（农业电气化与自动化专业论文）矩阵交换网络设备的设计与研究.pdf

摘要 针对数据通信系统中线路自动控制及灵活转接的需要，设计了采用模拟开关阵列集成电路的级 连，来构成交换矩阵网络。阐述了矩阵交换的基本原理和矩阵交换设备的设计过程，并在实验的基 础上给出了数字信号通过矩阵开关时的各项实验数据指标，从而证明了信号通过矩阵体时，失真小、 干扰小，能够较好的满足实用要求。矩阵交换设备，在原来的基础上增加了掉电存储功能，并且扩 展了级连，能够做到4 层3 2 路输入6 4 路输出的任意选通。新的矩阵交换设备控制灵活，采用了p c 机与单片机的联合控制。模拟开关阵列集成电路主要由地址译码器、控制锁存器和交叉开关阵列组 成。控制系统在传送控制信号时使用c r c 校验正确率达到9 9 以上。目前，该设备己成功投入实用。 关键词矩阵交换；m t 8 8 1 6 ；c r c 校验 a b s t r a c t a i m i n ga t t h en e e do fa g i l i t yo fs w i t c h i n gi nt h ed a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w e d e s i g nt h es w i t c h i n gm a t r i xn e tw h i c h u s e da n a l o gs w i t c h i n gi n t e g r a t ec i r c u i t t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h es w i m h i n gd e v i c e w h i c hw i l lb eu s e di na l la r t i f i c i a ls y s t e m i ti n t r o d u c e st h e b a s i ct h e o r yo fc o m m u n i c a t i n gs w i t c h i n ga n dt h ep r o c e s so fd e s i g na n d ，o n t h eb a s eo f e x p i r e m e n t ，w eg e te a c ht e s t i n gd a t u mw h e nd i s t a ls i g n a l sp a s st h es w i t c h i n gm a t r i x ， w h i c hp r o v e d i g i t a ls i g n a l sc a np a s st h es w i t c h i n gm a t r i xw i t h l i t t l ed i s t o r t i o n t h i sd e v i c e a d d sp r o t e c t i n gf f m c t i o nw h e ni ti sp o w e r e do f f i tc a l lm a k e4l a y e r3 2i n p u ta n d 6 4 o u t p u t n e wd e v i c ea d o p t sc o m b i n e dc o n 订0 1 1 e rb e t w e e np ca n ds c m c o n t r o l l i n gs y s t e mu s e c r ct ot r a n s m i tt h es i g n a l t h ec o r r e c tr a t er e a c ha b o v e9 9 t h i sd e v i c eh a sb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l ya n d d e v o t e di n t oa p p l i c a t i o n k e y w o r d s s w i t c h i n g ；m t 8 8 1 6 ；c r c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 冈馥 时间： 加牛年弓月幻日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 闩狻 划立。铴 时间： 埘严年弓月2 。目 时间：) 牛年3 月 。目 1 1 概述 第一章绪论 本课题所研究的通信矩阵交换网络设各拟用于某基地测控系统中的仿真子系统。由于仿真通 信服务器仅有3 2 个物理通道，而实战系统可容纳6 4 个独立的测控设备，所以要求仿真系统要能 灵活的仿真任何一个或多个测控设备，由此设计了采用模拟电子开关阵列集成电路的级联，来构 成矩阵交换网络。模拟电子开关阵列是基于先进的微电子技术发展而产生的，它已经从最初的4 行4 列= 1 6 个交叉点开关发展到现在的1 6 行x8 列= t 2 8 个交叉点，现阶段模拟开关阵列集成 电路正朝着加大阵列规模，减少导通电阻，降低插入损耗，减小功耗，提高集成度等方向发展。模 拟开关阵列集成电路作为交换网络或模拟电子开关，正在得到越来越广泛的应用。 1 2 数据交换技术的发展状况 数据通信是近四十年来发展起来的一种新的通信业务，它与传统的电话、电报通信相比，有 着许多不同的特点和要求。我们可咀利用现有的模拟电话通信网或者p c m 数字电话信道来传输 数据信号，但是我们不能按照数据通信的要求去改造它们。因此，一方面，我们应对模拟话路信 道和p c m 数字电话信道对数据传输的影响加以研究。另一方亟，我们也需要研究适用于数据通 信的交换技术。 1 2 1 电路交换 数据通信的电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 是根据电话交换的原理发展起来的一种交换方式。 利用电路交换进行数据通信要经历三个阶段，即建立电路阶段、传送数据阶段和拆除电路阶段， 因此电路交换属于电路资源预分配系统。电路交换的特点是接续路径采用物理连接。当电路接通 之后，出现在数据终端用户面前的就如同一条专线一样，交换机的控制电路不再干预信息的传输。 以电路交换进行数据通信时，存在着两个限制条件：第一，在进行数据传送时，通信双方的 两个站必须处于同时激活可用的状态；第二，两个站之间的通信资源必须可用，而且必须专用。 为此，对于传输信息量大。通信对象比较确定的场合，这种交换方式较为适用的。 电路交换方式的主要优点是 1 、数据信息的传输时延小。 2 、数据信息以信号形式在通路中“透明”传输，交换机对它不进行存储、分析和处理，因 此交换机的处理开销少。 3 、对数据信息的格式和编码类型没有限制。 电路交换的主要缺点是 1 、电路的接续时间较长。 2 、电路利用率低。 3 、在传输速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程等方面，通信双方必须完全兼 容。 4 、当一方用户终端设备忙或交换网负载过重时，可能会出现呼叫不通的现象。 世界各国对建殴以电路交换方式的数据通信网曾掀起过一个热潮，如德国、日本、意大利等 国都投资建造了电路交换数据通信网，至今还发挥着重要的作用。 1 2 2 报文交换 报文交换的基本原理是“存储一转发”。当a 用户欲向b 用户发送数据信息时，a 用户并不 需要先接通与b 用户的电路，而只需与连接的交换机接通，并将需要发送的报文作为一个独立的 实体，全部发送给交换机存储起来，然后交换机根据报文中提供的目的地址，在交换网内确定其 路由，并将报文送到输出线路的队列中去排队，一旦该输出线路空闲，就立即将报文传给下一个 交换机。以此类推，最后送到目的地b 用户。 报文交换的特点是交换机要对用户信息( 即报文) 进行存储和处理，因此它是一种接收报文 之后，将它存储起来，等到有合适的输出线路再转发出去的技术。它适合于电报业务和电子信箱 业务。 报文交换的主要优点是： 1 、线路利用率较高。 2 、交换机以“存储一转发”方式传输数据信息。 3 、易于实现各种不同类型终端之间的互通。 4 、不需要发、收两端同时处于激活状态。 报文交换的主要缺点是： 1 、数据信息通过交换网的时延较长，且时延的变化也大这不利于实时或交互型业务。 2 、交换机必须具有存储报文的大容量和高速分析处理报文的功能，从而增大了交换机的投资 费用。 1 2 3 分组交换 分组交换是综合了电路交换和报文交换的一种交换方式。在分组交换网中，为了控制和管理 通过交换网的“分组”流，目前主要采取两种方式，即数据报方式和虚电路方式。 在数据报方式中，每个组作为一个独立的信息实体，通常把这种独立处理的分组称为“数据 报”。每个分组在交换机中以尽快转送出去为目的，被送往下一个交换机，因此整个报文被分解 成的各个分组就可能经历不同的路径到达目的站。数据报方式具有传送迅速、简单灵活、传输可 靠等优点，但存在接收分组失序的缺点。 在虚电路方式中，进行数据传送之前，必须先在原站点与目的站之间建立一条逻辑连接，然 后各分组均沿着这条已经建立起来的虚电路交换数据。一旦交换结束，即拆除此次连接。从现象 上来看，传送各分组的这条虚电路似乎与电路交换中建立的那条专用电路一样，但从本质上来看， 各分组在每个交换机中仍然需要存储，并在输出线路上进行排队等待，这就为虚电路方式可能提 供多种服务( 排序、流控制和差错控制) 创造了条件。虚电路方式与数据报方式的区别在于：各 交换机不必为每个分组做出路由选择，而只需为每次连接作一次路由选择。 分组交换的主要优点是： l 、数据信息的传输时延较小，且变化不大，能较好地满足交互型通信的实时性要求。 2 、易于实现线路的统计时分多路复用，提高了线路的利用率。 3 、容易建立灵活的通信环境，便于在传输速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程 等方面都不相同的数据终端之间实现互通。 分组交换的主要缺点是： 1 、由于网络附加的传输信息较多，影响了分组交换的传输效率。 2 、实现技术复杂。 1 3 数字信号的基带传输 数字信号的传输可分为基带传输和频带传输两种方式。通常把从原始信源转换过来未经调制 的信号称为基带信号。将基带信号直接在信道中传输的方式称为基带传输方式。数字基带传输方 式是数字通信中一种重要的通信方式，如目前的电话数字终端机和计算机输出的数字信号，都可 以直接在基带系统内传输，随着1 s d n 业务和程控交换系统的采用，基带传输的应用越来越广泛。 为了提高数字信号传输的有效性和可靠性，有必要对数字信号基带传输系统进行认真的研究和设 计。 1 4 课题研究背景和主要研究内容 近几年，我国的航空航天技术发展很快，每年都有数十颗各种卫星发射开空。随着航天测控 事业的发展，测控系统对通信保障的要求越来越高。而在试验任务中，通信指挥自动化程度不高 的问题将直接成为制约通信保障的质量和效益的瓶颈。在某测控中心通信网络终端上，缺乏一些 必要的信道质量和状态的自动监测、控制及线路的自动转换手段，使机房工作人员工作量繁重、 操作时延大，通信指挥员也只能对信道质量和状态作某种程度上的定性推测，严重影响了试验通 信的质量和效益。 测控系统中各个测量站和测量船测得的卫星轨道和姿态数据通过专用的d d n ( 数字数据通信 网) 传送到控制中心。而在目前的一些专用数据数字通信系统中，数据的传输都采用固定的电缆 连接，这样做的弊端是当有一路电缆发生故障时，不能够及时的切除并更换数据通道，从而造成 数据的丢失。另外，为了测试应用软件，仿真机需产生仿真数据，仿真数据经交换矩阵送入中心 计算机，以支持其进行轨道计算。实战系统有l ；4 路测控设备，而仿真器只有3 2 个物理通道，所 以需要有多路转接的矩阵交换网络设备。 针对这些问题，国内已有人做过矩阵网络交换设备的研究，但是却没有考虑摔电后，矩阵开 关通断状态数据的保存问题。基于此，开发研制了一种矩阵交换设备，它在原来的基础上增加了 掉电存储功能，并且支持级连，能够做到4 层每层都是3 2 路输入6 4 路输出的任意选通。 本课题结合矩阵交换网络设备应用的特定环境( 测控仿真系统) ，充分考虑和比较了几种交 换方式的优缺点，在力达性价比最优的前提下，选择了电路交换方式。 本课题在选定了矩阵交换网络设备的交换方式后，搭建了矩阵交换网络设备的硬件平台，并 且设计了上位机的控制软件。最后本课题还对整个系统进行了仿真测试，并对传输数字信号时码 间干扰和噪声作了分析。最后证明信号能够失真小、干扰小的通过矩阵体。 第二章矩阵交换芯片m t 8 8 1 6 圈( 2 1 ) 完戚交换转接任务设备方榧圈圈( 2 2 ) 纵播翻开关群愿理图 2 2 数字基带信号的传输特性分析 基带传输系统的一般组成如图( 2 3 ) 它由四部分组成：发送滤波器、传输信道、接收滤波器和 抽样判决器。 g ，( 国)c ( 功)g r ( c o ) 圈( 2 3 ) 基带传输系统概豳 图中，扫( n ) 表示输入到发送滤波器的随机数字序列，在二进制情况下，日。取值为0 、1 。 ( 弓) 、c 洄) 、g 。( c o ) 分别为发送滤波器、矩阵体信道和接收滤波器的传输函数。输入信号 x ( t ) 可视为由间隔为t 的一系列夙r ) 函数组成的，即 x ( t ) = 6 ( t - n t ) 当发送滤波器的频率特性选择的与所要求发送波形的频率特性一致时，此信号激励发送滤波 器，在其输出端形成的波形序列为 s ( f ) = g r ( t - n t ) ( 2 - - 2 ) 式中，g ，( ，) 是发送滤波器的冲激响应，它与g ，( c o ) 是一对傅氏变换，即 删= 去g 凇炉如 c ：一” 信号s ( t ) 通过传输信道时，囡信道传输特性的不完善，可能产生信号波形畸变，且叠加上噪 声，因此接收端收到的信号不一定是s ( t ) 的重现。 设整个系统的传输函数为h ( c o ) = g 7 ( c o ) c ( c o ) g 。劬) ，那么接收滤波器的输出信号为 y ( r ) = h ( t n t ) + n r ( f ) ( 2 - - 4 ) 式中 o ) 与h ( c o ) 的关系为 雄) = 荔f o u ( “如= 去q ( 郴( ) g 舷旷如( z 吲 而 。( r ) 为加性噪声在接受滤波器输出的波形。 y l r ( f ) = n ( f ) + g 月( f ) 酬= 去e 哝( 彬 c ： 取样判决电路对y ( t ) 进行取样判决，其取样时间为t 女= 七丁+ r 。，这里气为信号接收滤波器 所造成的延迟时间。当r = 屯时，式( 2 - - 4 ) 可改写为 y ( t k ) = d 。h ( k t + t 。一h 7 1 ) + n r ( k t + l 。)吼a ( 屯) + a 【( 女一n t ) + t 。 + f r ( k t + t 。) ( 2 7 j 此式说明，( f 。) 由三个部分组成，其中吼 ( ) 为第k 个码元在时刻接收滤波器的输出值， 是判决吼的依据；日。a ( 一n t ) + t o 】是除第k + n n n n 黼t 时刻造成的干扰之总 和，即码间串扰值。”节。( k t + 靠) 是信道中随机噪声在0 时刻干扰值。 从上述分析可知，码间串扰和随机噪声干扰是影响基带信号传输质量的两个主要因素。由于 他们的存在，有可能造成接收端取样判决的错误，亦即存在接受误码现象。从对基带传输的研究 中知道，消除码间串扰的途径主要有两条：一条是要求传输系统具有均匀且无限宽的频率特性， 使得基带信号在传输过程中不产生任何畸变，这条途径理论上是存在的，但具体实现是十分困难 的；另一条仅要求在取样点上信号互不干扰，而对非取样点上的取值，则不作任何要求，通过对 基带信号波形频谱特性的分析，说明这条途径是可以实现的。奈奎斯特第一准则指出：当基带传 输系统具有理想低通滤波器的特性时，以其截止频率两倍的速率传输数字信号，便能消除码间串 扰。 2 3 矩阵交换芯片 根据以上的分析，决定采用m i t e l 公司的m t 8 8 1 6 芯片，它基本上能够使数字信号在其要 求频率和电压幅值范围内，线性通过矩阵交换体。由此，在数字基带信号传输时，不改变其通道 的传递函数，保持其原有设计好的低通滤波器的特性，从而不会导致由于加入矩阵交换设备而产 生码问串扰现象。下面具体介绍一下m t 8 8 1 6 芯片，来阐明它为什么能够满足数据交换，和数字 信号基带传输的需要。 2 3 1 m t 8 8 1 6 芯片概述 就m t 8 8 1 6 芯片的特性来说，其内部具有控制闭锁和地址解码器；启动和滞后时间短；能通 过数字信号和较大振幅( 1 2 v ) 的模拟信号；在加入1 2 v 直流电，温度为2 5 。c 的情况下最大的 接通电阻为6 5q ；交换节点为信号变形很小的c m o s 开关：较小的道间干扰：在1 0 k h z ，2 v p p 下，道间干扰为，9 0 d b ；分别具有模拟和数字参考电源提供。 实验测得m t 8 8 1 6 芯片的截止频率为4 5 m h z ；3 ；n n g t ，道问干扰( j 乙m ) 如下表所示： 表但1 )不同频率下遣闻干扰 注：当置与r 导通，一与( 导通时，道阃干扰x , o m = 2 0 l o g ( ；) 。 2 3 2 m t 8 8 1 6 适用范围 1 、控键系统。 2 、专用分组交换机系统。 3 、移动无线电通信。 4 、检测装置。 5 、模拟数字多路复用器。 6 、音频图像的切换装置。 2 3 3 m t 8 8 1 6 性能描述 m t 8 8 1 6 芯片是由低功耗高可靠性的m i t e l 的i s o c m o s 技术制造，提供低功耗高可靠性 的传输。此芯片内部包含了8 1 6 路交叉点开关，以及由7 路选通1 2 8 路的地址解码器和闭锁电 路。通过7 位的地址选址可以选通1 2 8 路开关。开关的闭合或打开可以通过对d a t a 位输入1 或 0 来实现。片选信号可以使开关列层叠，以此来实现矩阵的扩展。v s s 是数字地，v e e 是模拟地。 模拟信号的范围是从v d d 到v e e 。当既有数字信号又有模拟信号通过芯片时，v s s 和v e e 要分开 接地。图( 2 4 ) 为m t 8 8 1 6 的功能模块图。 圈( 2 4 ) m t 8 8 1 6 的功能横块豳 2 3 4 m t 8 8 1 6 功能介绍 m t 8 8 1 6 是一个具有8 1 6 行列大小的模拟开关矩阵。y 表示列的输入和输出，x 表示行 的输入和输出。模拟开关的交换节点可以高性能的接通断开任意x ( 输入输出) 、y ( 输入 输出) 。控制存储器包括一个1 2 8 字节的只写r a m ，这些字节是通过地址输入( a y o a y 2 、 a x 0 一a x 3 ) 来选择的。d a t a 是由d a t a 输入的，它与c s ( 片选) 信号同时写入。s t o r e 输入是 8 高电平，锁存在s t o r e 的下降沿打开。写入存储器的逻辑“l ”接通相应的开关点，写入存储器 的逻辑0 断开相应的开关点。当数据写入存储器只有和开关接点相对应的特定存储器的地址 被替换，其余的开关保持其原来的状态。任意x 和y 输入输出都可以通过设置适当的地址写 入控制存储器来连接。r e s e t 输入“1 ”，会断开所有的开关接点，不管c s 是1或0 。两 个地引脚( v s s 和v e e ) 使得m t 8 8 1 6 能够在负模拟信号下切换。数字信号的范围是从v d d 到v s s ， 模拟信号的范围是从v d d 到v e e 。下表为输入电压值范围表： 名称符号最小值典型僵最大值单位 工作温度z一4 0 2 58 0o c 电压45 132矿 模拟电压m2d 矿 数字电压，p kp k 矿 囊( 2 2 ) 入电压值范囊 7 个输入的地址和s t o r e 及c s 相与以后，形成了一个明确的锁存使能信号。d a t a 输入值 被缓存了起来，用作所有锁存的输入。要写入地址时，r e s e t 必须是低电平，c s 必须是高电平。 s t o r e 的输入先设置成高电平，而后再变为低电平，以使得数据得以锁存。当s t o r e 为高电平 时，数据可以改变。d a t a 的输入与相应开关的接通断开相联系。d a t a 必须在s t o r e 的下降 沿到来时保持稳定，以便锁存正确的数据。 下面列出了控制存储器的时序表和控制存储器的时序图( 2 5 ) 表( 2 3 ) 控制存储器时序表 代表符号最小值典型值最大值单位测试条件 名称 d a t a 到s t o r e 的保持时间 t n h 2 0n s r r = 1k f a c ，= 5 0 p f d a t a 到s t o r e 的建立时间 t d s 2 0 r r = 1 地c l = 5 0 p f ia d d r e s s 到s t o r e 建立时间 ，f s 2 0n s r f = 1 施c l = 5 0 p f c s 到s t o r e 的建立时间 l ? 粥 2 0 r ，= 1 施c ，= 5 0 p f a d d r e s s 到s f o r e 保持时间 r 2 0n s r ，= 1 舳c r = 5 0 p f c s 到s t o r e 的憬持时间 l c s m 2 0 心= l mc f = 5 0 p f s t o r e 脉冲宽度 r n p w 4 0n s r l = 1mc ，= 5 0 p f r e s e t 脉冲宽度 ，月p w 2 0 0n s r l = 1 施c r = 5 0 p f c s s t r o e 到开关状态延时 f _ 1 5 02 0 0 n s r l = 1 k f 2c = 5 0 p f d a t a 到开关状态的延时 f n 1 5 02 0 0 r f = lk f 2 c 二= 5 0 p f r e s e t 到开关状态的延时 如 1 5 02 0 0n s r ，= 1 mc l = 5 0 p f 豳( 2 5 ) 控制存储的时序瞳 0 第三章矩阵交换设备系统构成 本系统主要是由矩阵控制单元、矩阵交换单元、仿真主机( 产生仿真数据) 、仿真c c p ( 网 络收发数据) 、通信双工柜等组成。交换单元是集群系统的关键部分，它在中央控制单元的控制下 完成指定输入通道与输出通道的接续与切断。矩阵交换系统构成框图如图( 3i ) 所示。 d d n ( 数早数据网) 3 1 矩阵体结构 图( 3 1 ) 矩阵交换系统构成框图 上位机( 仿真c c p ) 把控制信息传送到8 7 5 1 最小微机系统，由它控制m t 8 8 1 6 交换体，为 交换网络提供控制和地址译码数据。1 6 个模块可完成6 4 x3 2 的完全无阻塞交换。为了实现全 双工通信，同时有4 个信号：收定时、收数据、发定时、发数据。因此采用4 个6 4 3 2 的交换 体。在这4 个交换体里，4 片对应的m t 8 8 1 6 模拟开关阵列集成电路芯片接收相同的片选、片上 地址和数据信息，使得对应结点的通断相同。为了保证在设备掉电时，地址和控制信息不被丢失， 采用一个2 4 c 0 2 芯片，保存从上位机传来的地址和控制信息。其硬件和软件的设计后面会详细介 绍。 3 2 通信双工柜 通信双工柜将来自外线( d d n 或矩阵交换设备) 的信息，经过电隔离后将其并行送入到两 台中心计算机经中心计算机处理后，将需要输出的信息，经事先的选择来确定哪一台中心机输出 哪些路信息，并经光电隔离后输出到外线。 3 2 1 通信双工柜要完成如下功能 1 ) 将来自外线的6 4 路信息经过接口转换后并行送到两台中心计算机，经中心计算机处理后， 将需要输出的信息送到通信双工控制柜，通信双工柜根据预先的选择方案来确定哪一路的输出信 息由哪台中一0 计算机输出； 2 ) 通信双工柜与监控微机之间有两种工作方式：联机和脱机，联机方式是指通信双工柜信 息输出选择由监控软件完成，脱机是指通信双工控制柜输出选择由开关完成： 3 ) 在联机方式监控软件完成12 8 路信息输出的选择控制和显示； 4 ) 所有外线输入输出进行光电隔离； 5 ) 实现通信卡的实战自检、模拟伯环工作方式。 3 2 2 工作原理 1 ) 电源板 在交流供电及两块g i b 6 正常运行的状态下，两组电源分别通过各自的二极管组向负载同 时供电，这时负载能力大大超过1 0 a ，从而可以提高供电的安全系数。一旦某相交流断电，或某 块g i b 一6 失效，整个供电系统处于单电源供电状态，此时出现异常状态的支路被其二极管组阻 断，仅由正常支路供电，从而保证电源的连续供电。为了能及时监视电源的工作状况，面板上装 有两组电源的指示灯，正常时两个灯均点亮，若发现其中一个不亮时，表明该电源为异常状态， 应及时查清原因，排除故障，尽量避免长时间单组供电，因单组供电不仅不能保证该组电源出现 异常后的继续供电，而且单组供电时，电源的负载能力也降低，电压会降低0 1 _ 珈2 v 。因此， 一旦出现异常在任务允许的情况下，应及时停电，更换各份电源、检修。 由于双电源供电需通过各自的二极管，在负载不同的情况下，二极管的压降也各有不同，压 降为06 v 左右，为了确保输出电压的正确值，需适当的调节每个电源的输出值。 2 ) 通信柜控制板 通信双工柜中的控制板与监控微机进行通信，可以实现用软件对每条线路进行甲机出乙机出 或主机输出方式的设置。 采用i n t e l 公司的8 7 c 5 i 芯片实现对双工柜信息输出方式的设定。8 7 c 5 i 接收监控微机串 口送来的控制字。在对控制字分析后，可以对每一线路信息输出方式进行设置。 控制板的逻辑框图如( 3 2 ) 所示： m c s 5 17 4 3 7 3 啮i 吐8 2 5 5 单片机 监控徽机联 p 0肌雠p t 强l 一 ， _ r x 。 脱 p b 机 r x 一 t x d ， p c 控 制 r d ， w 9 田( 3 2 ) 控斜板逻辑榧稠 监控微机串口发送控制字格式为： 76543l0 i 停止重新甲出缺 接口板号 路 l位发送乙出省号 位 控制板收到上述信息，将其转换为相应的控制信号，并将这些控制信号驱动输出到相应的接 口板上。在双工且联机状态，控制板接收监控微机送来的控制信息。在脱机或自检状态，控制板 不受监控微机控制。 3 、通信控制板与接口板、监控微机及中心机的信息流程 圈( 3 3 ) 信息流程图 第四章矩阵交换系统的硬件实现 4 1 控制系统的硬件实现 矩阵体的控制采用8 7 c 5 1 单片机。8 7 c 5 1 的p 0 0 p 0 7i o 口输出控制矩阵体的数据信号( 指 明需操作的线路及其状态) ；p 10 - p i7i o 口输出控制矩阵体的地址信号；p 1 1 接矩阵体的r e s e t 信号；p 1 2 、p 13 接扩展的两线制e 2 p r o m 芯片2 4 c 0 2 a 。其串口r x d 、t x d 与上位机进行通 信，其原理图如下图( 4 1 ) 4 2 矩阵体的硬件实现 田( 4 1 ) 控捌单片机屎理田 4 2 1 矩阵体数据和地址译码的产生 矩阵体要同时通过4 种信号：收数据、发数据、收定时、发定时。所以矩阵体要有4 层相 同的矩阵切换板，且其数据信号和地址信号是一样的( 即4 块矩阵切换板同时打开同一节点) 。 因此将8 7 c 5 1 输出的数据总线和地址总线化成5 组，前4 组为矩阵体通过的4 种信号使用( 每 4 王雷銮些銮主篮苫兰名童銮噩留茎錾匠銮鎏蚤錾蛰薯芷毒翟 个矩阵切换板引入一组) ，第5 组给显示面板使用，显示当前的开关状态。由于单片机的低8 位 数据总线的p o 口可驱动8 个l s t t l 电路，而其它口只能驱动4 个l s t t l 电路，其信号的驱动 能力有限，所以使用了单向总线驱动器7 4 l s 2 4 4 。数据总线的驱动扩展电路原理如图( 4 2 ) 所示： 9 6 l a l1 y l 1 a 21 y 2 l a 4l y 4 2 a l2 y l 2 a 22 y 2 2 a 32 y 3 2 a 42 y 4 1 g 圉( 4 2 ) 数据总线的驱动扩晨电路 矩阵体实现的是6 4 路一3 2 路的切换，需1 6 个m t 8 8 1 6 芯片，地址信号只需8 位就够了。同 数据信号一样，地址信号也要扩展驱动，化成5 组信号。矩阵体地址译码电路图如图( 4 3 ) 所示： 从电路原理图可以看出矩阵体地址的商四位可设为1 1 0 0 ，u 1 5 ，u 1 6 被选通；显示面板地址的高 四位可设为1 1 0 l ，u 1 7 被选通。 瞳( 4 3 ) 地址译码电路圈 4 2 2 m t 8 8 1 6 的串联 使用1 6 片m t 8 8 1 6 来完成6 4 路一3 2 路信号的切换。8 个m t 8 8 1 6 芯片为一组，这样1 6 片m t 8 8 1 6 就分成了两组。8 个m t 8 8 1 6 芯片的1 6 路x ( 输入) 信号并联在一起，两组正好为 3 2 路。两组相对应的两片m t 8 8 1 6 芯片的8 路y ( 输出) 信号并联在一起，这样一共是8 组，正 好为6 4 路输出。其电路图如图( 4 4 ) 圈( 4 4 ) 矩阵体电路围 下 图( 4 5 ) 为m t 8 8 1 6 芯片的管脚示意图： 1 6 a y 2 r e s e t a n 2 , a x o x 1 4 x 1 5 x 6 x 了 x 8 9 1 0 1 1 n e v 7 v s 8 丫6 s t r 0 6 e y 5 v e e x 0y 0 x 1y l x 2y 2 x 3y 3 x 4y 4 x 5y 5 x 62 6 即 x 8r s t x 9c x 1 0c s x 1 1a x 0 x 12a x l x 1 3a x 2 x 1 4a x 3 x 1 5a y 0 + 1 la y l v s g a y 2 v e ed a t a 圈( 4 5 )m t 8 8 1 6 慈片 4 3 单片机与上位机串行通信电路设计 1 2 3 d 一5 6 7 8 串行方式是指数据的各位在一条传输线上分时传送。它只需根数据线，加若干控制线和一 根地线。因为数据是在一条数据线上一位一位分时传送的，所以一个字节数据至少分8 次传送。 串行通信比并行通信数据传输速度低，但技术的发展，使用串行通信也能达到很高的速度，完全 能满足一般数据通信对传输速度的要求。串行通信能大大节省传输线路，且能进行远距离传送。 数字信号远距离传输时会发生衰减和失真，直接传输允许的距离只有几米，远距离是不能 用的。为了减小衰减，在r s 2 3 2 c 通信标准中提高了电平值，可到1 2 v 左右。但允许传输距离 也只有十几米，降低波特率以后也就百米左右。以上传输方式的最大缺点是通信双方共地，由于 双方“地”不等电位，就带来相当大的干扰。另外共模噪声会耦合到系统中。所以有了r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等通信标准，它使通信双方不共地，具有差分平衡传输特点，有较强的抗烦扰能力，传 输距离可达1 2 0 0 米。本系统要求的传输距离在2 0 米以内，所以采用r s 2 3 2a 单片机芯片发出的 串行数据为t t l 电平，同时也只能接受t t l 电平。e i a - - r s 2 3 2 用正负电压来表示逻辑状态，与 t t l 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的t t l 器件连 接。必须在e i a r s 2 3 2 与t t l 电路之间进行电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法可用 分立元件，也可用集成电路芯片。采用m a x i m 公司的m a x 2 0 2 e 芯片，可完成t t l e i a 双向电 平转换。它为单5 v 电源器件，内带电压倍增器，外围电路较简单。电路连接图如图( 4 6 ) 所示： 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9111111l弛竹珏珏弛弛皿扎如让弛如姐弛如强 卿谨：耋蛐剐怼粥m黔mm艄|薹脱删 媳强玎|_：亏泌强”玎曲斟船恐列 ，0 0 4 0 0 。0 0加他们似惦俏仃伯伯 4 4 电平转换电路 翻( 4 6 ) 串行迸信电路圈 由于m t 8 8 1 6 输入输出信号都为t t l 电平，而数据传输过程中数据信号为4 2 2 电平，所以 在输入信号进入矩阵体以及矩阵体输出的信号进入传输通道时都要进行信号电平的转换。信号进 入矩阵体时须将4 2 2 电平转换为t t l 电平，矩阵体输出信号在信道上传输时，须将t t l 电平转 换为4 2 2 电平。采用m o t o r o l a 差分总线收发器m c 3 4 8 6 和m c 3 4 8 7 。下图( 4 7 ) 为差分4 2 2 电平信号转换成t t l 电平电路原理图。在每个差分信号转换前，都要经过一个电阻网络，这个电 阻网络的作用是当输入端无差分信号输入时，电阻网络提供一个稳定的电压，去除零漂噪声干扰。 图( 48 ) 为t t l 电平转换为4 2 2 电平电路原理图。 圈( 4 7 ) 差分4 2 2 电平信号转换成t t l 电平电路圈 暇( 4 8 ) t t l 电平转换为4 2 2 电平电路原理田 4 52 4 c 0 2 a 的硬件连接 4 5 12 4 c x x 芯片介绍 2 4 c x x 有2 4 c o i 0 2 0 4 0 8 1 6 ，它们分别提供1 k 2 k 4 k 8 k 1 6 k 位串行e 2 p r o m ，内部组态为 1 2 8 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 x8 位，支持8 字节( 1 k 、2 k ) 、1 6 字节( 4 k 、8 k ) 页砸写入方式。下图( 4 9 ) 为 2 4 c 0 2 a 的芯片。 n e n c n c g n d 8 1 e a dp d i p v e e t e s 丁 s c l s d a 圈( 4 9 ) 2 4 c 0 2 a 苗片 使用时把1 、2 、3 管脚都接地，且只用了一片2 4 c 0 2 a ， 所以存储的容量为2 k ，2 5 6 字节。 9 其电路连接图可在图( 41 ) 中看到。 4 6 存储中断和取出中断电路设计 在面板上设计了两个按钮。一个是“存储”按钮，用来存储当前从上位机接收的矩阵开关状 态；另一个是“取出”按钮，用于取出以前存储的矩阵开关状态。这两个按键分别接到单片机的 两个外部中断i n t 0 ( 取出中断) 、i n t i ( 存储中断) ，由单片机的外部中断来响应这两个动作。 图( 41 0 ) 为按钮存储中断和取出中断电路。我们所采用的芯片为单稳触发器7 4 l s l 2 3 ，通过调 节连接7 4 l s l 2 3 的r 和c 值可控制输出q 的脉宽t 。当c _ 1 0 0 0 p f 时 = k r c( 4 1 ) 其中k 为常数，与外界温度及外接电容c 有关，在0 2 0 6 间选择。当c r e s u m e t h r e a d o ；恢复线程运行 下面的函数为监听函数的响应函数，进行数据的读操作： u i n t c o m m p r o c ( l p v o i dp p a r a m ) o v e r l a p p e d o s ； d w o r d d w m a s k , d w t r a n s ； c o m s t a tc o m s t a t ； d w o r d d w e r r o r f l a g s ； c s w i t c h m a t r i x d l g + p d l g = ( c s w i t c h m a t r i x d l g + ) p p a r a m m e m s e t ( & o s ，0 ，s i z e o f ( o v e r l a p p e d ) ) ； 0 s h e v e n t = c r e a t e e v e n l ：州u l l ，t r u e ，f a l s e ，n u l l ) ； f ( o s h e v e n f n u l l ) a f x m e s s a g e b o x ( ”c a f f tc r e a t ee v e n to b j e c t ! ”) r e t u r n ( u i n t ) - 1 ； c l e a r c o m m e r r o r ( h c o m ，& d w e r r o r f l a g s & c o m s t a t 】 d w m a s k s 0 ： u n s i g n e dc h a rf l a g 6 5 ； i f ( w a i t c o m m e v e n t ( h c o m ，& d w m a s k ，& o s ) ) 重叠操作 接收数据 r e a d f i l e ( h c o m ，f l a g ，6 5 ，& d w t r a n s ，n u l l ) ； a f x m e s s a g e b o x ( ”数据出错”，o ，1 ) = i f ( o e t l a s t e r r o r 0 - - e r r o r i o l p e n d i n g ) 无限等待重叠操作结果 g e t o v e r l a p p e d r e s u l t ( h c o m ，& o s ，& d w t r a n s ，t r u e ) e l s e c l o s e h a n d l e ( o s h e v e n t ) ； r e t u mo ： 6 2 数据整理算法模块 c l o s e h a n d l e ( o sh e v e n t ) ； r e t u r n ( g i n t ) - 1 ； 在打开串口通道发送数据之前，先要把界面上输入的信息转换为单片机可以理解的数据格 式。因为单片机的计算能力有限，所以我们把这项工作放在上位机上来处理。 定义3 2 个字符串型变量m e d i t l m d i t 3 2 ，用它来表示从编辑控件输入的字符串。通过调 用a p l 函数s t r t o l ( ) 把字符串类型的数据变为二进制类型。定义4 个t m s i g n e dc h a r 形变量：c h x l 为所选择的输入通道( 3 2 路) c h y l 为所选择的输出通道( 6 4 路) ，c h x 2 、c h y 2 为整理成单片机 要求格式的变量，最后要发送给矩阵体的数据格式为 + + + + x 4y 5y 4y 3 y 2 y i y 0x 3 x 2 x 1 x 0d 地址译码数据信息 o n o f f ( 开关状态) 除了要整理地址信息和数据信息以外，还要整理控制灯的信息。控制灯共有6 4 个，分为8 组。用当前选通的路数除以8 ，商为组数，余数为在本组的位置。所以用8 个字节就可以表示6 4 个显示灯的状态。 下面为程序代码： c a e1 me d i t l = s f r o m l i s t ； t e m p = s t r t o ( s f r o m l i s t ，& s t o p s t r i n g ，10 ) t e m p 2 i t e m p 一1 ； i l l2 l t e m p 8 ； i l 221 t e m p 8 ； c h l i g h t i l i ic h l i g h t i l 1 1 ( o x l 1 ： c h y 2 = ( c h y l 0 x 3 8 ) 3 ； c h s e n d 1 - ( c h x 2 1 c h y 2 ) 10 x o c 0 ； a oa x la x 2a x 3a y 0p 1a 丫2c o n n e c t i o n 0, 髓- y d 0 x 1 - 怕 o) 4 y e d瑚y o ax 4 - y o a斯- y 0 ox 巷啪 o1 善y 。 0* 0x 7 0 ox b - y d ax t o - y o ox 机一1 忸 0x 1 山v 。 ex ， 嘲 表( 6 4 ) m t 8 8 1 6 真值衰 根据r o t 8 8 1 6 的真值表可以看到，当a x = 6 ，a y = 0 时，选通的为x 1 2 y o ，需要做一个变换 同理 f ( c h x 2 = = 1 2 ) c h x 2 = 6 ；b r e a k ；) i f ( c h x 2 1 3 ) c h x 2 = 7 ；b r e a k ； i f ( c h x 2 6 ) c h x 2 2 8 ；b r e a k ；) i f ( c h x 2 7 ) f c h x 2 = 9 ；b r e a k ； i f ( c h x 2 = = 8 ) c h x 2 = 1 0 ；b r e a k ；