基于CAN總線的船用數(shù)字程控交換機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)＊

（92236部隊(duì) 湛江 524002）

1 引言

艦船裝備的某型交換機(jī)是采用脈沖幅度調(diào)制（PAM）的全電子式自動(dòng)電話交換機(jī)，整機(jī)笨重且體積較大，抗干擾性能差，功能少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，整機(jī)故障率高，可維護(hù)性差，容易受到其他電子設(shè)備的干擾，功能單一，但它是艦船內(nèi)部通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響著艦船的內(nèi)部指揮通信的質(zhì)量，為克服該型交換機(jī)的缺陷，我們?cè)O(shè)計(jì)新的交換系統(tǒng)來(lái)代替它。設(shè)計(jì)的數(shù)字程控交換機(jī)選用CAN 總線作為處理器之間的通信總線，為一種小容量交換機(jī)，最大容量為128門，適用于中、小型艦艇，與自動(dòng)電話機(jī)配合不僅能提供原有模擬交換機(jī)無(wú)法達(dá)到的良好語(yǔ)音通信頻響、良好的抗串音性能，而且在其他大功率電子設(shè)備、強(qiáng)電磁干擾設(shè)備、大功率廣播設(shè)備、動(dòng)力電源設(shè)備切換等聯(lián)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制及語(yǔ)音通信性能幾乎不受干擾；實(shí)踐表明，研制的系統(tǒng)在系統(tǒng)抗干擾性能、語(yǔ)音通信質(zhì)量、可靠性等重要參數(shù)、指標(biāo)上大大優(yōu)于原有交換機(jī)。

2 基于CAN 控制器的程控交換機(jī)的整體構(gòu)成

我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字程控交換機(jī)采用了分布式多處理機(jī)控制方式，每個(gè)單元模塊都有一個(gè)高性能的處理機(jī)，這樣就使各處理機(jī)的任務(wù)比較單一，負(fù)荷量小，因而處理機(jī)的穩(wěn)定性也大幅度提高。模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，靈活的整機(jī)配置，無(wú)阻塞的時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)，以及高度模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，這些都使系統(tǒng)具有較高的可靠性及可維護(hù)性。系統(tǒng)中各用戶單元和中繼單元的處理機(jī)完成接口電路的實(shí)時(shí)處理，中央控制單元模塊處理機(jī)（MPU）實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)部及與用戶、中繼單元之間的協(xié)調(diào)和調(diào)度管理處理；各用戶、中繼單元與中央控制單元之間采用CAN 總線連接，完成處理機(jī)之間的通信。系統(tǒng)組成總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中的中央控制單元和每一個(gè)用戶單元及中繼單元都是CAN 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由單片機(jī)、CAN 控制器、CAN 收發(fā)器來(lái)完成其通信部分的功能。如圖2所示。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)的計(jì)算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信；CAN 收發(fā)器主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。系統(tǒng)中各單元之間通信的工作原理為：用戶單元和中繼單元的控制器對(duì)本單元各用戶回路和中繼環(huán)路的狀態(tài)進(jìn)行掃描檢測(cè)，將所得數(shù)據(jù)按照CAN 總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)處理后發(fā)送到中央控制單元；中央控制單元接受到其他單元上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)軟件預(yù)先設(shè)定的控制程序向各單元發(fā)送控制命令，由各單元單片機(jī)對(duì)用戶回路或中繼環(huán)路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［1～9］。

圖2 系統(tǒng)通信組成原理圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)控制中心的設(shè)計(jì)

CPU 板是整機(jī)的控制中心。作為整機(jī)的中央處理單元，主要完成系統(tǒng)的主處理控制功能、話音的無(wú)阻塞數(shù)字交換、處理機(jī)通信接口等功能；它的功能模塊主要有：處理器模塊、交換網(wǎng)絡(luò)、CAN 總線接口、會(huì)議和信號(hào)音模塊、PCM基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊、4路中繼接口、4路雙音頻收號(hào)器和廣播接口模塊。控制CPU 為高性能的DS80C320處理機(jī)［2～4］，系統(tǒng)程序存放在EPROM 中，系統(tǒng)參數(shù)存放在RAM 中。CAN總線控制器采用PHILIPS公司新生產(chǎn)的既支持CAN2.0B通信協(xié)議又支持CAN2.0A通信協(xié)議的SJA1000。它與僅支持CAN2.0A通信協(xié)議的CAN 控制器PCA82C200在硬、軟件上完全兼容。CAN 總線收發(fā)器采用PCA82C250，它提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。

3.2 用戶接口板及CAN 總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

用戶接口板功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，從電路的功能上可以分為由89C52單片機(jī)構(gòu)成的處理器部分、CAN 總線接口部分、用戶電路部分以及PCM 定時(shí)電路部分。用戶單元完成數(shù)字交換機(jī)用戶接口電路的“饋電”、“過(guò)壓保護(hù)”、“振鈴控制”、“狀態(tài)檢測(cè)”、“編譯碼”、“二／四線變換”及“測(cè)試控制”等七種功能。用戶電路設(shè)計(jì)采用Mitel公司MH89625C高集成度專用用戶芯片［5］，結(jié)合其它一些分離元件構(gòu)成用戶接口。中繼單元完成2-4線轉(zhuǎn)換，環(huán)路狀態(tài)檢測(cè)、雙音多頻接收與發(fā)送，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試鏈路等功能。這兩種單元中的微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)［6］，其片內(nèi)的8K EEPROM 用來(lái)存放本單元的控制程序。CAN 總線控制器和CAN 總線收發(fā)器仍選用SJA1000 和PCA82C250，控制CAN 總線的數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)工作時(shí)，用戶單元和中繼單元的控制程序?qū)Ρ締卧械挠脩艉椭欣^的狀態(tài)進(jìn)行不斷地掃描［7］，并由處理器89C52控制CAN 總線控制器把所得數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN 總線，由中央控制單元接收。中央控制單元CAN 總線控制器從CAN 總線接收到所有用戶單元及中繼單元的狀態(tài)信息，以中斷方式通知CPU—80C320。CPU 收到中斷信號(hào)后，將數(shù)據(jù)存入RAM，系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析后就可以知道用戶回路和中繼環(huán)路的狀態(tài)改變，從而對(duì)各用戶和中繼進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將相應(yīng)的控制命令通過(guò)CAN 總線控制器發(fā)送到CAN 總線上。用戶單元及中繼單元接收到中央控制單元發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的控制命令后，CAN 總線控制器也以中斷方式通知處理器89C52，處理器根據(jù)控制命令對(duì)用戶或中繼做出相應(yīng)的控制［8］。

3.3 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電源全部應(yīng)用模塊化開關(guān)電源設(shè)計(jì)，開關(guān)電源具有重量輕、體積小、效率高、穩(wěn)壓精度高等優(yōu)點(diǎn)。交換機(jī)電源由一次電源和二次電源兩部分組成。一次電源將交流220V 變換成直流24V，該部分直接采購(gòu)模塊化的開關(guān)電源。二次電源將直流24V 轉(zhuǎn)換為＋5V、-5V、-48V 以及交流75V、25Hz。其次為了適應(yīng)艦船設(shè)備通常采用交流220V 和直流24V 雙電源供電的要求，二次電源還完成交流電源與直流電源之間的不間斷自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遵照軟件工程的思想來(lái)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。采用結(jié)構(gòu)化或模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)的需求分析、概念設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、代碼生成、模塊的測(cè)試和驗(yàn)收進(jìn)行合理的劃分和組織，以提高軟件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。同時(shí)考慮到需求的不確定性，對(duì)系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)和開發(fā)工具、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和代碼的封裝、代碼的可重用性、系統(tǒng)模塊互連的接口等具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行了一系列的規(guī)定，使得整個(gè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，層次清晰，具有很好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

4.1 系統(tǒng)的需求分析

程控交換機(jī)程序的任務(wù)簡(jiǎn)單來(lái)講就是完成用戶的呼叫處理。一次呼叫的過(guò)程一般總是處在某種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)中。只有在發(fā)生了某種事件從而產(chǎn)生了某種輸入信號(hào)以后才促使它必須執(zhí)行一定的任務(wù)和處理，將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)中。在穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移首先是由某種時(shí)間觸發(fā)啟動(dòng)的。在程控交換機(jī)來(lái)說(shuō)，事件一般主要有下列幾種：

1）由用戶發(fā)出的信號(hào)，諸如摘、掛機(jī)，撥號(hào)號(hào)碼信號(hào)以及拍叉簧等；

2）由中繼線上輸入的各種信號(hào)；

3）監(jiān)視定時(shí)器的時(shí)限到達(dá)；

4）處理機(jī)之間或程序之間的通信信號(hào)到達(dá)或數(shù)據(jù)傳遞也是產(chǎn)生狀態(tài)的事件之一。

上述這些類型的事件，都是軟件的某種輸入信息。系統(tǒng)軟件首先進(jìn)行信息識(shí)別，登記受理等初步接受性質(zhì)的工作，隨后進(jìn)行分析處理，針對(duì)輸入信息和有關(guān)數(shù)據(jù)，確定可能會(huì)轉(zhuǎn)到何種狀態(tài)以及下一步可能涉及哪些硬件設(shè)備。然后是任務(wù)執(zhí)行前處理，即準(zhǔn)備必要的硬件資源，擬定下一步的狀態(tài)，編制各項(xiàng)動(dòng)作命令。在任務(wù)執(zhí)行前處理后，將有關(guān)的動(dòng)作或?qū)懭朊畎l(fā)往有關(guān)設(shè)備，或者由某種周期程序執(zhí)行輸出。最后在任務(wù)執(zhí)行完后將硬件資源釋放，啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行新的監(jiān)視計(jì)時(shí)。

完成上述控制功能的程序由多種執(zhí)行一定功能的子程序組成，以適應(yīng)多種不同的處理要求。這些處理要求有的時(shí)間性要求嚴(yán)格，有的實(shí)時(shí)要求不嚴(yán)格，各種任務(wù)存在的這種輕重緩急的屬性，要求交換機(jī)事先對(duì)各種程序規(guī)定其優(yōu)先級(jí)，然后在運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)格按優(yōu)先級(jí)安排任務(wù)的執(zhí)行順序。為了保證在運(yùn)行過(guò)程中，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)有可能優(yōu)先執(zhí)行，這時(shí)系統(tǒng)采用多級(jí)中斷方式［12］。

4.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

艦用數(shù)字程控交換機(jī)的軟件系統(tǒng)具有分層的模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)主要由端口處理子系統(tǒng)、呼叫處理子系統(tǒng)以及外圍終端子系統(tǒng)組成。各軟件子系統(tǒng)分布在多處理機(jī)中，以系統(tǒng)處理器為中心有機(jī)地構(gòu)成一體，均采用分層、模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)采用MCS-51匯編語(yǔ)言編程，各子系統(tǒng)采用PL／M-51高級(jí)語(yǔ)言編程。

1）端口處理子系統(tǒng)：主要完成用戶電路、中繼電路、DTMF接收器、測(cè)試電路等接口電路的掃描、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)接收和發(fā)送以及電路驅(qū)動(dòng)等功能，同時(shí)將合法事件報(bào)告呼叫處理子系統(tǒng)，接收器處理來(lái)自呼叫處理子系統(tǒng)的命令。

2）呼叫處理子系統(tǒng)：該子系統(tǒng)按照有限信息機(jī)（FSM Finite State Machine）原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)端口處理子系統(tǒng)送來(lái)的端口級(jí)事件（用戶線、中繼、DTMF）進(jìn)行號(hào)碼預(yù)譯和分析、接續(xù)路由選擇、公共資源分配、向端口處理子系統(tǒng)發(fā)送控制命令、以及向外圍終端傳送呼叫信息等。每個(gè)子系統(tǒng)的模塊分別完成局內(nèi)呼叫、出局及特服呼叫、新業(yè)務(wù)功能等。增加新功能時(shí)，可增加新的模塊，而不影響其他模塊。各個(gè)模塊在一個(gè)實(shí)時(shí)、多任務(wù)操作系統(tǒng)的控制、調(diào)度下完成呼叫處理功能。該子系統(tǒng)具有與端口處理子系統(tǒng)和外圍終端子系統(tǒng)的接口。

3）外圍終端子系統(tǒng)：包含話務(wù)臺(tái)、數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)測(cè)試與監(jiān)視等若干模塊。用戶數(shù)據(jù)的各種修改可在不影響呼叫接續(xù)的情況下，通過(guò)人機(jī)界面輸入信息，經(jīng)過(guò)編程話機(jī)傳遞給交換機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)闡述了基于CAN 總線的船用數(shù)字程控交換機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)：程控交換機(jī)的整體構(gòu)成、硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)將CAN 總線應(yīng)用于船用數(shù)字式程控交換機(jī)，開辟了CAN 總線應(yīng)用的新領(lǐng)域。該系統(tǒng)已形成產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)試和改善后，交換機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。因此，本文所提出的程控交換機(jī)設(shè)計(jì)方案能很好地滿足艦船的使用要求。

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