基于單片機的語音交換單元的設(shè)計與制作

王燁

摘要：本文介紹了16路到16路的語音交換單元的設(shè)計與制作過程。該交換單元最多可以接入16個終端，每個終端可以接收最多6個甚高頻電臺的信號，可以選擇任1個電臺進行發(fā)射。語音交換單元選用C8051F120單片機做控制芯片， CD22M3494做交換芯片。

關(guān)鍵詞：基片機；交換單元；設(shè)計制作

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0003-02

甚高頻電臺用于空中交通管制部門與飛機之間的地空通信。甚高頻電臺使用時一個遙控終端只能對應(yīng)一個電臺，造成甚高頻設(shè)備資源大量浪費。因此空管部門廣泛采用了內(nèi)話（語音交換）系統(tǒng)，可以接入多個終端，實現(xiàn)終端對多部電臺的使用，同時還可以實現(xiàn)有線電話資源的靈活配置，但是內(nèi)話系統(tǒng)造價很高，一般將主用甚高頻系統(tǒng)接入內(nèi)話。

為了解決一對一的遙控終端浪費甚高頻設(shè)備資源，內(nèi)話系統(tǒng)又造價太高的問題，我們單位自行研制了一套多通道甚高頻遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持多部電臺同時接入，支持多個終端用戶，具備配置信息動態(tài)修改與保存功能。

本文介紹了多通道甚高頻遙控系統(tǒng)中語音交換單元的設(shè)計與制作過程。

1 語音交換單元的設(shè)計

根據(jù)管制員需求，要求多通道甚高頻遙控系統(tǒng)的每個終端可以同時監(jiān)聽6個甚高頻信道，信道間不能夠串音。在使用電臺發(fā)射時，不同席位的終端進行搶占，席位之間沒有優(yōu)先級，搶占晚的用戶必須等待搶占早的用戶釋放電臺，之后才能進行發(fā)射。

1.1 語音交換單元的硬件設(shè)計

為了更好地適應(yīng)甚高頻電臺的遙控接口，將語音交換單元分為接口板電路和音頻交換電路兩部分來設(shè)計。

1.1.1 接口板電路的設(shè)計

（1）音頻信號的處理電路。音頻輸出端要與甚高頻電臺的遙控接口相連，選用600：600Ω阻抗的音頻變壓器實現(xiàn)阻抗匹配和隔離。

音頻變壓器既能實現(xiàn)阻抗匹配，又能使傳輸線上的音頻信號轉(zhuǎn)化為差分信號，對共模干擾進行有效的抑制。接口板選用兩個600：600 Ω的音頻變壓器作為音頻轉(zhuǎn)換的接口。接口電路如圖1所示。TX連接電臺發(fā)射信號，RX連接電臺接收信號。在接口板上輸入音頻信號通過變壓器轉(zhuǎn)換后，變?yōu)榉瞧胶獾囊纛l信號進入到語音切換板。在輸出端，音頻變壓器把輸出的非平衡音頻信號轉(zhuǎn)換成平衡信號，以適應(yīng)遠距離傳輸。

（2）信令信號處理電路。甚高頻電臺發(fā)射時需要PTT信令，接收時需要SQ靜噪信令。信令信號有3種狀態(tài)，有效、無效和未連接。接口電路要能實現(xiàn)把未連接電臺的空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換成無效的狀態(tài)，避免未連接電臺時語音切換板的誤動作。在終端上PTT未按下時（無效狀態(tài)）輸出電壓為直流7V，按下時（有效狀態(tài)）輸出為0V。PTT電壓大于切換板的接口電壓5V，需要使用保護電路，避免過高的電平對語音交換板造成損壞。PTT信號處理電路如圖2所示。

電臺接收到信號時將輸出SQ信號， SQ有效時輸出電平為12V，無效時輸出為高阻狀態(tài)。電路如圖3所示。

1.1.2 音頻交換板的設(shè)計

音頻交換板的主要功能為音頻交換、信令處理和網(wǎng)絡(luò)控制。目前內(nèi)話系統(tǒng)進行音頻交換使用的有時分多路復(fù)用技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，都需要對信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后再進行交換。我們設(shè)計的多通道甚高頻遙控系統(tǒng)不需要內(nèi)話系統(tǒng)強大交換功能，所以采用了模擬的電路交換技術(shù)，優(yōu)點是實現(xiàn)方式簡單，信號不經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，通話質(zhì)量好，時延小，PTT響應(yīng)時間短，能夠滿足《民用航空空中交通管制語音通信交換系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 》的要求。

（1）發(fā)射電路的設(shè)計。電路交換技術(shù)就是使用模擬的開關(guān)電路，直接連接需要交換的音頻線路。此項目選擇了CD22M3494作為交換芯片。CD22M3494芯片包含8×16個模擬開關(guān)陣列，7到128個地址譯碼和鎖存電路。通過不同的地址信號，可以對128個開關(guān)尋址。具有失真低，串擾小的特點，常應(yīng)用于音頻、視頻的切換。

電臺發(fā)射時采用PTT搶占的方式，不同的終端在同一時刻只能連接到1臺甚高頻電臺進行語音發(fā)射。此項目使用了2片CD22M3494芯片，形成16×16的音頻開關(guān)矩陣。一側(cè)連接16路電臺的發(fā)射音頻，另一側(cè)則用來連接16路終端的發(fā)射音頻。對矩陣開關(guān)的狀態(tài)進行控制就可以實現(xiàn)電臺與終端之間的音頻交換。

（2）接收電路的設(shè)計。接收電路負責把電臺的接收信號的按照終端的選擇進行切換，同時實現(xiàn)多路音頻信號的監(jiān)聽，最多可達6路信號。

（3）控制電路設(shè)計。CD22M3494的原理圖如圖4所示。CD22M3494內(nèi)含控制鎖存器和地址譯碼器，CS為芯片選通信號。DATA端口輸入邏輯電平“1”或“0”，可對模擬開關(guān)打開或關(guān)閉。AX0-AX3， AY0-AY2用來尋址，控制DATA端口的數(shù)據(jù)輸入。STROBE使地址和數(shù)據(jù)有效。

選用C8051F120單片機來處理PTT和SQ信號的邏輯關(guān)系，將終端傳來的信息轉(zhuǎn)換為地址，實現(xiàn)語音的交換。C8051F120是Silicon Lab公司的8051內(nèi)核混合信號微控制器，能達到100MIPS，16x16硬件乘法，12位ADC和12位DAC，支持JTAG調(diào)試。以太網(wǎng)芯片選擇CP2200，符合IEE802.3協(xié)議，具有8bit并行總線接口。選用總線驅(qū)動器74HCT245作為輸入端口擴展，對電臺接收時的SQ信令進行分時掃描。選用數(shù)據(jù)鎖存器74HCT573作為輸出端口擴展，對電臺發(fā)射時的PTT信令進行分時掃描。

1.2 語音交換板的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要實現(xiàn)兩個功能，突發(fā)任務(wù)和定時任務(wù)。當終端要進行語音切換時，在終端上通過觸摸屏下達任務(wù)，突發(fā)任務(wù)就是通過網(wǎng)絡(luò)接收來自終端的控制命令。任務(wù)過程是接收網(wǎng)絡(luò)命令、執(zhí)行命令，最后返回命令執(zhí)行。定時對端口進行掃描和定時對語音交換機狀態(tài)進行廣播，通過定時任務(wù)來實現(xiàn)。endprint

1.2.1 主程序的設(shè)計

主程序的設(shè)計由參數(shù)與外圍設(shè)備的初始化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的初始化、語音交換控制和定時廣播狀態(tài)4個部分構(gòu)成。

（1）參數(shù)與外圍設(shè)備的初始化：主程序首先使用PORT_Init函數(shù)初始化端口；其次使用SYSCLK_Init函數(shù)來初始化時鐘，再次使用EMIF_Init來初始化外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問時序；接著使74HCT573的所有端口輸出無效狀態(tài)；最后所有CD22M3494的片選變?yōu)橛行А?/p>

（2）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的初始化：首先發(fā)送配置IP地址的請求，如果配置成功就把IP地址寫入FLASH中保存起來，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)IP地址的初始化。

（3）語音交換控制：語音交換控制首先從CP2200芯片上讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，存入到內(nèi)部RAM中。收到數(shù)據(jù)包之后要進行命令合法性檢測。包括：檢測電臺端口和終端端口的合法性、是否是重復(fù)的連接狀態(tài)等。若合法性檢測不合格，則丟棄該數(shù)據(jù)包。接收信號的監(jiān)聽是可以多個席位共享的，所以在收到接收信號的數(shù)據(jù)包后，可以直接進行連接。

（4）定時廣播任務(wù)：主程序還實現(xiàn)對外廣播信息，內(nèi)容包括語音交換板的狀態(tài)，PTT、SQ端口狀態(tài)、接收通道的連接的狀態(tài)和發(fā)射通道的連接狀態(tài)。對狀態(tài)進行廣播是為了增加終端可以使用的信息，終端收聽到廣播的PTT、SQ狀態(tài)信息，就能知道不同電臺的接收和發(fā)射情況，從而實現(xiàn)不同的席位終端對電臺發(fā)射的搶占。

1.2.2 中斷程序設(shè)計

中斷程序主要任務(wù)有兩個，一是計算來自于電臺端SQ信號，得出輸出到終端的SQ信號；二是計算來自于終端的PTT信號得出輸出到電臺的PTT信號，并對發(fā)射音頻信號進行切換。

當終端請求使用電臺時，首先要檢查電臺是否在占用狀態(tài)。如果不在占用狀態(tài)，則該終端可以使用電臺。如果在占用狀態(tài)，需要對上一個使用此電臺的終端進行檢查，如果仍需使用，就不能分配該電臺，如果不使用，首先斷開上次終端，再為電臺重新分配終端，進行連接。

2 結(jié)語

多通道甚高頻遙控系統(tǒng)是一套小型化的甚高頻語音交換系統(tǒng)，填補了復(fù)雜內(nèi)話系統(tǒng)與一對一甚高頻遙控終端之間的設(shè)備空白，提高了空管部門地空通信應(yīng)急系統(tǒng)的保障能力，具有低成本，高可靠性的優(yōu)點，達到了項目的設(shè)計指標。

參考文獻

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[2]AT-VCS0422內(nèi)話技術(shù)手冊[K].

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