硕士论文-通信交换机实验系统的研究.pdf

北京化工大学 硕士学位论文 现代通信交换机实验系统的研究 姓名 杨胜姚 申请学位级别 硕士 专业 计算机应用技术 指导教师 聂伟 20100527 摘要 现代通信交换机实验系统的研究 摘要 近年来 随着信息技术的迅猛发展 通信已成为人们日常生活中不可 缺少的组成部分 交换机作为通信网络的核心 对现代通信技术的发展起 着巨大的推动作用 实验教学具有对理论知识的验证作用 更是是培养学 生从理论过渡到实践不r i O t l 新的桥梁 交换机是一门实践性较强的课程 实 验教学不但能使学生掌握交换机原理 更能培养学生动手实践矛l i O t l 新的能 力 传统交换机实验系统为学生提供了良好的验证性实验平台 但创新能 力的培养除了需要有验证性实验平台以外 更需要有设计性实验平台 本文查阅了大量文献 对现有交换机实验系统的原理和特点进行分 析 在保留了传统交换机实验装置优势的基础上 设计出一种模块化 分 层次 综合性和创新设计性的现代通信交换机实验系统 文中首先给出交 换机实验系统的原理 并分析了它与实际产品的区别和各自的特点 在此 基础上设计出现代通信交换机实验系统 该系统采用通用底板 背板两种 结构共八个模块 不仅能代替传统实验箱进行交换机系统实验 还可以用 于通信网络的核心交换进行通信网络实验 在完成整体设计后给出了八个 模块的硬件电路设计 该设计紧密结合理论原理 采用通用模块化 开放 接口和二次开发的设计思想 能很好地完成交换机原理从验证到设计的多 个实验内容 完成硬件设计之后 本文给出了实验系统的软件设计 包括 交换机控制程序 改进的时隙产生程序和界面友好的上位机管理程序 根 据实验系统的设计 给出了能在该实验系统上完成的实验内容 包括8 北京化T 大学硕l 学位论文 个单项实验 4 个综合实验 4 个系统实验和5 个设计性实验 并对部分 重点实验内容进行详细说明 对空分交换和时分交换两个系统实验进行测 试与分析 结果表明该实验系统设计正确 功能和指标都满足要求 关键字 电话交换机 空分交换 时分交换 单片机 P r o t e l 实验系统 I I A B S T R A C T S T U D YO NE X P E R I M E N TS Y S T E Mo FM o D E R N C o M M U N I C A T I o NS W I T C H A BS T R A C T W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s c o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m ea ne s s e n t i a lp a r ti no u rd a i l yl i f e A st h ec o r eo f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s w i t c hp l a y sar o l ew h i c hc a nn o tb er e p l a c e df o rt h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y E x p e r i m e n tc a nn o to n l y v e r i f yt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g e i ti sa l s ot h eb r i d g ef r o mt h e o r yt op r a c t i c e a n di n n o v a t i o n T h eS w i t c hi sav e r yp r a c t i c a lc o u r s e a n de x p e r i m e n ti st h e k e yt ol e a r ni t T r a d i t i o n a l s w i t c he x p e r i m e n t a l s y s t e m w h i c hp r o v i d e s s t u d e n t sw i t hag o o dc o n f i r m a t o r yt e s tp l a t f o r m s t i l lh a sm a n yd e f i c i e n c i e si n t r a i n i n gs t u d e n t Sh a n d s o np r a c t i c ea n di n n o v a t i o na b i l i t y T h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x i s t i n g s w i t c he x p e r i m e n t a ls y s t e ma f t e rr e f e r i n gal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s A d e s i g no fm o d e r nc o m m u n i c a t i o ns w i t c he x p e r i m e n ts y s t e mi sg i v e n w h i c h p o s s e s s e st h ea d v a n t a d g e so fm o d u l a r h i e r a r c h i c a l i n t e g r a t e da n di n n o v a t i v e T h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r i n c i p l e so fe x c h a n g ee x p e r i m e n t a ls y s t e m c o m p a r e s t h ed i f f e r e n c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h ea c t u a l p r o d u c t s a n d e x p e r i m e n t a ls y s t e m a n dt h e nas w i t c he x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d T h i s s y s t e mh a s8m o d u l e sw i t ht w ou n i v e r s a ls t r u c t u r e so fm o t h e r b o a r da n d b l a c k b o a r d I tn o to n l yc a nd os w i t c h i n ge x p e r i m e n t sr e p l a c i n gt r a d i t i o n a l 北京化r 人学顾I 学位论文 b o x f o r ms t r u c t u r e b u ta l s oc a np e r f o r ma sa c o r es w i t c h i n gm o d u l ei n c o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t sw h i c hi so p e r a t e di nac a b i n e t T h eh a r d w a r e d e s i g ni se l a b o r a t e da f t e rt h ei n t e g r a ld e s i g n T h i sd e s i g ni sc l o s e l yi n t e g r a t e d w i t ht h e p r i n c i p l e s a n da p p l i e st h ei d e ao fm o d u l a r o p e n i n t e r f a c ea n d r e d e v e l o p m e n t w h i c hc a na c c o m p l i s hs e v e r a le x p e r i m e n t sf o r mc o n f i r m a t i o n t o i n n o v a t i o n C o m p l i s h e dt h e h a r d w a r ed e s i g n t h i sp a p e rp r e s e n t st h e s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gc o n t r o lp r o g r a m m o d i f i e dt i m es l o tg e n e r a t i n g p r o g r a ma n df r i e n d l yu p p e r c o m p u t e rm a n a g e rp r o g r a m A c c o r d i n g t ot h e d e s i g n e x p e r i m e n t a l i t e m st h a tc a nd oi nt h i ss y s t e ma r eg i v e n w h i c h i n c l u d e s8s i g n a le x p e r i m e n t s 4c o m p r o h e n s i v ee x p e r i m e n t s 4s y s t e m a t i c e x p e r i m e n t sa n d5d e s i g n i n ge x p e r i m e n t s A f t e rt e s t i n g a n da n a li z i n gt h e s p a c e d i v i s i o na n dt i m e d i v i s i o ns w i t c h i n g t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e md e s i g ni s c o r r e c t a n di t sf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sm e e tt h er e q u i r e m e n t s K E Y W O R D S T e l e p h o n eS w i t c h S p a c eD i v i s i o nS w i t c h i n g T i m eD i v i s i o n S w i t c h i n g S i n g l eC h i pM i c r o c o m p u t e r P r o t e l E x p e r i m e n t a ls y s t e m I l 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 盔塑璺生够 日期 矽I 绎f 珥髟因 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编 学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在 L 年解密后适用 本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授 权书 作者签名 扭壁坐 导师签名 盈卜 日期 丝 生 笪兰兰望 日期 叫呈 S 兰易 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在2 0 世纪最后的2 0 年罩 通信技术和通信产业以异乎寻常的速度持续发展 通 信网已深入到社会生活的各个层面 成为现代社会非常关键的基础设施 通信产业也 成为部分发达国家的支柱产业 I 3 同时 通信技术与计算机技术的结合 也正以前所 未有的速度促进通信网 计算机网和综合业务网迅速发展 引起社会经济乃至人类生 活方式的深刻变化 4 5 针对通信技术的各个方面 目前相关高等院校已为学生开设了 多门课程 也出版了相应的教材 这些课程为学生掌握某一方面通信技术打下了良好 的基础 6 7 1 交换是通信网络的关键技术 通信网百余年的发展史已证明 并仍将证明 交换 技术的突破将极大地推动通信网络的演进 引 随着交换机的更新换代和技术的不断提 高 交换技术的发展也从承载单一业务的电路交换 分组交换 发展到承载多种业务 的宽带交换 9 d 面对信息时代的到来 人们在享受信息社会的乐趣的同时 也遇到 了新的挑战 学习和掌握交换技术已成为相关工程技术人员和广大青年学生的需要 l2 乃J 交换技术是通信工程 网络工程等专业学生的重要课程 该课程涵盖了交换的 整个历程 讲述了目前主流的交换技术 学好该课程 对学生理解目前各种交换机制 式 交换方式 毕业后尽快进入工作岗位起着非常重要的作用 1 4 1 2 课题的背景和意义 实验教学在整个教学环节中具有对理论知识的验证 通过对理论知识的深入理解 进一步做创新研究的两方面作用 l5 1 高校为国家培养的人才不但要理论知识要扎实 还应具备一定的专业技术应用能力 这就要求学生在校期间除了接受课堂教育 还需 要受到系统的工程实践训练 l 昏1 8 交换作为现代通信网络的核心技术 是一门实践性 较强难度较大的课程 学习和掌握现代交换技术最关键的就是把理论的学习与实验环 节相结合 如何设置交换技术课程的实验内容成为学习本门课的重点之一 l 睨1 1 1 2 1 交换机实验系统现状 目前 用于交换原理课程的教学实验仪器比较多 例如启东计算机厂有限公 司D V C C C K 2 型交换机实验箱 湖北众友科技实业股份有限公司的Z Y l 8 0 3 D 2 型数 字程控交换原理实验箱 北京百科融创教学仪器设备有限公司的R C C K I I I 型程控交 北京化 T 人学硕 I 学位论文 换机实验箱等 Z Y l 8 0 3 D 2 型数字程控交换原理实验箱中 各电路单元均由分立器件 组成 信号音产生 用户接口电路 时分交换 空分交换 控制器 P C M 编译码等 模块均集成在一块电路板上 采用典型5 1 单片机进行控制 学生可根据实验需要 在该电路板上选择相应的单元进行实验 R C C K I I I 型程控交换机实验箱在结构上和 Z Y l8 0 3 D 2 型数字程控交换原理实验箱相同 不同之处在于 R C C K I I I 型程控交换 机实验箱的电路板上集成了D S P 单元 F P G A 单元等 用D S P 代替N E 5 5 5 产生各种 信号音 用F P G A 实现时分交换和部分逻辑运算 控制器采用M S P 4 3 0 单片机 同时 还增加了液晶显示模块 2 2 2 6 J 上述交换机实验系统虽然已经能很好地完成验证性实验 但对二次开发以及设计 性实验支持得都还不够 且都未将交换技术引入到通信网络中去 使交换机失去了其 在通信网络中的重要地位 同时 交换机实验箱与真实网络中的交换机差别较大 没 有体现出交换机在通信网中的位鼍 学生很难理解现代通信系统中交换机重要性 另 外 现有的许多实验箱都是硬件一体化的结构 即所有电路模块集成在一块大的电路 板上 存在以下不足 1 升级扩展困难 当需要升级其中的某一个实验模块或增加 新的实验模块时 整个电路板必须重新设计 制作 费时费力 成本增加 2 不同 实验装置中的部分模块可能相同 比如通信原理实验箱 移动通信实验箱 高频电子 线路实验箱的信号产生模块均相同 但各实验装置中的这些相同模块却不能共享 不 同实验箱的相同模块需要重复设计 造成资源浪费 3 由于电路板上的硬件被固定 因此学生进行二次开发比较困难 学生无法自行设计实验模块 以验证学习效果 不 利于学生创新能力的提高 因此 研究和开发出一套既有利于学生学习交换技术的理论知识 又能加强学生 动手能力和掌握现代交换技术的实验设备是非常关键的 如何让学生能通过实验教学 环节把书本上的理论知识学得更扎实 在学习交换技术的同时将现代通信系统的其他 部分联系起来 能更清楚地认识到交换系统在通信中的位置 这对交换机的学习 研 究与实现都具有深远的意义 1 2 2 交换机实验系统发展趋势 交换机实验系统的发展与其他通信实验系统的发展相似 下面从四个方面来说明 未来交换机实验系统的发展情况 1 实验设备更接近真实产品 对于传统的交换机实验设备 比如实验箱与实验台等仅仅是电路层的设备 与真 实的交换机装置差别较大 这样的设备虽然能作为交换机的实验系统 但却无法体现 交换机的意义 只有把交换机放入到通信网中才能看出交换机在通信网络中的核心地 位 这样才能让学生更深入地理解交换机的原理与作用 以后的交换机实验系统将更 2 第一章绪论 加接近真实交换机 从结构上不再单独以传统的实验箱形式存存 而是以更多形式 如柜式结构 盒式结构等存存 这也正是当前实际应用中的交换机的结构 2 融入现代通信新技术 传统交换机实验系统多数都采用比较陈旧的实现方法 没有将当前流行的新技术 与工具结合到实验系统中 多数都用非常分立的器件组成 分立器件虽然是实验系统 的一个特点 但分立器件所组成的交换机实验系统与现代通信交换机的发展现状不太 相符 应在必要的分立器件实现基础上加入新技术 例如将D S P A R M F P G A 等技 术也加入到交换机实验系统中 3 更多的实践环节 传统的交换机实验课程主要是对程控交换机原理的学习 并通过实验环节来验证 这些原理 这对学生学习课本上的理论知识比较有效 但交换机作为实践性较强的一 门课程 少量的实验不能让学生深入学习和理解交换机的原理与实现 因此 在教学 安排上将加大交换机实验教学的学时量 加深实验环节的学习难度 这样更有利于学 生学习并掌握现代交换机 4 培养创新能力 目前多数交换机实验系统只能对学生所学课本理论知识进行验证和演示 对学生 动手能力以及工程实践方面的提高作用非常小 创新和研究能力是培养学生的最终目 标 而目前的交换机实验系统却难以满足这一要求 原因是目自i f 的交换机实验系统多 数都不够灵活 难以进行二次开发和升级 未来交换机实验系统的发展将是模块化 易升级 易替换的 同时能支持将其中的部分模块替换为学生自己设计丌发的实验模 块来进行实验 1 3 课题研究内容和目标 交换机的类型非常多 本课题所研究的是电信网络所用的电话交换机 在程控交 换机的研究基础上 实现模块化的现代通信交机实验系统 该系统既可以独立完成交 换机课程的各种实验 又可以当作通信实验系统中的交换模块来使用 因此 主要的 研究内容有 1 查阅资料 学习交换原理和交换技术 分析现有的程控交换机实验 系统 提出新的实验系统设计方案 2 综合考虑交换机的功能 接口以及尺寸等因 素 采用通用底板 背板 模块化的设计思想将交换机实验系统划分成多个子模块 3 根据实验系统的特点与原则 完成整体硬件设计和详细硬件电路设计 完成P C B 设计 并在实验系统的关键位置及信号连接处设置测试点 4 完成交换机实验系统 的软件设计 包括单片机控制程序 C P L D 时隙产生程序和上位机管理程序 5 结 合硬件与软件设计 分析该实验系统能完成的实验项目 并对系统进行测试与分析 北京化r 大学伽i I 学位论文 本课题的研究目标是通过对交换机原理和实验教学的分析 设计出一款既有助于 让学生更深入地学习和理解交换原理 又能培养学生创新设计能力的现代通信交换机 实验装置 该实验装置不仅能代替传统实验箱 以下简称箱式结构 完成交换机课程 的实验 还可以放在现代通信实验系统的机柜上 以下简称柜式结构 作为通信网 络中的交换模块来使用 因此 即能体现交换机实验系统的完整性 又能体现交换机 在通信网中的位置和意义 让学生能更深入理解交换机的核心地位 1 4 论文结构 论文结构安排如下 第一章 绪论 介绍了交换机的发展 交换机实验系统的现状与特点以及课题研 究的主要内容和目标 第二章 交换机原理 在介绍了电话交换机原理的基础上重点分析了现有交换机 实验系统的特点 并给出交换机实验系统的整体设计原则 第三章 交换机实验系统整体设计 根据交换机实验系统的需要 给出两种设计 方案 给出箱式结构和柜式结构的实验系统整体方案设计 并给出了模块的划分与通 用模块设计 最后介绍了本文研究所使用的开发环境与工具 第四章 硬件电路设计 给出了实验系统整体硬件设计和各模块的详细硬件电路 设计以及P C B 设计 最后简单介绍了硬件调试流程 第五章 软件设计 详细设计了空分 时分两大交换系统的控制程序 介绍了由 C P L D 产生系统各种时钟的V e r i l o g 语言程序设计 并给出上位机控制软件的设计 第六章 测试与分析 给出四种不同类型的实验项目 结合时分和空分两个综合 实验对实验系统进行联合测试 给出相关波形与状态图 最后给出了部分设计性实验 项目详细设计 第七单 总结与展望 对全文工作进行总结 并针对本课题的局限性和不足进行 分析 提出下一步所需要做的工作 4 第二章交换机原理 第二章交换机原理 交换机的发展离不开交换技术的进步 本章将从交换技术的发展入手 逐步介绍 交换机的分类与原理 最后给出交换机实验系统的设计原则 2 1 交换机概述 构成通信网的三大要素为通信终端 传输设备和交换设备 其中交换设备是整个 网络的核心 2 7 1 交换的目的是实现任意时间 任意地点和任何用户信息的传递 6 1 交 换机的发展离不丌通信网的发展 更离不开交换技术的发展 因此 在分析电信交换 机之前有必要先对交换技术进行介绍 2 1 1 交换技术发展概况 通信为人类带来了翻天覆地的变化 世界各国在通信领域投入了大量的人力和物 力 并进行了大规模的建设 通信技术也因此成为高等院校通信工程 电子信息工程 及计算机通信等专业学生必须具备的知识结构的重要组成部分之一 2 8 1 1 作为通信网 络的核心技术 现代交换技术己成为现代通信中的热点话题 交换技术的发展可分为 三个阶段 人工交换 机电交换 电子交换 3 2 3 3 1 人工交换 1 8 7 6 在B e l lA G 年发明电话以后不久 人们就开始意识到应该把电话线集中到一 个中心节点上 这个中心点可以把任意的电话线连接起来 这就诞生了最早的电话交 换技术一一人工磁石电话交换机 这种交换机的交换网络就是一个接线台 非常简单 接线由人工控制 由于人工接续的固有缺点 例如接续速度慢 接线员需同夜服务等 迫使人们寻求自动接续方式 2 7 2 9 3 0 2 机电交换 1 8 8 9 年 美国S t r o w g e r A B 发明了第一部自动电话交换机 该交换机由两步动作 完成自动交换 之后又逐步演变为广泛应用的步进制自动交换机一一机电交换方式 用户通过电话机的拨号控制电话局中的继电器与接线器的动作 完成电话的自动连接 4 1 4 2 步进制交换机由预选器 选组器和终接器组成 步进制交换机的特点 直接由 记拨号脉冲控制接续 各级都有控制 为全分散控制 其缺点是 接点为滑动式 可 靠性差 动作慢 机构复杂 占地大 易损坏 1 9 1 9 年瑞典比图兰德和帕尔默格林发明了一种纵横接线器的新型选择器并申请 专利 1 9 2 6 年 世界上第一个大型的纵横制自动电话交换局首先在瑞典使用 纵横交 换机的交换网络由纵横接线器组成 与步进接线器相比 器件动作范围减小了很多 北京化I 人学烦I j 学位论义 接续速度明显提高 它采用一种称为 记发器 的特殊电路实现收号控制和呼叫接续 是一种间接控制方式 纵横制交换机的特点 l H J 接控制 用户拨号先通过记发器接收 存储 记发器再送给标志器 然后由标志器米控制接续 集中控制 接点为压触式 可靠性比步进制要高 其缺点是 体积大 数量多 工作复杂 维护困难 3 电子交换 第二次世界大战后 尤其是品体管的发明 交换机得到了飞跃性的发展 并走向 电子化 4 3 1 1 9 4 6 年 第一台存储程序控制的电子计算机的诞生 对交换技术的发展 产生了巨大的影响 美国贝尔系统经过艰苦努力于1 9 6 5 年生产了第一台商用存储程 序控制的电子交换机 这一成果标志着电话机交换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 引起世界各国的兴趣 在发展过程中相继研制出各种类型的电子交换机 未来网络的发展不会是多个网络 而是用一个统一的宽带网络提供多种业务 这 个网络中的关键设备一一交换机 能阵发性实现多种速率 多种服务要求及多种业务 的交换 使宽带网络成为可能的技术有三种 A T M 宽带I P 技术和光交换技术 3 6 引 其中A T M 与I P 交换技术在一定程度上互补 从技术角度来看 A T M 技术是最 佳的 而且A T M 过于完善了 其协议体系的复杂性造成了A T M 系统研制 配置 管 理 故障定位的难度 传统的I P 网络只能提供尽力而为的服务 没有任何有效的业 务质量保证机制 3 4 1 如果把这两种技术结合起来 既可以利用A T M 网络资料为I P 用 户提供高速直达数据 发展A T M 上的I P 用户业务 又可以解决I n t e m e t 发展中的瓶 颈 推动I n t e r a c t 业务的进一步发展 尽管在未来谁是主流的问题上有很多分歧 但 多数厂商和研究人员均认为A T M 技术与I P 技术在未来很长一段时间内将共存 并最 终融合在一起 目前最看好的是支持两者结合的多协议标记交换技术 它的大部分标 准己制定 I 3 9 J 2 1 2 交换机分类 交换 s w i t c h i n g 是按照通信两端传输信息的需要 用人工或设备自动完成的方 法 把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称 广义的交换机 s w i t c h 就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备 交换机的类型有许多种 按信号类型可分为模拟交换和数字交换 按交换技术的 应用来分可分为电信网交换 计算机网络交换 多协议标记交换 软交换 移动交换 以及光交换等 本文研究的是通信系统中的电话交换机 电话交换机按发展演变分类 如图2 1 所示 6 第一二章交换机原理 交换机t 自动交换机 言蓁薹 霎丁纵横制厂布控式b l 自动交换机 f 纵横制l 艟 L 间接控制式 厂布控式广茹 i L 电子式 厂空分式I L 程控式 f P A MJ L 时分式 测 波 斗 波器 存 图4 1 3 收号电路原理 F i g 4 1 3P r i n c i p l eo f N u m b e rR e c e i v e r Q 1 0 2 0 3 Q 4 群要二 书誊 2 弘号泌二耻型 出嘉i0 餍 纛蒹 w 彤 味十一 L 一10 L 1 j 一 l 吧 0 2 1fIl 瓷 i 琏 I 拄一 峰誊i 4 7 D I M l g n 2 n 图4 1 4 收号模块电路原理图 F i g 4 1 4S c h e m a t i co fN u m b e rR e c e i v e rM o d u l e 图4 1 4 中 开关K T S 用于选择时分交换与空分交换 空分交换的双音多频信号 直接由D T M F S 处输入 时分交换的双音多频信号由P C M 编译码芯片T P 3 0 6 7 的第5 脚输出 关于T P 3 0 6 7 的介绍见4 5 1 节 将M T 8 8 7 0 译出的4 位二进制号码输出到 控制器模块中 同时驱动四个发光二极管以便实验时观察 收号模块只用到了T P 3 0 6 7 的译码功能 因此 T P 3 0 6 7 还可以用来做P C M 编码 实验 在实验时 学生通过示波器或频谱仪观察T P D T M F 可以看到双音多频信号的 波形和频谱 4 4 空分交换模块设计 空分交换是指在交换过程中的入线是通过空间的位置来选择出线 并建立接续 通信结束后 随即拆除 比如 人工交换机上塞绳的一端连着入线塞孔 由话务员按 主叫要求把塞绳的另一端连接被叫的出线塞孔 这就是最形象的空分交换方式 此外 机电式 电磁机械或继电器式 步进制 纵横制 半电子 程控模拟用户交换机 以至宽带交换机都可以利用空分交换原理实现交换的要求 空分交换模块包括开关矩阵电路 输出选择电路 交换与输出控制电路 其中 北京化丁人学硕I 学位论义 开关矩阵 由多个开关组成 可通过电平控制丌关的通与断 输出控制电路 是根据控制命令选择不同的信号输出 需要输出的信号有丌关矩 阵传来的话音信号和信号音 交换与输出控制 用于接收控制器模块传来的控制命令 根据控制命令来控制交 换矩阵和输出选择电路 空分交换模块还用于完成摘机检测与振铃控制的转接 空分交换模块的结构图如 图4 15 所示 H 摘机检测与振铃控制I 憾卜一开挲阵卜 交换 i 控制器1 与 1 模块j 渺H 信群3 卜 输出 信号音 控制 模块 I 图4 1 5 空分交换模块结构图 F i g 4 1 5B l o c kD i a g r a mo fS p a c eD i i s i o nS w i t c h i n gM o d u l e 4 4 1 空分交换电路设计 空分交换电路最关键的是丌关矩阵的设计 原理上可以直接采用若干个模拟开关 直接组成 但考虑到采用模拟开关占用面积非常大 故本文选用开关矩阵芯片来完成 本文实验系统只有四个用户 只此需要4 5 1 0 0 0 次 F l a s hR O M 3 3 2 个双向I O 口 4 2 5 6 x 8 b i t 内部R A M 5 3 个1 6 位可编程定时 计数器中断 6 时钟频率0 2 4 M H z 7 2 个串行中断 8 可编程U A R T 串行通道 9 2 个外部中断源 1 0 8 b i t 数据 1 6 b i t 地址并行总线访问 11 2 个读写控制信号 1 2 3 级加密位 A T 8 9 C 5 2 可以按照常规方法进行编程 但不可以在线编程 S 系列的才支持在线 编程 它将通用的微处理器和F l a s h 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的F l a s h 存储器可有效地降低开发成本 4 8 1 空分交换控制器设计 空分交换控制器首先接收键盘的设置 并显示在液晶显示器上 然后根据键盘输 入的设置来管理空分交换网络的各个模块 主要控制的对象是空分交换模块 收号模 块 与信号音产生模块一起 空分交换控制器采用串行通信方式 通过中继模块与 其他实验装置实现信令传输 图4 2 8 是空分交换控制器的电路原理图 第阴章硬件 U 路设计 K E YP o R T 键盘接口 C L D S P S P S P S P l 3 5 7 R P S II O K S 5 V U S S P l 0S P l O S P l JS P S P l 2S P l2 S P I3S PJ 3 S P l 4S P l 4 S P l 5S P l 5 S P l 6S P l 6 S I I7S P l 7 S G N D L P 1 O t P 1 1 i P 1 2 P 1 3 x P I 4 P 1 5 L P 1 6 蔓一P 1 7 P 3 3 P 3 2 I N T 0 P 3 5 T 1 P 3 射T O E A V P P X T A L l X 丁A L 2 R S T P 3 7 垦必 P 3 6 W R T 8 9 C 5 2 A D O P 0 0 A D lJ P 0 1 f A D 2 P 0 2 A D 3J P 0 3 f A D 4 I o 4 A D 5 P 0 5 A D 6 P 06 A D 7 P 0 7 f A 8 P 2 0 A 9 P 2 I A1 0 P 2 2 A 11 P 2 3 f A1 2 1 2 4 A 1 3 P 2 5 A1 4 P 2 6 A 1 5 P 2 7 V C C G N D R X D P 3 0 T x 啦 A L E P R G P S E N 图4 2 8 空分控制器与键盘显示接口电路原理图 F i g 4 2 8S c h e m a t i co fS p a c eD i v i s i o nS w i t c h i n gC o n t r o l l e ra n dt h eK e y b o a r da n dD i s p l a yI n t e r f a c e s 图4 2 8 中 空分交换控制器选用A T 8 9 C 5 2 单片机 其电源 S 5 V 和地 S G N D 是由选择丌关提供的 单片机的时钟为11 0 5 9 2 M H z P 1 口作为键盘的接口 采用2 x 4 双排针接口与键盘模块相连 P 1 O P 1 3 经I O K 上拉电阻接到电源端 P 1 4 P 1 7 经 下接电阻接到地线上 液晶接口直接与空分交换控制器相连 有关液晶接口的设 键盘显示模块 4 8 2 时分交换控制器设计 1 0 K 计见 时分交换控制器与空分交换控制器的设计基本相同 采用A T 8 9 C 5 2 单片机作为 主控制芯片 晶振时钟为1 1 0 5 9 2 M H z 单片机电源 T 5 V 和地 T G N D 由选择 电路提供 时分交换控制器没有键盘液晶接口 而是直接与计算机通信 通过计算机 来设置相关参数并显示交换机工作状态 时分交换控制器采用R S 2 3 2 串行方式与计算 机通信 详细介绍见计算机接口设计 图4 2 9 是时分交换控制器的电路原理图 3 7 柰甄 鎏篝摹 I r f V C C GND R x D l P 3 0 T X 必翌 A L E P R O G P S E N 图4 2 9 时分交换控制器原理图 F i g 4 2 9S c h e m a t i co f T i m ed i v i s i o ns w i t c h i n gc o n t r o l l e r 4 8 4 计算机接口设计 时分交换控制器与计算机的通信采用R S 2 3 2 协议 通过计算机来设置时分交换系 统的时隙 号码等参数 同时将当前工作状态上传至电脑并在电脑中显示 R S 2 3 2 协议是1 9 7 0 年由美国电子工业协会 E I A 联合贝尔系统 调制解调器厂 家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 全名是 数据终端设备 D T E 和数据通讯设备 D C E 之间串行二进制数据交换接口技术标准 该标准 规定采用一个2 5 个脚的D B 2 5 连接器 随着设备的不断改进 D B 2 5 针的连接器已经 很少看到了 代替他的是D B 9 接口 D B 9 所用到的管脚比D B 2 5 有所变化 主要是2 R X D 3 T x D 5 G N D 这三个 因此现在都把R S 2 3 2 接口叫做D B 9 R S 2 3 2 有阳头 公头 和阴头 母头 之分 区别在于引脚顺序不一样 而每个 引脚对应的功能完全相同 R S 2 3 2 的引脚图如图4 3 0 所示 其中 a 为阳头 公头 b 为阴头 母头 l2 3 1 4 5 f Il 1 I l t a 图4 3 09 针R S 2 3 2 连接器 F i g 4 3 0C o n n e c t o ro f N i n e P m sR S 2 3 2 3 8 b 一一一一一一一一 O 2 3 4 5 6 7 附 肿踯册阳附踯叭眦阱阱 嘶町 A A A A A A A A 一一一一一一一一 l h h h m J 2 3 4 j 五J陀陀陀瓮 陀陀陀眩似似川M川川MM 攀 第四章碘件电路设计 表4 29 针R S 2 3 2 C 接口器引脚定义 T a b l e4 2P i n sD e f i n eo fR 2 3 2 C 引脚号名称功能信号方向 lD C D 数据载波检测 输入 2R X D 接收数据 串行输入 输入 3T X D 发送数据 串行输入 输出 4D T R D T E 就绪 数据终端准备就绪 输出 5G N D 信0 地 6D S R D C E 就绪 数据通信就绪 输出 7T R S 请求发送输出 8C T S 清除传送 输入 9R I 振铃指示输入 R S 2 3 2 的电气特性如下 1 在T X D 和R X D 上 逻辑I M A R K 3 V 一 1 5 V 逻辑0 S P A C E 3 V 15 V 2 在R T S C T S D S R D T R 和D C D 等控制线上 信号有效 接通 O N 状态 正电压 3 v 1 5 V 信号无效 断开 O F F 状态 负电压 3 V 1 5 V 对于数据 逻辑 1 传号 的电平低于 3 V 逻辑 0 空号 的电平高于 3 v 对于控制信号 接通状态 o N 即信号有效的电平高于 3 V 断开状态 o F F 即信 号无效的电平低于 3 V 当传输电平的绝对值大于3 V 时 电路可以有效地检查出来 介于 3 V 3 V 之间的电压无意义 低于 15 V 或高于 1 5 V 的电压也认为无意义 R S 2 3 2 是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R S 2 3 2 与T T L 电 路之间进行电平和逻辑关系的变换 实现这种变换的方法可用分立元件 也可用集成 电路芯片 本设计采用M A X 2 3 2 芯片 可完成T T L 卜一E 队双向电平转换 图4 3 1 是R S 2 3 2 接口的电路原理图 图4 3 lR S 2 3 2 接口电路原理图 F i g 4 3 1S c h e m a t i co fR S 2 3 2I n t e r f a c e 3 9 北京化T 人学硕I 学位论义 4 8 3 控制器输出选择电路设计 控制器输出选择电路的作用是 选择空分交换或时分交换控制器工作 主要是控 制两个单片机的电源 数据输入输出 地址输出 控制信号输出等信号 选择电路主 要二选一开关 双向数据选通器 拨码开关等组成 输出选择电路原理图如图4 3 2 所示 图中 K T S 为二选一开关 由四个子开关组成 s 5 V 和S G N D 为空分交换控 制器的电源和地线 T 5 V 和T G N D 为时分交换控制器的电源和地线 A D S T 为控制 器的地址 数据等选择信号 U T C 为二选一数据选择器 用于选择两路的控制信号输 出 图中的7 4 L S 2 4 5 U S D U T D U S P 2 U T P 2 为双向数据选择器 其中U S D 和U T D 为数据选择 通常情况下为输出 只有当读信号R D 有效时为数据输入 U S P 2 和U T P 2 为地址输出选择 只作为输出用 故数据方向选择D I R 固定为 5 V 输出选择控制信 号由K T S 的A D S T 提供 当K T S 拨向上方时 选择空分交换控制器 拨向下方时选 择时分交换控制器 P l 作为普通双向I O 口来用 没有读写命令 故采用拨码丌关控 制 图中未画出 嚼圣I 型2S G N D I 蠢嚣2 Y 新 J l I 墼蚕甄型I 图4 3 2 控制器输出选择电路 F i g 4 3 2S c h e m a t i co fC o n t r o l l e rO u t p u tS e l e c t 4 9 键盘与显示模块设计 键盘采用4 X 4 的矩阵式非编码键盘 用来设置号码 计时 计费等参数 还可 以用来选择中继 会议等工作模式 键盘的行线与P l 口的低4 位相连 列线与P 1 口 的高4 位相连 键盘电路原理图如图4 3 3 所示 右边的2 x 4 双排针为键盘与控制器 的接口 键盘扫描原理有多种 例如逐行扫描 输出取反扫描 这里采用第二种方式 其 思想是 先将P 1 的低4 位全部置为l 高4 位全部置为0 然后再读取P 1 口的值 篷洼 第四章硬件电路设汁 当没有按键按下时所读取的值为刚输出的值 如果有按键按下则按键对应的低位信号 线也变为0 将低4 位数据保持读入的值不变 高4 位输出l 这时按键所对应的高 位信号线也变为O 将这个数据读入到单片机 便得到按键的编码 即按键所对应的 P 1 口数据线全为O 其他数据线都为1 结合图4 3 3 以数字键 9 被按下为例来说明按键读取原理 首先在P 1 口输出 0 0 0 0 1 1 1 l 因为 9 对应的数据线为P 1 2 和P 1 5 其中P 1 2 输出为1 而P 1 5 输出 为0 当0 和1 逻辑直接连接在一起时结果会变为0 因此当再次读入P 1 的值时得到 0 0 0 0 1 0 1 l 因为能让P 1 2 为变0 的情况还有三种 即 7 8 或 L 被按下时P 1 2 都会变为0 因此需要再一次输出来定位按键 这时输出P 1 0 P 1 3 为刚读入的1 0 1 l 而P 1 4 P 1 7 输出为1 1 1 1 这时因为P 1 2 为0 而P 1 5 为l 故再次读入时P 1 5 也将变 为O 其他I O 值不变 读取P 1 口的数据得到的结果为1 1 0 1 1 0 1 1 表示P 1 2 和P 1 5 交叉处的按键被按下 即 9 被按下 LLL生 一 一 4 一生一 l 一 L q 1 一 一 一 7 三 L 一 一 一 1一 1一 0 鳖生一L l I o o 1 S P l O k S P l l 一 一 一 S P l 2 S P I3 S P l 4 S P l5 S P l 6 S P l 7 图4 3 3 键盘 也路原理图 F i g 4 3 3S c h e m a t i co fK e y b o a r d 亚S P l 0 5 7 二亚S P I I 磊s PJ 4 霈S P I 液晶显示模块主要是显示时问 号码 状态以及键盘设置过程中的一些动作等 要求能显示汉字和英文字符 因此需要带汉字库的L C D