摘 要:給出基于CM8870雙音多頻解碼器的小型程控交換機(jī)設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單介紹了雙音多頻信號(hào)組成與CM8870解碼器芯片的結(jié)構(gòu)與功能，對(duì)CM8870解碼器的收號(hào)過程進(jìn)行了詳細(xì)說明。最終給出了利用SM8951單片機(jī)作為交換機(jī)控制器控制小型交換機(jī)進(jìn)行通信的完整電路設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)現(xiàn)后證實(shí)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，能夠順利完成交換機(jī)的電路交換功能。

關(guān)鍵詞:SM8951; 交換機(jī); 數(shù)據(jù)交換; CM8870

中圖分類號(hào):TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0054-03

Design of Small SPC Exchange Based on CM8870

ZHAO Zhi-hong， SHAN Xian-ming， LI Ke-xin

(Department of Electronics， Shenyang Artillery College， Shenyang 110162， China)

Abstract: A design method of small SPC exchange based on DTMF decoder CM8870 is presented. The composition of DTMF signals， the framework and function of CM8870 are introduced. The receiving course of CM8870 is elaborated. The whole circuit of a small SPC exchang that employs SM8951 MCU as the controller of SPC exchange to achieve communication is offered. The practical result of the exchange shows that the system is reliable and stable and can accomplish the functions of the design.

Keywords: SM8951; switchboard; data switching; cm8870

0 引 言

雙音多頻(DTMF)信號(hào)由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，最初是用于電話系統(tǒng)中電話機(jī)與交換機(jī)之間的一種用戶信令，通常用于發(fā)送被叫號(hào)碼。DTMF信號(hào)由高頻群和低頻群組成，高、低頻群各包含四個(gè)頻率。一個(gè)高頻信號(hào)和一個(gè)低頻信號(hào)疊加組成一個(gè)組合信號(hào)，代表一個(gè)數(shù)字。DTMF信令有16個(gè)編碼。雙音多頻的撥號(hào)鍵盤是4×4的矩陣。每按一個(gè)鍵就發(fā)送一個(gè)高頻和低頻的正弦信號(hào)組合，因?yàn)槿魏?個(gè)頻率之間沒有諧波干擾，因此其抗干擾能力很強(qiáng)，遠(yuǎn)程傳輸之后的誤判率很低。

交換機(jī)中DTMF解碼芯片采用CM8870實(shí)現(xiàn)通訊線路上雙音多頻信號(hào)的解碼功能，該芯片將偵聽到的雙音多頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制四位代碼，發(fā)往單片機(jī)，為單片機(jī)提供數(shù)據(jù)流的目的信息。雙音多頻信號(hào)是一組由高頻信號(hào)與低頻信號(hào)疊加而成的組合信號(hào)。雙音多頻信號(hào)解碼是交換機(jī)中非常重要的組成部分，是否能夠準(zhǔn)確地解碼出線路發(fā)送來的雙音多頻信號(hào)是建立通信鏈路的關(guān)鍵，它的工作情況直接決定了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊的可靠性[1]。本系統(tǒng)采用的雙音頻解碼芯片CM8870集成了頻帶分離濾波器和數(shù)字解碼器，可以將接收到的DTMF信號(hào)轉(zhuǎn)換成8421碼[2]。

1 CM8870解碼功能實(shí)現(xiàn)

1.1 CM8870芯片簡(jiǎn)介

CAMD公司的CM8870雙音多頻信號(hào)解碼器為單片18腳DIP封裝芯片，該芯片內(nèi)含濾波器與數(shù)據(jù)解碼功能，可濾除340~3 400 Hz外的非音頻信號(hào)，同時(shí)將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制4位數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部CMOS工藝大大降低了芯片功耗，功耗僅為35 mW。CM8870內(nèi)置一個(gè)差分輸入放大器、一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生器及一個(gè)三態(tài)鎖存接口總線，減少了芯片外圍組件，只需要接一個(gè)普通晶振即可正常工作[3]。

其特點(diǎn)如下:

提供DTMF信號(hào)分離濾波和譯碼功能;

功耗低于35 mW;

可以工作在工業(yè)溫度范圍內(nèi);

可外接晶振，且內(nèi)含震蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào);

采用18引腳DIP，EIAJ，SOIC，PLCC封裝。

CM8870電路的基本特性是提供DTMF信號(hào)分離濾波和譯碼功能，輸出相應(yīng)的16種DTMF頻率組合的4位并行二進(jìn)制碼。電路輸出的二進(jìn)制碼D1~D4由數(shù)據(jù)輸出允許段TOE控制，當(dāng)TOE為高電平時(shí)，D1～D4輸出與當(dāng)前輸入的DTMF信號(hào)相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼;當(dāng)TOE為低電平時(shí)，D1～D4端呈高阻狀態(tài)。運(yùn)放和R1，R2，C1組成一反相放大器，對(duì)輸入的DTMF信號(hào)進(jìn)行隔離放大，其增益K=-R2/R1，改變R2的值可改變?cè)鲆娴拇笮?，VREF為基準(zhǔn)電壓輸出端，取VDD/2=25 V;INH和PD為內(nèi)部電路連接點(diǎn)，應(yīng)接地;OSC1和OSC2為振蕩器輸入輸出端，外接358 MHz晶振與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率信號(hào);STD為延遲控制輸出端，當(dāng)一組有效的雙音頻信號(hào)被接收時(shí)輸出“1”，否則輸出“0”;ESt為初始控制輸出端，若電路檢測(cè)出可識(shí)別的單音對(duì)，則此端變成高電平，若無輸入信號(hào)或連續(xù)失真，則ESt返回低電平;SI/GT為控制輸入端/時(shí)間監(jiān)測(cè)輸出端。功能框圖如圖1所示[4]。

圖1 CM8870芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

雙音多頻信號(hào)是用兩個(gè)不同頻率的信號(hào)組合來表示一個(gè)字符或數(shù)字。這兩個(gè)頻率一個(gè)選自低頻段，一個(gè)選自高頻段，每個(gè)頻段分別包含四個(gè)不同的頻率，因而總共可以組合成16種選擇[5]，而常用的只有12種，它們是0~9，以及#號(hào)和*號(hào)。CM8870能將DTMF信號(hào)譯碼成4位二進(jìn)制碼[6]。

1.2 CM8870的收號(hào)過程

CM8870組成收號(hào)電路，它的輸入為來自模擬用戶接口雙音多頻信號(hào)，輸出為4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，供處理器從數(shù)據(jù)總線口讀入。

其收號(hào)過程如下:模擬信號(hào)從IN-腳引入后，經(jīng)雙音濾波器初步濾除帶外干擾信號(hào)，隨后，此濾出信號(hào)在經(jīng)高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，這兩種分量分別通過過零檢測(cè)后送給數(shù)字檢測(cè)計(jì)算電路;該電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，能排除外部噪聲因偶然含有某些特定頻率而被編碼器編碼，或者影響編碼器的編碼，從而引起后續(xù)的收號(hào)錯(cuò)誤。當(dāng)高、低頻組信號(hào)同時(shí)被編碼器檢測(cè)到時(shí)，ESt腳將輸出高電平作為有效檢測(cè)DTMF信號(hào)的標(biāo)志，而當(dāng)DTMF信號(hào)消失時(shí)，ESt腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被CM8870誤編碼，編碼器要求被編碼的音頻信號(hào)能維持一段時(shí)間，這段時(shí)間由外部的一個(gè)RC電路來決定。如前所述，當(dāng)音頻信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，ESt輸出高電平1，電容放電，VC上的電壓值上升(假設(shè)信號(hào)在整個(gè)要求時(shí)間內(nèi)部存在)，VC升到一個(gè)門限值VTST時(shí)，該音頻信號(hào)被編碼，變成了數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)將被鎖存起來，此時(shí)，GT就為高，使VC點(diǎn)的電壓由門限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持為高，GT就為高，外部的RC電路回到初始狀態(tài)，隨后，經(jīng)過一段鎖存操作引起的延時(shí)后，STD腳輸出高電平，表示信號(hào)鎖存完畢。這時(shí)，若要從Q1~Q4上讀這4位編碼，應(yīng)使TOE為高，打開鎖存器，就完成了DTMF的收號(hào)任務(wù)。

2 單片機(jī)控制CM8870設(shè)計(jì)

2.1 SM8951控制框圖

SM8951外圍電路連接如圖2所示，單片機(jī)通過P1.4管腳與模擬摘掛機(jī)電路相連，有設(shè)備呼叫通信時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過該管腳檢測(cè)到線路上有摘機(jī)動(dòng)作，然后單片機(jī)控制鈴流發(fā)生器向呼叫方發(fā)送撥號(hào)音，收到號(hào)碼后，將該號(hào)碼用DTMF解碼器解碼并經(jīng)過P2.7腳發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)該號(hào)碼進(jìn)行分析，確定主叫方呼叫的對(duì)象，而后單片機(jī)摘機(jī)，判定終端交換機(jī)是否空閑，若空閑則發(fā)送呼叫號(hào)碼，收到回應(yīng)后，給被叫方發(fā)送振鈴音，給主叫方發(fā)送回鈴音，被叫一旦摘機(jī)，則單片機(jī)馬上退出操作，完成呼叫轉(zhuǎn)移[7]。

圖2 SM8951控制框圖

CM8870與SM8951單片機(jī)的接口電路如圖3所示。SM8951單片機(jī)的P0.0~P0.3讀取CM8870的譯碼數(shù)據(jù)，當(dāng)CM8870接收到一個(gè)有效DTMF信號(hào)后，ESt端首先變?yōu)楦唠娖?，?jīng)積分電路使控制輸入端SI電平升高，若SI端電平高于門限電平，CM8870內(nèi)部的4位二進(jìn)制碼被更新，STD端變?yōu)楦唠娖剑琒M8951單片機(jī)通過P2.7口檢測(cè)到這一信息后就開始接收。若 CM8870無DTMF信號(hào)輸入或DTMF信號(hào)連續(xù)失真，則ESt端為低電平，SI端為低電平，STD端輸出低電平。

圖3 CM8870與SM8951連接圖

雙音頻解碼電路如圖4所示。雙音頻信號(hào)輸入點(diǎn)與一個(gè)三極管的集電極V1相連接，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，從電話線上送來的雙音頻信號(hào)進(jìn)入CM8870。如果CM8870接收到的是有效的DTMF信號(hào)，便解碼出對(duì)應(yīng)的8421碼從數(shù)據(jù)輸出端Q1～Q4輸出，該數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)P0.0～P0.3口，完成數(shù)據(jù)采集、判斷和處理。另外，從CM8870的第15腳出來的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的P2.7端口，通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)[8]。

圖4 CM8870電路圖

2.2 單片機(jī)控制過程

單片機(jī)控制交換機(jī)通信時(shí)要時(shí)時(shí)監(jiān)控通信鏈路中是否有摘機(jī)、掛機(jī)動(dòng)作。摘機(jī)、掛機(jī)電路其實(shí)就是一個(gè)電子開關(guān)，控制電路板和電話線之間的連接。平時(shí)這個(gè)開關(guān)應(yīng)該處于斷開的狀態(tài)，以免造成電話線占線;當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制時(shí)，如果振鈴響5次而無人接聽，這時(shí)就需要讓電路板和電話線路接通，即完成摘機(jī)動(dòng)作。V1就是一個(gè)電子開關(guān)，該開關(guān)的導(dǎo)通與否受到單片機(jī)P1.4口的控制。摘機(jī)掛機(jī)電路如果用繼電器設(shè)計(jì)，電路要簡(jiǎn)單一些，但在實(shí)用中發(fā)現(xiàn)耗電大，5 V的繼電器吸合電流高達(dá)30 μA，另外繼電器也容易產(chǎn)生火花干擾。采用晶體管摘機(jī)掛機(jī)電路克服了這些問題[9]。

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)單片機(jī)控制CM8870作為主叫方時(shí)，單片機(jī)要先對(duì)CM8870進(jìn)行初始化，然后控制摘機(jī)電路摘機(jī)，收到被叫方的撥號(hào)音后，單片機(jī)控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等待一段時(shí)間后，看對(duì)方有沒有接機(jī)。若對(duì)方摘機(jī)，則通信開始，否則掛機(jī)，通信結(jié)束。

當(dāng)中繼作為被叫方時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)后，程序要首先對(duì)CM8870進(jìn)行初始化，然后隨時(shí)檢測(cè)是否有振鈴音，如果有，由單片機(jī)控制摘機(jī)電路主動(dòng)摘機(jī)，等待一段時(shí)間，確保已經(jīng)摘機(jī)后，單片機(jī)控制鈴流發(fā)生器產(chǎn)生振鈴，作為主叫方呼叫。等一段時(shí)間后，完成呼叫轉(zhuǎn)移功能，掛機(jī)，結(jié)束通信[10]。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)基于SM8951單片機(jī)與CM8870雙音多頻解碼芯片實(shí)現(xiàn)小型工控交換機(jī)功能，該小型交換機(jī)可用于以電力線或雙絞線為傳輸載體的工控網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，依據(jù)PSTN公共電話交換網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與信令標(biāo)準(zhǔn)，采用電路交換原理實(shí)現(xiàn)交換功能。該小型交換機(jī)可置于網(wǎng)絡(luò)通信的中繼器中，也可置于末端的數(shù)據(jù)處理器中，通常，該交換機(jī)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)通信建立傳輸鏈路，數(shù)據(jù)在交換機(jī)中的傳輸是雙向的。交換機(jī)不是數(shù)據(jù)的最終目的地，而只是一個(gè)“驛站”。雖然隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，交換技術(shù)日趨復(fù)雜，交換功能日益完善，但對(duì)于工控網(wǎng)絡(luò)來說，基于有線網(wǎng)絡(luò)的電路交換技術(shù)仍以其低成本，易實(shí)現(xiàn)、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。

參考文獻(xiàn)

[1]田質(zhì)廣，張慧芬.CM8870DTMF解碼器及其與8098單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J].山東電子，1999(3):12-13.

[2]葛建新.DTMF(雙音多頻)技術(shù)淺析[J].中小企業(yè)管理與科技，2009(6):226.

[3]徐力明，張皓.DTMF調(diào)制解調(diào)器MT8880的性能及其應(yīng)用[J].移動(dòng)通信，1991，4(2):24-30.

[4]劉艷芳，竇育強(qiáng)，張愛麗.基于Matlab的雙音多頻信號(hào)識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009，18(7):199-201.

[5]劉平斌，王國華.雙音多頻發(fā)送接收器MT8880及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代通信，1999(3):88-90.

[6]高秀娥.DTMF專用芯片MT8880在通信網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(13):25-27，30.

[7]莫登耀，廖胖昕，張阿卜.微機(jī)USB和RS 485通信接口的軟硬件設(shè)計(jì)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005(6):273-276.

[8]柳義筠.基于RS 485的多機(jī)通信的應(yīng)用[J].電腦學(xué)習(xí)，2006 (4):29-30.

[9]李朝青.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[10]余宗寶，薛國將，劉銀.基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)[J].長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4(2):48-50.