基于Si32261的FXS接口設計與應用

周胡凈，羅明陽，楊 敏

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

基于Si32261的FXS接口設計與應用

周胡凈，羅明陽，楊 敏

（重慶金美通信有限責任公司，重慶400030）

FXS（外部交換站）通常由變壓器、運算放大器、編解碼器、饋電饋鈴電路和接口保護電路等部分組成，接口電路復雜，不易調試。針對上述原因，提出了一種基于Si32261芯片的FXS接口模塊化設計方案，并開展了基礎的應用設計，包括完成FXS接口模塊的初始化，實現(xiàn)基本呼叫處理流程等。調試和測試結果表明該方案合理可行。

外部交換站；用戶線接口電路；VoIP網關；BORSCHT功能；模塊化設計；呼叫處理流程

1 引言

FXS（Foreign Exchange Station，外部交換站）是一種話音接口，是數(shù)字電話交換系統(tǒng)和POTS電話之間的一個線路端連接。FXS也是VoIP語音網關的一種，是VoIP通話的終端設備，位于VoIP網絡末端，通常連接模擬電話機實現(xiàn)通話過程[1]。FXS接口具有BORSCHT功能，即饋電（Battery feed）、過壓保護(Over-voltage Protection)、振鈴控制(Ringing control)、監(jiān)視(Supervision)、編解碼(CODEC)、混合電路(Hybrid circuit)和測試(Test)[2]，通常由變壓器、運算放大器、編解碼器、饋電饋鈴電路和接口保護電路等部分組成，接口電路復雜，不易調試。

Silicon labs研發(fā)的Si3226x系列產品集成了電平轉換器/驅動器的FXS解決方案，允許直接連接到DC/DC轉換器的功率管上，而不用考慮輸入電壓。該系列產品在整體FXS系統(tǒng)功耗最小化方面達到了新高度，待機狀態(tài)下每通道功耗小于55MW[3]。其中，Si32261芯片提供2路FXS接口所需的用戶線接口電路（SLIC）、編解碼、雙音多頻檢測和信號音產生等功能，實現(xiàn)了全部BORSCHT功能[4]。基于Si32261進行FXS接口的模塊化設計，可有效簡化FXS接口的設計和調試過程。

2 設計說明

2.1 硬件設計框圖

如圖1所示，Si32261芯片與外部DC/DC轉換器以及過流、過壓保護電路組成了FXS接口。Si32261芯片集成了DSP模塊、SPI接口、PCM總線接口、DC/DC控制器、編解碼器（CODEC）、用戶線接口電路（SLIC）及反饋電路等功能模塊[4]。其中DSP模塊完成阻抗匹配、二/四線變換、DTMF檢測和信號音產生、鈴流發(fā)生、來電顯示（Caller ID）、線路狀態(tài)診斷等功能；SPI接口用于與控制單元通信，實現(xiàn)模塊參數(shù)的配置和查詢；PCM總線接口采用時分復用方式，可用于多個通道語音數(shù)據(jù)的收發(fā)；DC/DC控制器與外部分立器件組成DCDC轉換器，實時轉換產生電源VBAT，用于直流饋電和交流饋鈴；編解碼器則完成模數(shù)、數(shù)模轉換和語音編解碼，支持A-Law PCM、μ-Law PCM和16-bit線性PCM；用戶線接口電路（SLIC）完成用戶線上的饋電饋鈴控制、摘掛機狀態(tài)檢測等功能。

圖1 FXS接口硬件設計框圖

2.2 SPI接口操作說明

Si32261芯片通過SPI接口與控制單元通信，實現(xiàn)芯片內部寄存器（REG）或存儲器（RAM）的配置和查詢操作。SPI是由摩托羅拉公司開發(fā)的一種高速、全雙工、同步串行通信總線[5]。該接口由時鐘信號SCLK、片選信號CS、數(shù)據(jù)輸入信號SDI和數(shù)據(jù)輸出信號SDO等4個信號組成。Si32261芯片額外提供了SDI_THRU信號，支持最多16片芯片（32個通道）實現(xiàn)菊花鏈操作方式[6]。

SPI接口讀寫操作時序滿足圖2和圖3所示的時序關系。

圖2 SPI總線接口寫操作時序圖

圖3 SPI總線接口讀操作時序圖

進行SPI接口的讀寫操作時，首先寫入8bit控制字，對操作方式進行說明。如表1所示，SPI控制字有BRDCST、R/W、REG/RAM和CID等四個字段。BRDCST為廣播寫操作標志，僅在寫操作時有效，置‘1’時，本次寫操作對所用通道生效，否則僅對CID字段指定的通道生效；R/W為讀寫標志，置‘1’時本次操作為寫操作，置‘0’時本次操作為讀操作；REG/RAM字段置為‘1’時進行寄存器（REG）的讀寫操作，置為‘0’時進行存貯器（RAM）的讀寫操作；CID為通道ID字段，用來指明本次需要操作FXS接口模塊中的哪個物理通道，該字段在BRDCST置‘1’的寫操作時無效。

表1 SPI控制字組成

寫入8bit控制字后，緊接著寫入8bit地址（Address）。對寄存器（REG）進行讀寫操作時，寫入的地址為寄存器地址；對存儲器（RAM）進行讀寫操作時，寫入的地址是存儲器地址的低8bit，存儲器地址的高3bit則應在本次操作前，提前寫入RAM_ADDR_HI寄存器（REG5）中。

寫入控制字和地址后，若本次操作是寫操作，則通過SPI接口繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)；若是讀操作，則由Si32261送出數(shù)據(jù)。Si32261內部寄存器（REG）的數(shù)據(jù)寬度為8bit，通過SPI接口寫入或讀出數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)重復出現(xiàn)在SPI總線上兩次，構成16bit的數(shù)據(jù)寬度。Si32261內部存儲器（RAM）數(shù)據(jù)寬度為29bit，通過SPI接口直接寫入或讀出數(shù)據(jù)時，僅有存儲器數(shù)據(jù)的高16bit出現(xiàn)在SPI總線上。多數(shù)情況下存儲器數(shù)據(jù)的高16bit足以滿足參數(shù)計算精度要求，特殊情況下需要寫入或讀取存儲器完整數(shù)據(jù)時，可操作寄存器REG5～REG10，進行存儲器（RAM）的間接讀寫操作，完成完整數(shù)據(jù)的讀寫操作。

2.3 PCM總線接口操作說明

Si32261通過PCM總線接口收發(fā)話音數(shù)據(jù)。PCM總線接口可用于傳輸8bit的PCM編碼數(shù)據(jù)（A-law、A-law）和16bit的線性PCM編碼數(shù)據(jù)。PCM總線接口由時鐘信號PCLK、幀定位信號FSYNC、數(shù)據(jù)發(fā)送信號DTX和數(shù)據(jù)接收信號DRX組成。數(shù)據(jù)收發(fā)在時鐘PCLK和幀定位信號FSYNC的控制下完成。PCM總線接口的每一個數(shù)據(jù)幀可配置為支持8至128個時隙，每個時隙數(shù)據(jù)寬度為8bit，相應的PCLK頻率為512 KHz至8.192 MHz。通過將不同通道的收發(fā)數(shù)據(jù)分配到不同時隙中，可實現(xiàn)多片Si32261芯片共享一條PCM總線[6]（見圖4）。

圖4 PCM總線接口數(shù)據(jù)收發(fā)時序圖

3 應用說明

3.1 硬件連接

圖5是FXS接口模塊的基本應用框圖。FXS接口模塊的SPI接口連接到ARM處理器的SPI接口上，用于接受ARM處理器的初始化和控制。PCM總線接口的時鐘信號PCLK和幀定位信號FSYNC由外部時鐘電路提供了2.048Mbps的時鐘信號和8KHz的幀定位信號，同時與PCM總線接口的收發(fā)信號連接，工作時通過為不同接口數(shù)據(jù)分配不同時隙，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。FXS接口模塊的用戶線連接模擬電話機，發(fā)起或接受話音呼叫。

圖5 FXS接口模塊應用框圖

3.2 軟件設計

3.2.1 初始化流程

FXS接口模塊正常工作前，需要通過ARM處理器對FXS接口模塊進行初始化。FXS接口模塊的初始化流程如圖6所示，初始化流程主要包括以下步驟。

（1）SPI總線接口的相關配置和初始化以及FXS復位操作；

（2）FXS初始化，包括查詢通道類型及版本號，依據(jù)通道類型及版本加載對應的Patch文件并進行校驗；完成通用參數(shù)加載；完成接口參數(shù)計算，啟動DC/DC轉換；

圖6 軟件初始化流程

（3）用戶參數(shù)配置，包括饋電電壓、饋電電流參數(shù)配置，鈴流頻率、幅度和波型選擇等參數(shù)配置，接口阻抗參數(shù)配置，信號音頻率、通斷間隔及幅度等參數(shù)配置，PCM編碼方式和收發(fā)增益配置等；

（4）開啟線路的直流饋電和線路狀態(tài)檢測，開啟接口狀態(tài)中斷檢測，進入工作狀態(tài)。

3.2.2 呼叫處理流程

用戶終端間每一次成功的通信都包括以下三個階段，如果因網絡中無空閑路由或被叫站占線而造成呼叫失敗，將不存在后面兩個階段[7]。

（1）呼叫建立

用戶摘機表示向交換機發(fā)出通信請求信令，交換機向用戶送撥號音，用戶撥號告知所需被叫號碼，如果被叫用戶與主叫用戶不屬于同一臺交換機則還應由主叫方交換機通過中繼線向被叫方交換機或中轉匯接機發(fā)電話號碼信號，測試被叫忙閑。如果被叫閑，向被叫振鈴，向主叫送回鈴音，各交換機在相應的主、被叫用戶線之間建立（接續(xù)）起一條貫通的通信鏈路。

（2）消息傳輸

主、被叫終端間通過用戶線及交換機內部建立的鏈路和中繼線進行通信。

（3）話音釋放

任何一方掛機表示向本地交換機發(fā)出終止通信信令，使鏈路涉及的各交換機釋放其內部鏈路和占用的中繼線，供其他呼叫使用。

FXS接口模塊進入工作狀態(tài)后，進行圖8所示的基本呼叫處理流程的處理。主要工作過程如下：

a.檢測Si32261中斷寄存器和狀態(tài)寄存器，發(fā)現(xiàn)有否通道摘機，若某通道摘機，控制向該通道發(fā)送撥號音，并檢測該通道送入的電話號碼。

圖8 呼叫處理流程

b.檢測到第1個電話號碼后，停止向該通道發(fā)送撥號音，并繼續(xù)接收后續(xù)號碼，在接收完所有電話號碼后，對號碼進行分析，確定被呼叫的用戶通道。

c.若被叫通道空閑，向被叫通道發(fā)送鈴流；若被叫通道被占用，或者被叫通道在約定時間內沒有摘機應答，則向主叫通道發(fā)送忙音，主叫用戶掛機后，結束本次呼叫。

d.若被叫通道摘機應答，為主叫通道和被叫通道分配PCM收發(fā)時隙，在主叫和被叫間建立數(shù)據(jù)連接，主叫用戶和被叫用戶進入通話狀態(tài)。

e.通話結束后，任意一方可先掛機，檢測到一方掛機后，控制向另一方發(fā)送催掛音，并回收PCM時隙資源，待主被叫雙方均掛機后，本次呼叫結束。

4 調試和測試結果

經調試和測試，F(xiàn)XS接口模塊設計和應用達到了預期結果：

（1）FXS接口模塊在接受ARM處理器初始化后，進入正常工作狀態(tài)，接口阻抗、饋電、鈴流、信號音和編碼方式等參數(shù)符合設計預期。

（2）呼叫處理過程符合預期，F(xiàn)XS接口模塊能夠正常檢測模擬電話機的摘掛機狀態(tài)和撥號信息；能在不同呼叫狀態(tài)控制發(fā)送撥號音、回鈴音和忙音等信號音；能正常控制被叫用戶振鈴，并正常完成接口PCM收發(fā)時隙的分配。

（3）接入FXS接口模塊的模擬電話機能正常完成話音呼叫并通話，話音清晰。

5 結束語

經調試和測試，基于Si32261芯片的FXS接口模塊設計和應用達到了預期結果。Si32261因其較高的集成度和靈活的可配置性等優(yōu)點，有效簡化了FXS接口的設計和調試。

隨著VoIP(Voice over Internet Protocol)業(yè)務的興起，VoIP技術已成為實現(xiàn)話音及數(shù)據(jù)通信業(yè)務的主要技術之一，在網絡IP化演進過程中發(fā)揮越來越重要的作用[8]。FXS接口電路的應用也逐漸由傳統(tǒng)的程控交換設備轉移到了VOIP網關設計上。基于Si32261芯片設計的FXS接口模塊同時滿足傳統(tǒng)程控交換設備和VOIP網關設備的使用需求，具有廣泛的應用前景。

[1] 黃學達,林峰.基于CM5000的FXS語音網關的軟硬件設計[J].電子器件，2015(4):903-907.HUANG Xueda,LIN Feng.Design of Hardware and Software of FXS voice gateway based on CM5000[J].Chinese Journal of Electron Devices,2015(4):903-907.

[2] 葉敏.程控數(shù)字交換與交換網[M].北京：北京郵電大學出版社，2003.YE Min.Programmed digital switching and switching network[M].Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications press,2003.

[3] Silicon Laboratories.集成電路[J].今日電子,2011(9):62-63.Silicon Laboratories.Integrated circuit[J].Electronic Products,2011(9):62-63.

[4] Silicon Laboratories.SI32260/1 single chip dual RROSLIC datasheet[EB/OL].https://www.silabs.com.2011.11.

[5] 鄭毛祥.SPI總線接口擴展與應用[J].自動化技術與應用,2012(9):75-79,95.ZHENG Maoxiang.Extension and Application of SPI Bus Interface[J].Techniques of Automation and Applications,2012(9):75-79,95.

[6] Silicon Laboratories.Si3226x PROSLIC DESIGNER'S GUIDE[EB/OL].https://www.silabs.com.2013.8.

[7] 金惠文，陳建亞，紀紅，等.現(xiàn)代交換原理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.JIN Huiwen,CHEN Jianya,JI Hong.Modern switching principle(Second Edition)[M].Beijing:Publishing House of electronics industry,2005.

[8] 李輝.VoIP技術及其發(fā)展趨勢分析[J].互聯(lián)網天地,2015(2):77-79.LI Hui.Analysis of VoIP Technology and Its Development Trend[J].China Internet,2015(2):77-79.

Design and Application of FXS Interface Based on Si32261

Zhou Hujing,Luo Mingyang，Yang Min
（Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.,Chongqing 400030,China）

FXS (Foreign Exchange Station)usually consists of transformer，amplifier，codec， line feed and protection circuits.In view of the disadvantages such as complicated circuits and difficult debugging，a modular design of FXS interface based on Si32261 is proposed and a basic application design is carried out，including FXS initialization and basic call processing procedure.Debugging and test results indicate that the design is reasonable and practicable.

FXS；SLIC；VoIP gateway；BORSCHT； Modular design；Call processing procedure

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.017

TP368.1；TB51+6

A

1002-2279-（2017）03-0079-04

周胡凈（1985-），男，重慶市人，工程師，主研方向：電子技術與應用。

2016-07-15