摘  要： 為了滿足應(yīng)急通信系統(tǒng)中車載調(diào)度機穩(wěn)定可靠的中繼通信要求,，提出了一種基于CPC5621芯片的環(huán)路中繼電路設(shè)計方案。介紹了此設(shè)計在車載調(diào)度機中的典型應(yīng)用,，對CPC5621芯片的功能作了說明,，給出了系統(tǒng)設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)，分模塊描述了利用CPC5621實現(xiàn)環(huán)路中繼電路的方法,，詳細講解了語音及信令的處理流程,，并對系統(tǒng)軟件設(shè)計進行了分析，給出了軟件的處理流程,。經(jīng)過測試及應(yīng)用,，證明利用CPC5621芯片設(shè)計的環(huán)路中繼完全達到了穩(wěn)定、可靠的指標要求,。
關(guān)鍵詞： 應(yīng)急通信系統(tǒng),； CPC5621芯片； 環(huán)路中繼,； C8051F020,； IDT82V1054

    當前環(huán)境下，突發(fā)及應(yīng)急事件日益增多,。能夠在現(xiàn)場進行可靠,、穩(wěn)定的應(yīng)急指揮通信非常重要。車載通信調(diào)度機在應(yīng)急通信車中的使用使通信調(diào)度兩位一體,，滿足了應(yīng)急通信靈活,、快速、機動的要求,。本文所設(shè)計的使用CPC5621芯片完成的模擬環(huán)路啟動單元為車載調(diào)度機在條件受限的情況下實現(xiàn)方便快捷的通信聯(lián)網(wǎng)提供了保證,。
1 系統(tǒng)硬件
1.1 環(huán)路中繼的應(yīng)用
    環(huán)路中繼是電路交換機中一種常用的模擬中繼方式，示意圖如圖1所示,。它能模擬與其連接的用戶接口的摘/掛機動作,，就像對端交換機的用戶接口連接一部電話在摘/掛機一樣,。這種方式實現(xiàn)方便，連接可靠,。環(huán)路中繼接口在用戶側(cè)和中繼側(cè)均為兩線實線連接,，用于話務(wù)量較小的交換機之間互聯(lián)，可以完成出入局的雙向呼叫等功能,。典型的應(yīng)用如圖2所示,。

1.2 CPC5621芯片功能分析
　CPC5621是一款通信中繼接口芯片, 支持5 V和3.3 V兩種電壓模式，對外接口可以分為線路側(cè)和處理器側(cè),。線路側(cè)提供連接PSTN網(wǎng)絡(luò)兩線接口的各種功能;處理器側(cè)連接微處理器,，接受控制，上報狀態(tài),，并提供音頻接口,。同時還具有以下功能：
    (1)二四線變換：通過二四線混合電路，將兩線信號變換為差分音頻線對,。內(nèi)置的光學(xué)隔離柵將線路側(cè)和主機側(cè)屏蔽隔開,，為用戶提供低噪聲、低失真的音頻信號,。增強的3 000 Vrms隔離電壓也進一步增強了設(shè)備的浪涌抗擾度,。
    (2)振鈴檢測：PSTN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶線間電壓在待機狀態(tài)下約為52 V,，振鈴信號為90 V,、25 Hz的正弦交流信號，兩者疊加形成高壓,，內(nèi)置的高壓隔離柵可以對此高壓進行隔離處理,。當有入局呼叫時，振鈴信號經(jīng)過高壓隔離柵后,，在RING引腳輸出一個同頻率間斷的TTL電平信號,。通過微處理器的I/O引腳，軟件就可以通過檢測引腳上的信號頻率實現(xiàn)檢測振鈴信號及檢測入局呼叫的目的,。
    (3)摘/掛機控制：交換機是通過線路上的環(huán)流大小來判斷用戶電話機的摘/掛機狀態(tài)的,。掛機狀態(tài)下，電路上的電流接近0,； 而摘機狀態(tài)下, 線路上的電流約為30 mA(可調(diào)),。利用三極管CPC5602的開關(guān)特性,通過改變CPC5621的OH引腳電平控制三極管CPC5602的通斷，以此改變線路中的環(huán)流,，達到模擬話機的摘/掛機動作的目的,。具體描述為：當CPC5621的OH引腳被控制輸入高電平時，CPC5602截止,，回路電流很小,，設(shè)備被判斷處于掛機狀態(tài)；反之,，當CPC5621的OH引腳被控制輸入低電平時,，CPC5602導(dǎo)通，此時流過CPC5602的電流超過30 mA,，設(shè)備被判斷處于摘機狀態(tài)[1],。
    (4)環(huán)流調(diào)整：CPC5621還提供可編程設(shè)置的恒流源作為環(huán)路負載，通過改變負載電阻來改變環(huán)路電流的大小,，解決由于線路遠近而影響環(huán)流大小的問題,，提高摘掛機檢測的穩(wěn)定性及可靠性。
    (5)來電顯示及掛機傳輸：CPC5621采用了高阻信號通道,，在掛機狀態(tài)下,，電路會自動切換到該通道，以實現(xiàn)掛機狀態(tài)下的音頻信號傳輸,。該通道具有極小的失真度, 可以在掛機狀態(tài)下可靠地檢測DTMF 信號及FSK 信號,。
1.3 系統(tǒng)功能分析及硬件結(jié)構(gòu)
    環(huán)路中繼單元是車載調(diào)度機的重要部件，通過同步TBUS總線與總控單元連接,，上報本單元狀態(tài)并接受總控單元的控制,。
    每通道定義控制字8 bit，狀態(tài)字8 bit,，如表1所示,。

    環(huán)路中繼定義的呼叫進程是：當有入局呼叫時，硬件檢測鈴流,，狀態(tài)字上報給總控單元;總控單元收到有入局呼叫的消息后,，向環(huán)路中繼發(fā)送控制字，讓其模擬話機摘機動作,，用戶電路切斷鈴流,，上報端口占用狀態(tài);如果為出局呼叫，總控單元控制模擬環(huán)路進行摘機服務(wù)請求,，環(huán)路中繼單元上報端口占用狀態(tài);當模擬環(huán)路完成呼叫,，CPU控制其掛機時，終止呼叫連接,。
    基于以上的分析,，設(shè)計環(huán)路中繼單元如圖3所示。

    本系統(tǒng)主要包含CPC5621接口芯片1~8,，IDT82V1054 CODEC芯片A和B,，C8051F020 CPU以及Altera  CPLD。
    整個系統(tǒng)需要處理的內(nèi)容分為語音及消息兩部分,，而語音和消息都有上行及下行兩個方向,。CPLD由FPGA語言編程,，通過TBUS總線連接背板,負責(zé)在總線上裝卸對總控單元的音頻及消息。
    雙向音頻總線進入CPLD,，經(jīng)過CPLD調(diào)整使系統(tǒng)的TBUS和CODEC編程設(shè)置的PCM BUS可以直接匹配對接,即CODEC可以直接從CPLD輸出的PCM總線需要的時隙卸載音頻數(shù)據(jù),也可以將收到的PCM數(shù)據(jù)直接裝載到PCM總線對應(yīng)的時隙上去,實現(xiàn)語音雙向貫通的目標,。至于CODEC的雙向模擬音頻,直接連接CPC5621接口芯片就可以了[2]。
    對應(yīng)總控單元的消息處理是由C8051F020 CPU通過A/D總線定時掃瞄訪問CPLD內(nèi)的TBUS總線消息區(qū)來實現(xiàn)的,，CPLD內(nèi)部對上行和下行消息分別開辟了一塊雙端口RAM,，用于存放消息，CPU定時讀取,，經(jīng)過去抖后進行分析,。
    對CPC5621的控制是通過4路CODEC IDT82V1054的I/O端口編程來實現(xiàn)的。每個IDT82V1054有4組I/O端口,，可以控制連接4個CPC5621,。而每組I/O端口分為兩個輸入SI1、SI2,，兩個輸出SO1,、SO2以及3個雙向端口SB1、SB2,、SB3,。這些I/O端口可以通過內(nèi)部寄存器進行功能設(shè)定。 IDT82V1054的SI1,、SI2帶有去抖功能,，把CPC5621的振鈴檢測輸出和環(huán)流檢測輸出分別連接到此，SI1對應(yīng)/RING_DEC,SI2對應(yīng)L_CUR,。CODEC的輸出SO1對應(yīng)摘掛機控制/OFFHOOK,，SO2對應(yīng)掛機接收的CID控制。
    CODEC IDT82V1054支持MPI串行總線接入,，故把兩個CODEC全都掛接在MPI總線上,。C8051F020 CPU通過MPI總線來訪問每一個環(huán)路端口的狀態(tài)以及端口控制。
    為了使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定,，C8051F020 CPU設(shè)計工作在4 MHz時鐘下,，程序存儲利用CPU自帶的64 KB的Flash，數(shù)據(jù)存儲區(qū)除了片內(nèi)的4 KB的RAM以外,將CPU通過A/D總線訪問的CPLD劃分到外部RAM區(qū)域,。中斷設(shè)計為兩個外部中斷源INT0和INT1,，當CPC5621有振鈴檢測及成環(huán)等消息時，IDT82V1054通過中斷INT0通知C8051F020 CPU,；而INT1設(shè)計為軟件定時中斷,，作為程序事件的驅(qū)動，定時掃描總控單元的控制消息[3-6]。
    另外,，CPC5621內(nèi)部的高壓柵隔離電路會使得音頻信號的復(fù)制被消弱到200 mV左右,，為保證正確檢測音頻信號，對信號進行整形之前先進行了放大,，通過隔直電容后,，取出交流信號。同時在電路中增加積分電路來消除高頻干擾,，最后進入電壓比較器LM331,，將信號音整形為TTL電平,。
2 軟件設(shè)計
    本設(shè)計中使用Keil編程工具,，采用C語言編程。具體流程如圖4所示,，軟件總體分為以下幾個部分：
    (1)單片機初始化部分：系統(tǒng)上電后,，要使硬件進入一個起始狀態(tài)，重新設(shè)定系統(tǒng)時鐘,，初始化CPU各個端口的狀態(tài),、定時器、中斷,、指針等,。

      (2)SPI總線處理部分:配置C8051F020的交叉開關(guān)寄存器XBR0、XBR1,、XB2,務(wù)必使能交叉開關(guān),，使其工作于SPI總線方式，并設(shè)置寄存器PnMDOUT,選擇端口輸出方式,。設(shè)置寄存器SPI0CKR,、SPI0CN、SPI0CFG,，使其滿足CODEC IDT82V1054的SPI時序要求,，通過SPI總線配置CODEC內(nèi)部寄存器，CODEC內(nèi)部共有3種寄存器,，分別是全局寄存器GREG,、局部寄存器LREG和COE-RAM。對應(yīng)3種寄存器,，設(shè)置函數(shù)對它們進行讀寫操作,，COE-RAM只能進行寫操作。分配語音通道,，制定CPC5621硬件接口與PCM總線上時隙的對應(yīng)關(guān)系,。
    (3)主函數(shù)： 控制整個軟件的進程，具體定義函數(shù)來實現(xiàn)采集呼叫信息,初始化所有寄存器,映射RING_DEC、OFFHOOK等消息,調(diào)用所有已經(jīng)定義的函數(shù)[3-6],。

    利用CPC5621接口芯片設(shè)計實現(xiàn)的環(huán)路中繼單元在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實現(xiàn)了車載調(diào)度機的聯(lián)網(wǎng)指揮功能,，且通信穩(wěn)定可靠。用集成電路替代了原來環(huán)路中繼單元大量的分立器件,，電路結(jié)構(gòu)簡潔,，軟件開發(fā)難度低，大大提高了開發(fā)效率,。
參考文獻
[1] 陽素權(quán).嵌入式語音系統(tǒng)設(shè)計[D]. 北京：北方工業(yè)大學(xué), 2006.
[2] 趙世霞,，楊豐，劉揭生.VHDL與微機接口設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,， 2004.
[3] 陳嘯宇,劉錦高.基于CPLD的SGPIO總線實現(xiàn)及應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用,，2013,32(5):22-24.
[4] 王華. 基于C8051F020 MCU的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研究[D].成都：四川大學(xué)，2007.
[5] 張瑋,，劉宇,，薛志遠，等.基于SPI總線的DSP與音頻編解碼芯片的接口設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,，2013,39(6):31-33.
[6] 李波,，屈均偉.基于C8051F020的標準單元控制單元的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 微型電腦應(yīng)用，2006,22(11):39-42.