基于FPGA的数字交换系统的设计与实现

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作者：时间：2007-10-31来源：中电网收藏

　　专用交换机过于强大专业的功能，以及昂贵的价格，并非小型建网的理想选择;同时，传统的PBX的模拟交换方式存在着失真大、欠灵活以及随规模增大而复杂度剧增的不足。本文提出的方案，有别于常用PBX的模拟交换，是一种适用于一定规模局域网的数字交换机。FPGA的使用在保证了性能提高的同时，在复杂度和扩展性方面也有了明显的改进。

　　一、系统结构

　　本系统实现了带有16路内线电话、同时具备4路外线接口的数字交换机，系统结构如图1。

　　(1)用户接口及PCM编码部分

　　用户接口电路选用IDT公司的821611芯片，该芯片与编码芯片IDT821034配合良好。用户线各对应一片821611，四路用户接入一片821034(可调增益的四路PCM编码芯片)，最终4片821034的PCM信号(16路)一起挂接在PCM总线上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的类似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我们能采用带SPI的单片机(例如，Analog公司的Aduc812)，很方便地实现对多片IDT821034的控制。

　　(2)外线接口

　　外线接口一部分负责外线的铃流检测和变压器(仅通过语音)接入。铃流检测采用了SGS公司的LS1240。每当铃流进入，向FPGA送出高电平，从而测知外线的呼入。另一部分为与内线中的SLIC和CODEC类似的语音编解码部分，负责将交换后的数字信号转为语音送到外线(或者将外线语音及DTMF编码后送入FPGA)。

　　(3) DTMF接收及提示语音产生

　　系统中，20路电话(含4路外线)复用4路DTMF收号芯片进行收号。FPGA将待收号话路的PCM信号送到当前空闲的收号模块。DTMF的接收由MT8870完成， FPGA与MT8870之间，有一片MT8965(单通道语音编解码芯片),将FPGA送出数字信号转为模拟信号由MT8870读取。而交换过程的提示语音则选用ISD4004(语音录放芯片，SPI控制)，将其语音输出接在MT8965的语音输入端，再以PCM的编码形式送入FPGA。每路DTMF接收和语音送出均为固定时隙，交换控制在FPGA中完成。

　　(4) FPGA

　　FPGA作为核心部分，负责数字交换、信号音产生及控制、收号控制、提示音控制、外线接口控制、时钟产生等功能。为了与外围器件配合，选用兼容5V接口的FPGA(如Altera的ACEX 1K)。详细说明在后面给出。

　　(5)MCU

　　MCU(这里选用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在内的的灵活的用户接口)负责整个系统运行过程的调度及流程控制。软件设计的一些细节也将在后面进行说明。

　　二、PGA逻辑设计

　　系统内的PCM信号(用户语音、外线语音、提示语音3种语音的PCM编码信号)需要处理和交换;电话所需的信号音(拨号、提示、忙等)需要产生;MCU虽然负责整个系统的配置控制，但它与器件之间还需要控制逻辑;同时，系统还需要特定的时钟和定时信号。上述的这些功能，都由FPGA来完成。图3是FPGA的顶层硬件框图。

　　MCU对各功能块的相关操作均通过以总线读写寄存器的方式进行。

　　(1)总线控制(BUS-TRAN)

　　本功能块将MCU的总线(高8位地址线和低8位数据地址复用线)转换为分开的地址与数据总线(以BUS表示)。

　　(2) SPI片选生成(SPI-/CS)

　　图4中除/SS之外的信号均由MCU产生，只有/SS信号需要FPGA提供。通过对功能块内寄存器的写操作，生成外围器件的SPI-/SS信号。

　　(3) DTMF收号(DTMF-REC)

　　FPGA与8870有DATA0-DATA3(数据)、StD(状态线)、TOE(片选有效)等6线相连，FPGA在MCU控制下查询StD状态，有正脉冲时，通过TOE使8870输出有效，再由DATA0-DATA3读取收号结果。同时，还要产生MT8965的控制线( CA,/F1i, CSTI)以配合收号和送提示音过程。

　　(4)外线检测(EXTERNAL-DET)

　　这里只需要对外线接口送来的状态线进行查询(读寄存器方式)，以测知是否有外线呼入。

　　(5)时钟产生(TIMING-GEN)

　　将系统时钟分频，得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等时钟信号。

　　(6)数字交换(PCM-SWITCH)

　　这是逻辑设计中的核心部分，其框图如图5所示。