基于工業控制計算機的多功能通信卡的研制

杭州新大電子技術有限公司 邵甲強 李國建 陳浙明

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基于工業控制計算機的多功能通信卡的研制

杭州新大電子技術有限公司 邵甲強 李國建 陳浙明

【摘要】文章詳細介紹了多功能通信卡六個組成單元的功能及應用，指出了各單元電路中主要芯片的型號及生產廠家，指出了多功能通信卡與工業控制計算機之間的接口設計要點。

【關鍵詞】工業控制技算機；指揮調度；電話會議；數字交換網

0 概要

多功能通信卡是一種可編程電話集成卡，它集成了數字程控交換網、支持R2/MFC中國1號信令和中國7號信令E1數字中繼接口、多路會議處理器、PCM數字語音錄放單元、二線環路接口等。它采用目前國際上先進的專用芯片，配以特有的板卡定位技術和自動檢測手段，使其穩定性、可擴展性及應用程序的可移植性在國內同行處于領先水平。

該卡基于工業控制計算機（IPC），軟件在windows環境下并采用TCP/IP協議為用戶提供先進可靠的電話增值服務。多功能通信卡和軟件的融合，可實現交互式電話會議系統、快速（應急）指揮調度系統、電話廣播通信系統、語音通知系統、呼叫中心等。

1 工業控制計算機簡介

工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內存、外設及接口，并有操作系統、控制網絡和協議、計算能力、友好的人機界面。

它是基于PC總線的工業電腦。因其價格低、性能穩定、產量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術人員所熟悉和認可，這正是工業電腦熱的基礎。其主要的組成部分為工業機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機殼、機卡壓條過濾網，雙風扇等設計及EMC（electromagneticco mpatibility）技術以解決工業現場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。

IPC有以下特點：

可靠性：工業PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般為5min，MTTF10萬小時以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時。

實時性：工業PC對工業生產過程進行實時在線檢測與控制，對工作狀況的變化給予快速響應，及時進行采集和輸出調節（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復位，保證系統的正常運行。

擴充性：工業PC由于采用底板+CPU卡結構，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個板卡，能與工業現場的各種外設、板卡如視頻監控系統、PLC及DCS系統等相連，以完成各種任務。

兼容性：能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統，多種語言匯編，多任務操作系統。

系統總線：ISA（Industry Standard Architecture，工業標準體系結構）總線是由Intel公司、IEEE等制定的一種計算機系統總線。它具有24根地址線，可尋址16MB，16位數據線，最高工作頻率為8MHz，數據傳輸率達到16Mb/s。該總線從誕生起，歷經286、386、486和Pentium幾代微機，至今仍在工控機中采用。

2 多功能通信卡主要組成單元

該卡是一種綜合通信設備集成卡，包括數字交換網、數字中繼、模擬中繼、信號收發器、會議處理器、數字錄放音電路等六部分組成。

2.1 數字交換網MT8980

MT8980（ZL50000DP）是加拿大MITEL公司研制生產的8X32時隙的數字交換電路芯片。它支持8路PCM I/O，即有Sti0---Sti7八個串行輸入通道和Sto0---Sto7八個串行輸出通道，每個通道上能承載2.048Mbit/s碼流，每一時隙即一路話音占用64kbit/s，因而2.048Mbit/s對應著32個話路的語音信號的碼流。因此該電路能實現8個PCM共256路（8X32）任意2路之間的語音信息交換。可看成多功能卡的核心或樞紐。

2.2 MT9075是一種數字中繼E1接口電路

數字中繼是指在公眾電話網或專網小電話交換機PBX上，提供一個數字物理通道和交換機數字中繼接口，使用戶與公眾電話網上的用戶可以進行話音等信息的互通。也指利用數字信道傳輸數據信號的數據傳輸網。它的主要作用是向用戶提供永久性和半永久性連接的數字數據傳輸信道，既可用于計算機之間的通信，也可用于傳送數字化傳真，數字話音，數字圖像信號或其它數字化信號。

電信局提供的語音服務，數字線路速率大小2.048Mb/s。接入ISDN網后可以直接使用電話機與外部通信。

目前在用的數字中繼主要是PRI，也叫PRA，ISDN，30B+D，其實說的是同一種中繼線，這種中繼線在形態上與模擬線有較大的不同，通常是先光纖到達公司機房，然后由光端機把光信號轉為電信號，一對同軸電纜也就是一根PRI，也就是一根數字中繼，雖然說是一根，但是卻能同時支持30路電話同時呼入呼出、同時辦公，相當于30路模擬中繼。

MT9075電路接口是一種可編程器件，通過對其控制寄存器寫入指令，可支持中國一號信令NO1和七號信令NO7等。交互式電話會議，應急指揮電話系統一般使用此種中繼線和電信公網聯網。

2.3 模擬中繼電路HM9041C

模擬中繼（也稱環路中繼）電路接口選用湖北東光電子公司生產的厚膜混合集成電路（HIC）HM9401C，其特點是增益可調，具備掛機傳輸功能。這里的模擬中繼（Analog trunk），就是家里的那種固定電話線，即為模擬線。

模擬中繼一般指的是環路中繼，也就是電信放號給小型公司總機使用的。我們可以把其暫時理解為，對端給了我們N個電話線，我們把這些線接到公司總機的環路中繼板上去。

現實模擬中繼可以理解為將若干個市話號碼捆綁到一個號碼，這個號碼稱之為“引示號”，當客戶打“引示號”時，如占線，就自動跳到空閑的號碼上，來達到不占線的功能的一種電信業務。

例如，公司要申請4個模擬中繼，這4個線在手機或來電顯示器上顯示的都是A，其實可能是由B，C，D，E這4根線組成，電信局從中間選定了一個A的吉利號，讓這4個線打出去強制顯示為A打的。

2.4 MFC/DTMF信號收發器

該器件（型號：SEED-MF-B）是北京合眾達公司真對電話交換機數字中繼對接互聯，中國一號信令完成多頻互控部分而開發生產的，配合MT9075完成整個中國一號信令的電話呼叫接續過程。在電話應用過程中可接收或發送雙音頻信號，如呼叫中心用來接收電話用戶選擇的雙音頻按鍵號碼等。

2.5 會議處理器芯片M34116

M34116是湯姆遜生產的專用會議信號處理芯片，可匯接1---64路電話組成最多達29組會議。各通路電平增益可動態編程調節。M34116的PCM的輸入/輸出引腳可以和數字交換網芯片的PCM引腳對應相接，值得注意的是M34116的時鐘（CLOCK）和交換網MT8980D的4M時鐘是反向的，引接時要加一反向電路。

2.6 數字錄/放音電路MT8920

它是METEL公司生產的專用電路，把METEL公司的器件通用的ST-BUS總線轉換成可被其他微型控制器讀取的數據。通俗的講，把PCM編碼轉換成二進制/十六進制編碼。把模擬的聲音變成用數字來表達的過程叫抽樣，抽樣是把模擬信號以其信號帶寬2倍以上的頻率提取樣值，變為在時間軸上離散的抽樣信號的過程。例如，話音信號帶寬被限制在0.3～3.4kHz內，用 8kHz的抽樣頻率（fs），就可獲得能取代原來連續話音信號的抽樣信號。對抽樣信號進行檢波和平滑濾波，即可還原出原來的模擬信號。

話音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個量化樣值對應一個8位二進制碼，故話音數字編碼信號的速率為8bits×8kHz=64kb/s，我們現在說的數字中繼就是一條PCM，也稱一個2M，它包括32個時隙，64kb/sX32=2048kb/s=2M。

通過MT8920，計算機一條指令就可讀出一個話路的話音的數據，同理也可以通過寫指令把數據變成話音。以上過程就是電話通信的錄音/放音。

圖1 多功能卡電路結構圖（圖中虛線為PCM總線）

3 多功能通信卡與工業控制計算機之間的接口設計

本板卡組成的六部分都和工控機通過標準總線ISA/PCI連接，接受計算機指令控制。他們之間通過PCM總線連接傳送信號和話音數據，其中數字交換網MT8980通過PCM連接其余五個部分并負責它們交換數據。數字中繼MT9075和模擬中繼HM9401C為接口電路對外連接，分別接電信網的數字中繼和普通電話線。MFC/DTMF信號收發器、會議處理器M34116及數字錄/放音電路MT8920為卡內資源，分別完成信令接續、多路電話語音匯接和錄音/放音等功能（見圖1）。

3.1 地址分配及控制

電路芯片引腳分數據線、地址線和控制線等，數據線一般8位或16位是高阻并接的，可以把每個電路芯片的數據線引腳接在一起，地址線根據分配的端口范圍和讀（/RD）寫（/WR）等控制線經過邏輯電路編碼來控制每個電路芯片的片選端（/CS）。根據計算機指令中的讀寫及地址信息，可選中某一電路芯片有效，則該電路的數據被選中，使其讀入計算機或由計算機寫入該電路的寄存器。

3.2 電路板（PCB）設計制作

在PCB制作過程中，選用各電路的貼片封裝，節省電路板面積。

3.3 編寫驅動程序接口部分

多功能通信卡作為產品的硬件部分完成之后，要為上層軟件的編寫人員提供這些硬件電路的執行動作函數，也叫驅動程序。上層軟件一般用高級語言編寫，如VisualBasic、VisualC++、VisualFoxpro、Delphi等，電路是無法識別這些高級語言的，要真對這些功能電路器件編寫的驅動或函數。

對應數字交換網MT8980電路的驅動程序要給出需要交換的2電路（時隙）參數。

對應會議處理器M34116要給出組成會議各電路參數。

3.4 調試

多功能通信卡電路板安裝元器件和貼片完成后，要插入工業控制計算機總線插槽里進行調試，計算機DOS系統直接支持對地址端口的輸入（I）和輸出（O）命令，我們可利用其對電路卡進行調測，并且可以做到現場調試，方便發現故障及時解決問題。

4 結束語

多功能通信卡是我們積多年從事程控電話交換機、數字調度機、交互式電話會議系統、DF2000會議調度終端機、信令處理設備等研發的經驗，提出并開發成功的一種先進的通信標準卡。龐大復雜的電話通信設備一般由多種插板組成，并且單個插板的CPU大多為各種類型的單片機。我們采用工業控制計算機和ISA/PCI標準總線卡是一種濃縮的通信卡，其強大的處理能力（INTEL高速CPU）和大吞吐量（32/64位并行通訊），能提供豐富的語音導航及錄放音等，單片機不具備這個能力。該卡已在企業生產調度，電話會議等通信系統中得到應用，性能穩定，可靠性高。

參考文獻

［1］楊全勝.現代微機原理與接口技術［M］.電子工業出版社，2002.

［2］李生紅.現代交換原理［M］.機械工業出版社，2008.

［3］高鵬，等.電路設計與制版［M］.人民郵電出版社，2000.

作者簡介：

邵甲強（1963-），男，浙江人，碩士，工程師，研究方向：企業綜合通信平臺。