交换单元又称为空间接线器，简称为S单元或S接线器，其作用是完成不同PCM复用线之间同一时隙的信码交换（即实现不同母线相同时隙之间的交换）。如下图所示，它由交叉接点矩阵和控制存储器组成。

1

1
2
2
控制 存储 器
控制 存
储 器
cm
cm
cm
cm
0
1
1
0
0
1

14

31
0
1

14

31
交换节点矩阵
交换节点矩阵
01
01
10
10
输入
输入
输出
输出
PCM0
PCM0
PCM1
PCM1
PCM1
PCM1
PCM0
PCM0
TS1
TS1
TS14
TS14

（a）输入控制方式 （b）输出控制方式
S接线器的组成和原理图
上图表示22的交叉接点矩阵，它有2条输入复用线和2条输出复用线。控制存储器的作用是对交叉接点矩阵进行控制，控制方式有以下两种。
输入控制方式：
它按输入复用线来配置CM，即每一条输入复用线有一个CM，由这个CM来决定该输入PCM线上各时隙的信码，要交换到哪一条输出复用线上去。
输出控制方式：
它按输出PCM复用线来配置CM，即每一条输出复用线有一个CM，由这个CM来决定哪条输入PCM线上哪个时隙的信码，要交换到这条输出PCM复用线上来。
S接线器的工作原理：
以输入控制方式为例。设输入PCM0的TS1中的信码要交换到输出PCM1中去，当时隙1时刻到来时，在CM0的控制下，交叉点01闭合，使输入PCM0的TS1的信码直接转送至输出PCM1的TS1中去。同理，在改图中把输入PCM1的TS14的信码，在时隙14时由CM1控制10交叉点闭合，送至PCM0的TS14中去。因此，S接线器能完成不同的PCM复用线间的信码交换，但是在交换中其信码所在的时隙位置不变，即它只能完成同时隙内的信码交换。故S接线器不能单独使用。而输出控制方式的S接线器工作原理与输入控制方式的工作原理是相同的。
第三章 基于MT8980芯片的交换网络的设计和实现
3.1 交换芯片MT8980的介绍
本设计中实现话音交换功能的芯片是MT8980。
MT8980是Mitel公司生产的PCM时分复用时间变换器。
3.1.1 MT8980的管脚说明
其芯片引脚图如下所示：

MT8980芯片的管脚图
STi0-STi7：8路串行输入的PCM基群(32信道)码流,速率为2.048 Mb/s。
ST00-STO7：8路三态串行输出的PCM基群码流,速率为2.048 Mb/s。
A0~A5:微处理器接口时地址信号输入。
D0~D7:微处理器接口时双向数据输入/输出(三态)。
C4i:时钟输入,频率为4.096 MHz,串行码流由此时钟的下降沿定位。
F0i:帧同步脉冲输入,它作为2.048 Mb/s码流的同步信号,低电平使内部计数器在下次负跳变时复位。
CS:片选信号输入,低电平有效。
DS:微处理器接口时数据输入选通信号,高电平有效。
R/W:微处理器接口时读、写控制信号,若输入高电平,为读出;若输入低电平,则为写入。
DTA:数据应答信号输出(开漏输出),它为微处理器接口时数据证实信号,若此端下拉至低电平,电路处理完数据,通常DTA经909Ω接+5 V。
ODE:输出驱动允许。若该输入保持高电平,则SDO0~SDO7输出驱动器正常工作;若为低电平,则SDO0~SDO7呈高阻。
CST:控制总线输出。每帧由256 b组成,每码元为接续存储器高位256个存贮单元第1位的值。第0码流相应的码元先输出。
3.1.2 MT8980的功能
其功能框图如图所示，该芯片由串/并变换器、数据存储器、帧计数器、控制寄存器、控制接口单元、接续存储器、输出复用器与并/串变换器等部分构成。

MT8980功能框图

串行PCM数据流以2.048Mb/s速率分八路由STI0～STI7输入，经串/并变换，根据码流号和信道号依次存入256×8比特数据存储器的相应单元内。控制寄存器通过接口，接受来自微处理器的指令，并将此指令写入到接续存储器。这样，数据存储器中各信道的数据按照接续存储器的内容，以某种顺序从中读出，再经复用、缓存、经并一串变换，变为时隙交换后的八路2.048Mb/s串行码流STO0～STO7，从而达到数字交换的目的。
如果不再对控制寄存器发出命令，则电路内部维持现有状态，刚才交换过的两时隙将一直处于交换过程，直到接受新命令为止。接续存储器的容量为256×11位，分为高3位和低8位两部分，前者决定本输出时隙的状态；后者决定本输出时隙所对应的输入时隙。另外，由于输出多路开关的作用，电路还可以工作于消息或报文模式，以使接续存储器低8位的内容作为数据直接输出到相应的时隙中去。
MT8980的全部动作均由微处理器通过控制接口控制。外部CPU可以读取数据存储器、控制寄存器和接续存储器的内容，并可向控制寄存器和接续存储器写入指令。此外，还可置电路于分离方式，即微处理器的所有读操作均读自于数据存储器，所有写操作均写至接续存储器的低8位。
3.2 控制部分--AT89S51的介绍
控制单元控制着各模块协调有序的完成呼叫的全过程，本设计中 采用AT89S51单片机完成。AT89S51单片机是Atmel公司所生产的，该单片机在AT89C51的基础上，增加了WDT（看门狗）功能和双数据指针（DPTR）,并且支持ISP/IAP功能，其中看门狗模块可以在单片机出现死机现象时自动使单片机复位。
3.2.1 AT89S51的管脚说明
该单片机的引脚图如下：

AT89S51引脚图
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源
GND(Pin20)：接地线
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出
ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号
PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
3.3 MT8980与AT89S51的连接
MT8980与AT89S51之间的接口信号主要有：地址线 A0～A5、地址线 D0～D7、片选信号CS、读写控制信号R/W ，另外还有选通信号DS 、回应信号等。
当片选信号CS为低电平时，AT89S51可对MT8980内部的寄存器进行读写，DS 和DTA 作为AT89S51 和MT8980 之间数据交换的同步信号。在 DS 信号的上升沿时刻，如果 MT8980 的片选信号、数据线、地址线以及读写信号有效，则AT89S51开始对MT8980进行读或写操作。当 MT8980与AT89S51之间完成相应的数据发送或者接收之后，MT8980的DTA 送出一个下降沿，表示这次数据交换完成，可以进行下一项操作。
89C51 的 P3.0、P3.1 分别与 MT8980 的 DS、DTA 相连，可以比较容易地实现AT89S51 和 MT8980之间数据交换的同步。89C51 的读信号线RD经反相处理以后，直接与 MT8980 的读写控制线相连，可以实现对该芯片的读写控制。
3.4 基于MT8980的交换网络的设计与实现
第三章的前面三节已经介绍到了交换网络MT8980芯片的管脚图、工作原理，控制部分的芯片AT89S51的管脚图、工作原理，以及MT8980与AT89S51的连接示意图。到此，可以说整个小型程控交换机系统设计的硬件部分已经基本上完成，只需要按照管脚的说明将这个电路图连接起来即可完成。而该小型程控交换系统的驱动需要通过编程来实现，即是说通过软件来使整个电路运行起来。
软件设计流程图:

设计总结：通过本次程控交换原理的课程设计，重新复习和深入理解了一下课堂上所学习的理论知识，尤其是程控交换机的基本结构：话路部分和控制部分，话路部分由用户电路、中继设备、交换网络和信令设备组成，控制部分由CPU、存储器和I/O设备组成。从程控交换机的基本组成出发，来设计和搭建小型程控交换机系统。此外，根据芯片MT8980和芯片AT89S51的管脚图的分析，及两个芯片的功能和基本原理的了解，从而将两个芯片连接起来组成了小型程控交换系统的硬件部分（即电路设计图）。根据设计好的电路图来进行软件的编程设计，画出软件设计的流程图，编出相应的程序来驱动电路，最终就完成了小型程控交换机的设计。
参考文献：《程控交换原理》参考书