单片机控制的小型简易程控交换系统文档格式.docx
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1程控交换机的具体设计要求
①主要技术指标
适应话机号盘参数:
脉冲速度为8～12脉冲/秒,断续比（1.3～2.2）:
1
DTMF信号电平:
高频群-7MdB±
3dB,低频群-9MdB±
3dB
用户线路参数:
用户线最大环路电阻不小于400Ω.
信号音:
拨号音频率450±
25HZ,电平-10±
3dB,失真度〈10%
回铃音频率450±
25HZ,通断时间为1秒通,4秒断
忙音频率450±
25HZ,通断时间0.35秒:
0.35秒
传输衰耗:
内部通话回路的传输衰耗不大于2.0dB.
串音衰耗:
任意两通话回路的串音衰耗不小于68dB.
对地不平衡度:
不小于46dB.
杂音：
电话加权杂音电平小于-67dB
中继:
中继接口闭合的直流电阻不大于300Ω,开路电阻大于100KΩ.
铃流:
频率25±
3HZ,电压75±
15V,失真度<
10%
供电:
AC220V±
10%（50/60HZ）DC24V±
15%
2硬件电路分析
2．1系统的组成及原理
①工作原理
在分析交换机一开始，我就想好了采用模块化分析，这也为以后的调试省下很多时间，具体的整部电路原理图我放在最后的附录上了。
图2交换机系统原理方框图
本系统是依据程控交换原理设计的微型空分交换系统，系统原理框图如图2所示。
其基本工作原理：
当用户1摘机呼叫用户2时，交换机向主叫方发送拨号音，同时由单片机将主叫号码送七段显示器显示，主叫方拨打相应号码后，DTMF译码电路译出对应的编码并引起单片机中断，AT89C51读入数据同时显示被叫号码，此时交换机切断拨号音并检测被叫方状态，若被叫用户忙则交换机向主叫方发送忙音，否则，向被叫方送铃流、向主叫方送回铃音。
当被叫方摘机后，交换机切断铃流和回铃音，接续话路，双方开始通话并启动通话计时。
当一方挂机后，计时停止显示通话时间并向对方送催挂音，对方挂机后系统拆线复原。
2．2硬件电路组成
2.2.1信号检测、信号音控制电路。
图3信号检测
信号检测电路（如图3）用来检测用户的状态并接收用户拨打的电话号码，并根据用户状态启动相应的信号音控制信号。
以2个通话用户为例，采用AT89C51的P1口与用户接口电路相连，用以检测是否有用户呼叫并控制DTMF解码电路。
P1.0、P1.1用于接收主、被叫方的摘挂机信号，用户摘机则话机经P1.0、P1.1向AT89C51发出一高电平信号，此时表示有用户呼叫。
P1.3、P1.4通过模拟开关CD4066控制主、被叫双方的DTMF解码电路，高电平有效。
采用8255的PC口接收话机经用户接口发送来的电话号码，单片机中断时从PC口读入数据。
图4信号音控制电路
信号音控制电路（如图4）采用8255芯片的PA、PB口进行控制，PA0、PA1作为铃流控制输出信号，PA4、PA5用作回铃音控制信号，PB0、PB1为忙控制信号，PB4、PB5为拨号音控制信号，各控制信号均为高电平有效。
因此，1片8255可同时对2对用户的信号音进行控制。
单片机根据检测到的用户状态产生相应信号音的控制信号，以便向用户端发送信号音。
2.2.2双音频解码电路
图5DTMF接收原理框图
DTMF接收器包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器，其基本原理如图4所示。
DTMF接收器先经高、低频组带滤波器进行f（L）/f（H）区分，然后过零检测、比较、得到相应DTMF的两路f（L）、f（H）信号输出。
该两路经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于16种DTMF信号的4比特二进制（D1~D4）
1双音频解码芯片如图5所示：
图6MT8870双音频解码芯片
该电路的基本特性：
⑴提供DTMF信号分离滤波和译码功能，输出相应16种DTMF频率组合的4位并行二进制码
⑵可外接3.579545MHz晶振，与内部振荡器产生基准频率信号
⑶具有抑制拨号音和模拟信号输入增益可调的能力
⑷二进制码为三态输出
⑸提供基准电压输出
⑹电源：
+5V
⑺功耗：
15mw
②MT8870芯片引脚功能如表1所示：
引脚
符号
功能
1、2
IN+、-
DTMF信号输入端
9
VSS
电源负端
3
GS
放大器输出信号
10
OEI
数据输出允许
4
VREF
参考电压输出
11~14
Q0~Q3
8421码输出端
5
TSI
内连点
15
DV
数据输出有效端
6
PD
16
EST
初始控制输出
7
OSC1
震荡输入端
17
ST/GT
控制输入/时间监视
8
OSC2
震荡输出端
18
VDD
电源正端
表1是MT8870的引脚功能。
3双音多频DTMF信号解码电路由MT8870主要承担。
MT8870的连线如图6所示:
图6双音多频DTMF信号解码电路
AT89C51的P1.3、P1.4接模拟开关CD4066的13、12脚来控制MT8870的解码，高电平时允许解码电路工作。
2个用户的双音多频信号分别由CD4066的1、11脚输入，经过MT8870内部的前置放大器送入高低频组带通滤波器，再经幅度检测器进入译码电路，最后从输出端输出相应的编码。
采用CD4066还可起到隔离话音信号与DTMF信号的作用，以免对解码造成干扰。
MT8870的STD接AT89C51的INT0，当STD电平由低变高时引起单片机中断读取电话号码。
④DTMF板测试
⑴接上交流电源线;
⑵先打开"
交流开关"
指示发光二极管D00亮后,再分别按下直流输出开J8,J9.此时实验箱上的六组电源已供电,各自发光二极管亮.此时,CPU将对系统进行初始化处理,当LCD显示实验提示后,即可进行实验;
⑶用户1,用户3接上电话机;
⑷用户1摘机,开始拨打号码,即按电话机上的任意键,用示波器的直流档对以下测量点进行观察并记录波形:
⒈TPDTMF:
当有键按下时有双音多频信号,无键按下时无信号;
⒉TPSDT:
当无键按下时该点为高电平,有键按下时该点是低电平（脉冲）;
⒊TP11:
当有键按下时有双音多频信号,无键按下时无信号.
⑸按不同的键时,其双音多频信号的波形不一样,要仔细观察;
⑹在按键过程中观察发光二极管D3~D0与所按键值的关系:
（显示二极管是在该按键抬起的瞬间发生改变的）D3~D0对应的是8421码,如按下的键值为5时,对应的码字为0101,发光二极
2.2.3交换网络电路
1MT88165的工作原理：
MT88165是CMOS大规模集成电路芯片。
是一片8*16模拟交换矩阵，如图7所示：
图7MT88165交换矩阵示意图
图中有8条COL线（COL0-COL7）和16条ROW线（ROW0~ROW15）,形成一个模拟交换矩阵.它们可以通过任意一个交叉点接通.芯片有保持功能,因此可以保持任一交叉点处于接通状态,直至有断开控制信号或复位信号为止.CPU可以通过地址线ACOL2~ACOL0和数据线AROW3~AROW0控制和选择需要接通的交叉点号.ACOL2~ACOL0管COL7~COL0中的一条线;
ACOL7~ACOL0编成二进制码,经过译码以后就可以接通交叉点相应的COLi.数据线AROW3~AROW0管ROW15~ROW0中的一条;
AROW3~AROW0也是编码的,经过译码以后就可以接通交叉点相应的ROWi.也就是说,通过控制相应的COLi和ROWi以接通有关的交叉点.例如要接通COL1和ROW8之间的交叉点.这时一方面向ACOL2~ACOL0送"
001"
另一方面向AROW3~AROW0送"
1000"
.并使DI为高电平,当送出地址启动门ST时,就可以将相应交叉点接通了,图中还有一个端子叫"
RESET"
复位端.当RESET为"
1"
时,全部交叉点就断开了.
电子接线器速度快,驱动要求低,并能自己保持.因此使用起来十分方便.
其它型号的芯片的基本原理也大致相同.区别只是容量不一样.
电子接线器的优点是体积小,价格便宜,它的缺点是导通电阻较机械接点大（一般几十欧姆到一百欧姆）,并且串音衰耗也较机电的接线器小,因此电子接线器组成的交换网络和由机械接点组成的交换网络也有所区别.
②用户交换电路
图8用户交换电路
电子接线器是空分交换网络的核心部件，我采用MT88165来完成通话双方线路的接续（如图8所示）。
MT88165芯片是8×
16的模拟开关阵列，8路列输入/输出（Y0~Y7）和16路行输入/输出（X0~X15）形成模拟交换矩阵，芯片有保持电路，可保持任一交叉点处于接通状态，直至接收到复原信号为止。
AT89C51的P0口通过列地址线AY0~AY2和行地址线AX0~AX3控制列线与行线选择需要接通的交叉点（例如，要接通Y0和X1间的交叉点需向AY0~AY2送000，向AX0~AX3送1000）。
DATA为交叉点开关控制位，高电平时交叉点开关连通相反则断开。
RST为复位信号输入，高电平时全部开关均置于截止状态。
STB为选通脉冲输入，AT89C51送入列、行地址码后还必须给STB端送一脉冲信号同时DATA置高电平，才能使MT88165完成接续工作，MT88165拆线复原的过程与接续过程类似，此时只须将DATA置低电平即可。
交换网络向用户端发送的各种信号音的接通和切断可通过相应的信号音控制信号（8255的PA、PB口）选通CD4066来实现。
③交换网络电路测试步骤：
⑴接上交流电源线;
指示发光二极管D00亮后,再分别按下直流输出开关J8,
J9.此时实验箱上的六组电源已供电,各自发光二极管亮.此时,CPU将对系统进行
初始化处理,当LCD显示实验提示后,即可进行测试;
⑶将四个用户接上电话机;
⑷首先用户1呼叫用户3,并进行通话,然后用户2呼叫用户4通话;
⑸用双踪示波器观察
⒈用户1说话时（或按电话上的任意键）,（用户1的去话）,（用户3的来话）有语音波形（或双音多频信号）,且波形一致,只是（用户1的去话）的幅值比（用户3的来话）的幅值大;
不说话时无波形;
⒉用户3说话时（或按电话上的任意键）,（用户3的去话）,（用户
1的来话）有语音波形（或双音多频信号）,且波形一致,只是（用户3的去话）的幅值比（用户1的来话）的幅值大;
⒊用户2说话时（或按电话上的任意键）,（用户2的去话）,（用户4的来话）有语音波形（或双音多频信号）,且波形一致,只是（用户2的去话）的幅值比（用户4的来话）的幅值大;
⒋用户4说话时（或按电话上的任意键）,（用户4的去话）,（用户2的来话）有语音波形（或双音多频信号）,且波形一致,只是（用户4的去话）的幅值比（用户2的来话）的幅值大;
不说话时无波形.
2.2.4用户接口电路
①用户接口电路方框图如下图6所示:
图9用户接口电路方框图
用户接口电路是由用户线接口芯片MH88615和PCM编解码芯片TP3067组成，如图（9）。
两者共同完成BORSCHT七项功能。
用户线接口检测到用户1摘机后，MH88615的SHK引脚输出一高电平至P1.0，AT89C51将8255的PB4端置高电平控制交换网络向用户1送拨号音，单片机收到正确号码后控制系统发出振铃控制信号即将8255的PA1置高电平并由MH88615的RC脚输入，驱动继电器K闭合向用户线接口2送振铃，同时将PA4置高电平控制交换网络向用户1送回铃音。
当用户2摘机时，其接口电路的SHK脚输入一高电平至P1.1，单片机控制MT88615接续通话线路。
当任一方挂机时其相应的SHK输出一低电平控制系统向另一方送催挂音。
图10用户接口电路
线路接续成功后，话音信号经MH88615的VS输出送入TP3067中进行编码。
PCM编码器的抽样频率为8kHz，由帧同步脉冲FSX获得，FSX除提供PCM抽样频率外，还选通输出缓存器使缓存器中的8B，自FSX下降沿开始以主时钟2.048Mb/s的速率由DX端输出至交换网络，主时钟由MCLKX脚输入。
PCM解码是指将来自交换网络的主时钟频率的PCM信号在帧同步信号FSR的下降沿开始时由DR接收至输入缓存器中，其主时钟频率由MCLKR输入仍为2.048Mb/s。
②二/四线变换电路
二/四线变换由用户线接口电路中的语音单元电路实现,图9为电路的功能框图,该电路完成二线–单端之间信号转换,在PBL38710内部电路中已经完成了该变换.
图11二/四线变换功能框图
二/四线变换的作用就是把用户线接口电路中的语音模拟信号（TR）通过该电路的转换分成去话（T）与来话（R）,对该电路的要求是:
将二线电路转换成四线电路;
信号由四线收端到四线发端要有尽可能大的衰减,衰减越大越好;
信号由二线端到四线发端和由四线收端到二线端的衰减应尽可能小,越小越好;
应保持各传输端的阻抗匹配,以便于PCM编译码电路形成发送与接收的数字信号.
2.2.5电源电路
①电路控制芯片KA3525
KA3525脉宽调制型控制器，更适合运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。
它的主要特点是：
输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调。
每一通道的驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA。
可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400KHz，具有欠压锁定，过压保护和软启动等功能。
该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-+125C。
基准电压为5V，工作电压范围很宽，为8V到35V。
1引脚功能
KA3525采用16端双列直插DIP封装，引脚图及各端子功能介绍如下：
表3KA3525引脚功能
-
反向输入端
COM
补偿端
2
+
同向输入端
OFF
关断端
OSC
同步输出端
11
OA
脉冲输出端
12
GND
接地端
CT
震荡电容端
13
C
推挽输出电路电压输入端
RT
14
OB
N2
放电端
软启动
基准电压端
2电源电路分析
本电路主要有控制电路、跟踪稳压电路和保护电路组成。
原理框图如下图13所示：
图13控制电路
图14多路输出可调电压输出、电压检测电路
1输入滤波回路
图16输入滤波电路
该回路主要由桥堆全波整流、耦合变压器隔离干扰、大电容滤波、在经过7809三端稳压块把输入电压稳定在9V供给KA3525工作，其目的是抑制输入电源中的电磁燥声干扰和传导干扰，也阻止本开关电源的高频电子开关所产生的高频电磁波通过电源线进入电网干扰其他设备。
本开关电源的输入电压为85V~~265V，输出功率P1为286W，工作频率为200KHz，效率为90%，占空比最大D为0.5
⑴直流输入回路的平均电流Id：
输入最低直流电压：
V1=85*1.18=100V
输入电功率:
P=P1/N=286/0.9=316（W）
输入有效电流:
Ids=P1/V1=286/100=2.86（A）
输入回路平均电流:
Idc=Ids*D=2.86*0.5=1.43（A）
2脉宽控制回路
图17PWM控制回路
脉宽控制回路由KA3525和其相关的电阻、电容所组成，其作用是产生一个占空比可变的控制脉冲，驱动功率转换电路的VT1、VT2。
该电路采用KA3525有力地提高了PWM的控制范围和控制精度。
因为KA3525片内集成了斜波发生器、脉宽调制器、T型触发器、基准电压源以及两只脉冲驱动晶闸管等多个功能电路，所以使外围元器件数量大大减少，简化了电路设计。
24V直流电压经W7809三端稳压块降压向IC1的13脚提供9V的直流电压，同时IC1的④脚从电源中获得了电力，使片内振荡器起振。
起振了的频率与误差放大器的信号进行脉冲调制、选通及内部逻辑处理，然后由输出级输出一可控制的脉冲调制信号并从11脚和14脚传输出去。
调制脉冲经开关晶闸管VT1和VT2放大后驱动高频变压器。
由于驱动电路的作用，两只晶闸管VT1和VT2交替导通。
当VT1导通时，电源电压加在高频变压器上，VT2的漏极通过变压器耦合作用承受2倍供电电压，电流经过78系列三端稳压块得到+5V、+6V、+12V。
当VT1关断时，由于次级电能的储备和漏感的原因，VT1的漏极电压将升高，通过变压器耦合，VT2的漏极电压下降。
KA3525具有软启动功能，实质上是由内部5V基准源经50uA的恒流源给KA3525接一电容充电实现的，在电容器充电的过程中仍以电容器上的电压缓升来达到PWM脉宽缓慢展宽的目的，基于这种考虑，当给定KA3525的8脚上给定一电压值，应得到一固定脉宽输出，根据KA3525的资料手册，给定KA3525的8脚上的电压典型值超过3.2V小于5V内脉宽不变，也就是当电压值达到3.2V时，KA3525的输出为最大脉宽，当从某一电压值上升至3.2V时，在这段电压范围内，对应的电压值对应了固定的脉宽输出，以高频变换也就得到了相应的电压输出，由此输出可调的目的也就达到了。
图17所示，通过外接开关调整管V1、V2，可实现扩流。
11和14脚将芯片内部输出管A和B并联作为外接复合调整管V1和V2的驱动级。
5、6脚分别接入R5和C2，故震荡器的震荡频率f=1.15/（20*1000*0.01*10-6F）=5.75KHz
由16脚输出的5V基准电压经R3、R4的分压的U（ref）=5V*R4/（R4+R3）=2.5V，送到误差放大器的同相输入端2脚。
本电路采用光电耦合调制脉冲宽度来稳定输出，输出电压稳定度在3%上下范围内波动。
3多路输出电路
图18多路输出电路
高频电压经过全波整流、以及∏型滤波和用78系列稳压管得到一个波纹波动很小的直流电压输出，光电耦合器为KA3525提供一个反馈电压，为下一步频率转换、脉宽调制提供条件。
4输出电压可调回路
图19输出电压可调原理图
图20结构框图
输出电压可调电路组成框图如图20所示：
它由调整管、取样电路、和比较放大电路等部分组成。
图19所示为稳压电源原理图，V1为调整管，它工作在线性放大区，稳压管D1提供基准电压为V1的发射极提供基准电压，R1、R2和Rp组成取样电路，它将稳压电路的输出电压分压后送到V1管的基极，V1管此时构成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。
当输入电压U1增大（或负载电流减少）引起输出电压U0增加时，取样电压Uf随之增大，Uz与Uf的差值减少，经V1管放大后使本身基极电压减少，集电极减少，管压降增大，输出电压减少，从而使的稳压电路的输出电压上升趋势受到限制，稳定了输出电压。
同理，当输入电压减少或负载电流增大引起输出电压减少时，电路将产生上述相反的稳压过程，亦将维持输出电压不变。
5过压保护回路
图21过电压保护电路
该电路是由VT4、R15、R16、VD5、R8组成的。
正常工作时，流入R15的直流电压在其上产生压降，使VT4导通。
当负载过大或短路时，使VT4导通，在VD5上产生0。
7V左右的压降并送入KA3525的13、15脚使振荡输出脉冲变窄甚至锁定PWM运行，使输出脉冲截止，达到保护电源的目的
2．2．6信号音产生电路
图22信号音产生电路
交换机向用户发送的铃流信号是25Hz、幅度为90V的方波信号，拨号音、回铃音、忙音、催挂音是通过控制450Hz交流信号的断续时间来产生的，各种信号音可由单片机编程产生，但为避免程序过于复杂，使AT89C51更好的对系统主要部分进行监控，设计中各种信号音的产生均采用硬件电路完成，可由555芯片配以适当
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