一 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      本系統(tǒng)實現(xiàn)了帶有16路內(nèi)線電話、同時具備4路外線接口的數(shù)字交換機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　?。?）用戶接口及PCM編碼部分

　　用戶接口電路選用IDT公司的821611芯片，該芯片與編碼芯片IDT821034配合良好。用戶線各對應(yīng)一片821611，四路用戶接入一片821034（可調(diào)增益的四路PCM編碼芯片），終4片821034的PCM信號（16路）一起掛接在PCM總線上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我們能采用帶SPI的單片機（例如，Analog公司的Aduc812），很方便地實現(xiàn)對多片IDT821034的控制。

　?。?） 外線接口

　　外線接口一部分負(fù)責(zé)外線的鈴流檢測和變壓器(僅通過語音)接入。鈴流檢測采用了SGS公司的LS1240。每當(dāng)鈴流進入，向FPGA送出高電平，從而測知外線的呼入。另一部分為與內(nèi)線中的SLIC和CODEC類似的語音編解碼部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為語音送到外線（或者將外線語音及DTMF編碼后送入FPGA）。

　　(3) DTMF接收及提示語音產(chǎn)生

　　系統(tǒng)中，20路電話（含4路外線）復(fù)用4路DTMF收號芯片進行收號。FPGA將待收號話路的PCM信號送到當(dāng)前空閑的收號模塊。DTMF的接收由MT8870完成， FPGA與MT8870之間，有一片MT8965（單通道語音編解碼芯片）,將FPGA送出數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號由MT8870讀取。而交換過程的提示語音則選用ISD4004（語音錄放芯片，SPI控制），將其語音輸出接在MT8965的語音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF接收和語音送出均為固定時隙，交換控制在FPGA中完成。

　　 (4) FPGA

　　FPGA作為部分，負(fù)責(zé)數(shù)字交換、信號音產(chǎn)生及控制、收號控制、提示音控制、外線接口控制、時鐘產(chǎn)生等功能。為了與外圍器件配合，選用兼容5V接口的FPGA（如Altera的ACEX 1K）。詳細(xì)說明在后面給出。

　　 (5)MCU

　　MCU（這里選用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在內(nèi)的的靈活的用戶接口）負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)運行過程的調(diào)度及流程控制。軟件設(shè)計的一些細(xì)節(jié)也將在后面進行說明。

       二、PGA邏輯設(shè)計

　　系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號（用戶語音、外線語音、提示語音3種語音的PCM編碼信號）需要處理和交換；電話所需的信號音（撥號、提示、忙等）需要產(chǎn)生；MCU雖然負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的配置控制，但它與器件之間還需要控制邏輯；同時，系統(tǒng)還需要特定的時鐘和定時信號。上述的這些功能，都由FPGA來完成。圖3是FPGA的頂層硬件框圖。

　　MCU對各功能塊的相關(guān)操作均通過以總線讀寫寄存器的方式進行。

　?。?）總線控制（BUS-TRAN）

　　本功能塊將MCU的總線（高8位地址線和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線）轉(zhuǎn)換為分開的地址與數(shù)據(jù)總線（以BUS表示）。

　?。?） SPI片選生成（SPI-/CS）

　　圖4中除/SS之外的信號均由MCU產(chǎn)生，只有/SS信號需要FPGA提供。通過對功能塊內(nèi)寄存器的寫操作，生成外圍器件的SPI-/SS信號。

　?。?） DTMF收號（DTMF-REC）

　　FPGA與8870有DATA0－DATA3（數(shù)據(jù)）、StD（狀態(tài)線）、TOE（片選有效）等6線相連，F(xiàn)PGA在MCU控制下查詢StD狀態(tài)，有正脈沖時，通過TOE使8870輸出有效，再由DATA0-DATA3讀取收號結(jié)果。同時， 還要產(chǎn)生MT8965的控制線（ CA,/F1i, CSTI）以配合收號和送提示音過程。

　?。?）外線檢測（EXTERNAL-DET）

　　這里只需要對外線接口送來的狀態(tài)線進行查詢（讀寄存器方式），以測知是否有外線呼入。

　?。?）時鐘產(chǎn)生（TIMING-GEN）

　　將系統(tǒng)時鐘分頻，得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等時鐘信號。

（6）數(shù)字交換（PCM-SWITCH）

　　這是邏輯設(shè)計中的部分，其框圖如圖5所示。

　　圖5中INNER指內(nèi)線用戶,EXTERNAL指外線用戶,DTMF指收號模塊,AUDIO指提示語音模塊。同時,RAM-D用來存放PCM數(shù)據(jù),RAM-ADD用來存放控制RAM-D讀出的地址。

　　各路PCM信號在用來標(biāo)識時隙的SLOT-CLOCK上升沿順序?qū)懭雽?yīng)的RAM-D內(nèi)，RAM的大小均為32×2 byte（可容兩幀），確保送上一幀數(shù)據(jù)時，不影響當(dāng)前幀寫入。RAM-ADD為32 byte的RAM，存放著對應(yīng)通路的交換信息，例如，RAM-ADD(IN-IN)中的0地址處存放的是內(nèi)線交換時希望0時隙內(nèi)線用戶收到的時隙的標(biāo)號，這些信息由MCU總線寫入。同時，在SLOT-CLOCK上升沿，F(xiàn)PGA將RAM-ADD順序讀出的輸出作為地址來讀取RAM-D，從而實現(xiàn)了交換功能?；谶@樣的原理，系統(tǒng)實現(xiàn)了內(nèi)線、外線、DTMF收號、提示語音這幾塊之間的靈活交換（DTMF和提示語音為單向信號，實際在同一PCM總線上）。

　?。?） 信號音產(chǎn)生（SIGNAL-GEN）

　　信號音頻率均為450 Hz，僅以通斷時間來區(qū)分。我們在FPGA中建立了一張450 Hz、8k采樣的正弦表（PCM編碼后），工作時循環(huán)讀出并進行并串轉(zhuǎn)換。利用定時器和三態(tài)門對其進行處理，從而形成了通斷時間不同的各種信號音。將各種信號音通過三態(tài) 門掛接在用戶的PCM總線上，需要時只要打開對應(yīng)的三態(tài)門，就可以將正確的信號音送到當(dāng)前的時隙上。專用交換機過于強大的功能，以及昂貴的價格，并非小型建網(wǎng)的理想選擇；同時，傳統(tǒng)的PBX的模擬交換方式存在著失真大、欠靈活以及隨規(guī)模增大而復(fù)雜度劇增的不足。本文提出的方案，有別于常用PBX的模擬交換，是一種適用于一定規(guī)模局域網(wǎng)的數(shù)字交換機。FPGA的使用在保證了性能提高的同時，在復(fù)雜度和擴展性方面也有了明顯的改進。

       一 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      本系統(tǒng)實現(xiàn)了帶有16路內(nèi)線電話、同時具備4路外線接口的數(shù)字交換機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　?。?）用戶接口及PCM編碼部分

　　用戶接口電路選用IDT公司的821611芯片，該芯片與編碼芯片IDT821034配合良好。用戶線各對應(yīng)一片821611，四路用戶接入一片821034（可調(diào)增益的四路PCM編碼芯片），終4片821034的PCM信號（16路）一起掛接在PCM總線上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我們能采用帶SPI的單片機（例如，Analog公司的Aduc812），很方便地實現(xiàn)對多片IDT821034的控制。

　?。?） 外線接口

　　外線接口一部分負(fù)責(zé)外線的鈴流檢測和變壓器(僅通過語音)接入。鈴流檢測采用了SGS公司的LS1240。每當(dāng)鈴流進入，向FPGA送出高電平，從而測知外線的呼入。另一部分為與內(nèi)線中的SLIC和CODEC類似的語音編解碼部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為語音送到外線（或者將外線語音及DTMF編碼后送入FPGA）。

　　(3) DTMF接收及提示語音產(chǎn)生

　　系統(tǒng)中，20路電話（含4路外線）復(fù)用4路DTMF收號芯片進行收號。FPGA將待收號話路的PCM信號送到當(dāng)前空閑的收號模塊。DTMF的接收由MT8870完成， FPGA與MT8870之間，有一片MT8965（單通道語音編解碼芯片）,將FPGA送出數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號由MT8870讀取。而交換過程的提示語音則選用ISD4004（語音錄放芯片，SPI控制），將其語音輸出接在MT8965的語音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF接收和語音送出均為固定時隙，交換控制在FPGA中完成。

　　 (4) FPGA

　　FPGA作為部分，負(fù)責(zé)數(shù)字交換、信號音產(chǎn)生及控制、收號控制、提示音控制、外線接口控制、時鐘產(chǎn)生等功能。為了與外圍器件配合，選用兼容5V接口的FPGA（如Altera的ACEX 1K）。詳細(xì)說明在后面給出。

　　 (5)MCU

　　MCU（這里選用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在內(nèi)的的靈活的用戶接口）負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)運行過程的調(diào)度及流程控制。軟件設(shè)計的一些細(xì)節(jié)也將在后面進行說明。

       二、PGA邏輯設(shè)計

　　系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號（用戶語音、外線語音、提示語音3種語音的PCM編碼信號）需要處理和交換；電話所需的信號音（撥號、提示、忙等）需要產(chǎn)生；MCU雖然負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的配置控制，但它與器件之間還需要控制邏輯；同時，系統(tǒng)還需要特定的時鐘和定時信號。上述的這些功能，都由FPGA來完成。圖3是FPGA的頂層硬件框圖。

　　MCU對各功能塊的相關(guān)操作均通過以總線讀寫寄存器的方式進行。

　?。?）總線控制（BUS-TRAN）

　　本功能塊將MCU的總線（高8位地址線和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線）轉(zhuǎn)換為分開的地址與數(shù)據(jù)總線（以BUS表示）。

　?。?） SPI片選生成（SPI-/CS）

　　圖4中除/SS之外的信號均由MCU產(chǎn)生，只有/SS信號需要FPGA提供。通過對功能塊內(nèi)寄存器的寫操作，生成外圍器件的SPI-/SS信號。

　?。?） DTMF收號（DTMF-REC）

　　FPGA與8870有DATA0－DATA3（數(shù)據(jù)）、StD（狀態(tài)線）、TOE（片選有效）等6線相連，F(xiàn)PGA在MCU控制下查詢StD狀態(tài)，有正脈沖時，通過TOE使8870輸出有效，再由DATA0-DATA3讀取收號結(jié)果。同時， 還要產(chǎn)生MT8965的控制線（ CA,/F1i, CSTI）以配合收號和送提示音過程。

　?。?）外線檢測（EXTERNAL-DET）

　　這里只需要對外線接口送來的狀態(tài)線進行查詢（讀寄存器方式），以測知是否有外線呼入。

　?。?）時鐘產(chǎn)生（TIMING-GEN）

　　將系統(tǒng)時鐘分頻，得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等時鐘信號。

（6）數(shù)字交換（PCM-SWITCH）

　　這是邏輯設(shè)計中的部分，其框圖如圖5所示。

　　圖5中INNER指內(nèi)線用戶,EXTERNAL指外線用戶,DTMF指收號模塊,AUDIO指提示語音模塊。同時,RAM-D用來存放PCM數(shù)據(jù),RAM-ADD用來存放控制RAM-D讀出的地址。

　　各路PCM信號在用來標(biāo)識時隙的SLOT-CLOCK上升沿順序?qū)懭雽?yīng)的RAM-D內(nèi)，RAM的大小均為32×2 byte（可容兩幀），確保送上一幀數(shù)據(jù)時，不影響當(dāng)前幀寫入。RAM-ADD為32 byte的RAM，存放著對應(yīng)通路的交換信息，例如，RAM-ADD(IN-IN)中的0地址處存放的是內(nèi)線交換時希望0時隙內(nèi)線用戶收到的時隙的標(biāo)號，這些信息由MCU總線寫入。同時，在SLOT-CLOCK上升沿，F(xiàn)PGA將RAM-ADD順序讀出的輸出作為地址來讀取RAM-D，從而實現(xiàn)了交換功能。基于這樣的原理，系統(tǒng)實現(xiàn)了內(nèi)線、外線、DTMF收號、提示語音這幾塊之間的靈活交換（DTMF和提示語音為單向信號，實際在同一PCM總線上）。

　?。?） 信號音產(chǎn)生（SIGNAL-GEN）

　　信號音頻率均為450 Hz，僅以通斷時間來區(qū)分。我們在FPGA中建立了一張450 Hz、8k采樣的正弦表（PCM編碼后），工作時循環(huán)讀出并進行并串轉(zhuǎn)換。利用定時器和三態(tài)門對其進行處理，從而形成了通斷時間不同的各種信號音。將各種信號音通過三態(tài) 門掛接在用戶的PCM總線上，需要時只要打開對應(yīng)的三態(tài)門，就可以將正確的信號音送到當(dāng)前的時隙上。

三、工作流程及軟件設(shè)計

　　FPGA為MCU提供了與其他器件間的接口，使其能夠以簡短的指令實現(xiàn)原本復(fù)雜的底層操作。限于篇幅，這里只作簡要的介紹。

      1. 內(nèi)線通話

　　內(nèi)線摘機：如果該用戶主叫，向該時隙送撥號音（到撥號為止），同時將主叫話路送到當(dāng)前有閑的DTMF模塊（如果沒有，送忙音）的時隙上，收號完成再從DTMF時隙拿掉（或超時拆線），根據(jù)收號結(jié)果，看被叫用戶狀態(tài)，忙則將忙音送主叫時隙，否則向主叫時隙送回鈴音，同時令被叫振鈴；如果該用戶被叫，則切掉該用戶振鈴，同時取消主叫時隙的回鈴音，將這兩個時隙的話路交換，建立連接。

　　內(nèi)線掛機：如果通話在連接狀態(tài)，則取消通話連接，送對端時隙忙音；如果無通話連接，則取消對方振鈴（如果存在的話），并拿掉本時隙上的所有信號。

      2. 外線通話

　　外線呼入：當(dāng)測知有外線呼入時，如果沒有空閑收號模塊，則等待直到出現(xiàn)空閑為止；否則，將呼入外線的編碼信號送至DTMF模塊的時隙，同時將提示撥分機號的提示語音編碼信號送至呼入外線的時隙，等待撥號完成（或超時拆線）。后面的過程與內(nèi)線通話類似，不同的是向外線送忙音只需拿掉送至呼入外線時隙的所有信號即可，而送給外線的回鈴音是由提示語音來替代的。

　　呼叫外線：在內(nèi)線摘機后的收號過程中，當(dāng)用戶撥號位為某特定數(shù)字（例如“0”），認(rèn)為是呼叫外線，將該話路由收號時隙拿掉，并尋找一路空閑外線（若無則送忙音），將話路時隙與外線時隙進行交換，建立通話，后續(xù)過程與內(nèi)線通話相似，但僅需處理內(nèi)線端即可。

　　需要注意的是， 821034的串行控制接口與標(biāo)準(zhǔn)的SPI略有不同，在/SS有效前需要1個SCLK，拉高后需要2個SCLK，所以編程中在寫SPI的前后，各進行了偽寫（即在未拉低/SS的情況下，寫SPI）操作，以確保操作的正確。

       四、結(jié)語

　　系統(tǒng)中，除語音至PCM編碼段外，其余話路部分實現(xiàn)了完全數(shù)字化，可以顯著提高內(nèi)線通話質(zhì)量（特別是內(nèi)部網(wǎng)具一定規(guī)模的情況下）。同時，將原本IC實現(xiàn)的功能集成在單一的FPGA中實現(xiàn)，減小了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了成本，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且這使系統(tǒng)的升級相較于傳統(tǒng)的PBX變得更為方便靈活，用戶可以根據(jù)要求在不改動硬件的情況下以編程方式實現(xiàn)較自由的功能擴展。特別地，隨著規(guī)模的增大，本方案的上述優(yōu)勢會愈發(fā)明顯。

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參考文獻:

[1]. IDT821034 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IDT821034_1093777.html.
[2]. Aduc812 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/Aduc812_125053.html.
[3]. LS1240 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LS1240_455287.html.
[4]. MT8870 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MT8870_491357.html.
[5]. MT8965 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MT8965_866772.html.
[6]. ISD4004 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ISD4004_761303.html.