摘 要： 為了滿足應急通信系統中車載調度機穩定可靠的中繼通信要求，提出了一種基于CPC5621芯片的環路中繼電路設計方案。介紹了此設計在車載調度機中的典型應用，對CPC5621芯片的功能作了說明，給出了系統設計的硬件結構，分模塊描述了利用CPC5621實現環路中繼電路的方法，詳細講解了語音及信令的處理流程，并對系統軟件設計進行了分析，給出了軟件的處理流程。經過測試及應用，證明利用CPC5621芯片設計的環路中繼完全達到了穩定、可靠的指標要求。
關鍵詞： 應急通信系統； CPC5621芯片； 環路中繼； C8051F020； IDT82V1054
當前環境下，突發及應急事件日益增多。能夠在現場進行可靠、穩定的應急指揮通信非常重要。車載通信調度機在應急通信車中的使用使通信調度兩位一體，滿足了應急通信靈活、快速、機動的要求。本文所設計的使用CPC5621芯片完成的模擬環路啟動單元為車載調度機在條件受限的情況下實現方便快捷的通信聯網提供了保證。
1 系統硬件
1.1 環路中繼的應用
環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。這種方式實現方便，連接可靠。環路中繼接口在用戶側和中繼側均為兩線實線連接，用于話務量較小的交換機之間互聯，可以完成出入局的雙向呼叫等功能。典型的應用如圖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和處理器側。線路側提供連接PSTN網絡兩線接口的各種功能;處理器側連接微處理器，接受控制，上報狀態，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。內置的光學隔離柵將線路側和主機側屏蔽隔開，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備的浪涌抗擾度。
(2)振鈴檢測：PSTN網絡環境下，用戶線間電壓在待機狀態下約為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流大小來判斷用戶電話機的摘/掛機狀態的。掛機狀態下，電路上的電流接近0； 而摘機狀態下, 線路上的電流約為30 mA(可調)。利用三極管CPC5602的開關特性,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，設備被判斷處于掛機狀態；反之，當CPC5621的OH引腳被控制輸入低電平時，CPC5602導通，此時流過CPC5602的電流超過30 mA，設備被判斷處于摘機狀態[1]。
(4)環流調整：CPC5621還提供可編程設置的恒流源作為環路負載，通過改變負載電阻來改變環路電流的大小，解決由于線路遠近而影響環流大小的問題，提高摘掛機檢測的穩定性及可靠性。
(5)來電顯示及掛機傳輸：CPC5621采用了高阻信號通道，在掛機狀態下，電路會自動切換到該通道，以實現掛機狀態下的音頻信號傳輸。該通道具有極小的失真度, 可以在掛機狀態下可靠地檢測DTMF 信號及FSK 信號。
1.3 系統功能分析及硬件結構
環路中繼單元是車載調度機的重要部件，通過同步TBUS總線與總控單元連接，上報本單元狀態并接受總控單元的控制。
每通道定義控制字8 bit，狀態字8 bit，如表1所示。
環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，向環路中繼發送控制字，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;如果為出局呼叫，總控單元控制模擬環路進行摘機服務請求，環路中繼單元上報端口占用狀態;當模擬環路完成呼叫，CPU控制其掛機時，終止呼叫連接。
基于以上的分析，設計環路中繼單元如圖3所示。
本系統主要包含CPC5621接口芯片1~8，IDT82V1054 CODEC芯片A和B，C8051F020 CPU以及Altera CPLD。
整個系統需要處理的內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，經過CPLD調整使系統的TBUS和CODEC編程設置的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據,也可以將收到的PCM數據直接裝載到PCM總線對應的時隙上去,實現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內的TBUS總線消息區來實現的，CPLD內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端口可以通過內部寄存器進行功能設定。 IDT82V1054的SI1、SI2帶有去抖功能，把CPC5621的振鈴檢測輸出和環流檢測輸出分別連接到此，SI1對應/RING_DEC,SI2對應L_CUR。CODEC的輸出SO1對應摘掛機控制/OFFHOOK，SO2對應掛機接收的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路端口的狀態以及端口控制。
為了使系統工作更加穩定，C8051F020 CPU設計工作在4 MHz時鐘下，程序存儲利用CPU自帶的64 KB的Flash，數據存儲區除了片內的4 KB的RAM以外,將CPU通過A/D總線訪問的CPLD劃分到外部RAM區域。中斷設計為兩個外部中斷源INT0和INT1，當CPC5621有振鈴檢測及成環等消息時，IDT82V1054通過中斷INT0通知C8051F020 CPU；而INT1設計為軟件定時中斷，作為程序事件的驅動，定時掃描總控單元的控制消息[3-6]。
另外，CPC5621內部的高壓柵隔離電路會使得音頻信號的復制被消弱到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 軟件設計
本設計中使用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：系統上電后，要使硬件進入一個起始狀態，重新設定系統時鐘，初始化CPU各個端口的狀態、定時器、中斷、指針等。
(2)SPI總線處理部分:配置C8051F020的交叉開關寄存器XBR0、XBR1、XB2,務必使能交叉開關，使其工作于SPI總線方式，并設置寄存器PnMDOUT,選擇端口輸出方式。設置寄存器SPI0CKR、SPI0CN、SPI0CFG，使其滿足CODEC IDT82V1054的SPI時序要求，通過SPI總線配置CODEC內部寄存器，CODEC內部共有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3種寄存器，設置函數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總線上時隙的對應關系。
(3)主函數： 控制整個軟件的進程，具體定義函數來實現采集呼叫信息,初始化所有寄存器,映射RING_DEC、OFFHOOK等消息,調用所有已經定義的函數[3-6]。
利用CPC5621接口芯片設計實現的環路中繼單元在應急通信系統中的應用實現了車載調度機的聯網指揮功能，且通信穩定可靠。用集成電路替代了原來環路中繼單元大量的分立器件，電路結構簡潔，軟件開發難度低，大大提高了開發效率。
參考文獻
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