基于單片機的語音交換單元的設計與制作

王燁

摘要：本文介紹了16路到16路的語音交換單元的設計與制作過程。該交換單元最多可以接入16個終端，每個終端可以接收最多6個甚高頻電臺的信號，可以選擇任1個電臺進行發射。語音交換單元選用C8051F120單片機做控制芯片， CD22M3494做交換芯片。

關鍵詞：基片機；交換單元；設計制作

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0003-02

甚高頻電臺用于空中交通管制部門與飛機之間的地空通信。甚高頻電臺使用時一個遙控終端只能對應一個電臺，造成甚高頻設備資源大量浪費。因此空管部門廣泛采用了內話（語音交換）系統，可以接入多個終端，實現終端對多部電臺的使用，同時還可以實現有線電話資源的靈活配置，但是內話系統造價很高，一般將主用甚高頻系統接入內話。

為了解決一對一的遙控終端浪費甚高頻設備資源，內話系統又造價太高的問題，我們單位自行研制了一套多通道甚高頻遙控系統。該系統支持多部電臺同時接入，支持多個終端用戶，具備配置信息動態修改與保存功能。

本文介紹了多通道甚高頻遙控系統中語音交換單元的設計與制作過程。

1 語音交換單元的設計

根據管制員需求，要求多通道甚高頻遙控系統的每個終端可以同時監聽6個甚高頻信道，信道間不能夠串音。在使用電臺發射時，不同席位的終端進行搶占，席位之間沒有優先級，搶占晚的用戶必須等待搶占早的用戶釋放電臺，之后才能進行發射。

1.1 語音交換單元的硬件設計

為了更好地適應甚高頻電臺的遙控接口，將語音交換單元分為接口板電路和音頻交換電路兩部分來設計。

1.1.1 接口板電路的設計

（1）音頻信號的處理電路。音頻輸出端要與甚高頻電臺的遙控接口相連，選用600：600Ω阻抗的音頻變壓器實現阻抗匹配和隔離。

音頻變壓器既能實現阻抗匹配，又能使傳輸線上的音頻信號轉化為差分信號，對共模干擾進行有效的抑制。接口板選用兩個600：600 Ω的音頻變壓器作為音頻轉換的接口。接口電路如圖1所示。TX連接電臺發射信號，RX連接電臺接收信號。在接口板上輸入音頻信號通過變壓器轉換后，變為非平衡的音頻信號進入到語音切換板。在輸出端，音頻變壓器把輸出的非平衡音頻信號轉換成平衡信號，以適應遠距離傳輸。

（2）信令信號處理電路。甚高頻電臺發射時需要PTT信令，接收時需要SQ靜噪信令。信令信號有3種狀態，有效、無效和未連接。接口電路要能實現把未連接電臺的空閑狀態轉換成無效的狀態，避免未連接電臺時語音切換板的誤動作。在終端上PTT未按下時（無效狀態）輸出電壓為直流7V，按下時（有效狀態）輸出為0V。PTT電壓大于切換板的接口電壓5V，需要使用保護電路，避免過高的電平對語音交換板造成損壞。PTT信號處理電路如圖2所示。

電臺接收到信號時將輸出SQ信號， SQ有效時輸出電平為12V，無效時輸出為高阻狀態。電路如圖3所示。

1.1.2 音頻交換板的設計

音頻交換板的主要功能為音頻交換、信令處理和網絡控制。目前內話系統進行音頻交換使用的有時分多路復用技術和IP網絡交換技術，都需要對信號進行數模轉換后再進行交換。我們設計的多通道甚高頻遙控系統不需要內話系統強大交換功能，所以采用了模擬的電路交換技術，優點是實現方式簡單，信號不經過數模轉換，通話質量好，時延小，PTT響應時間短，能夠滿足《民用航空空中交通管制語音通信交換系統技術規范 》的要求。

（1）發射電路的設計。電路交換技術就是使用模擬的開關電路，直接連接需要交換的音頻線路。此項目選擇了CD22M3494作為交換芯片。CD22M3494芯片包含8×16個模擬開關陣列，7到128個地址譯碼和鎖存電路。通過不同的地址信號，可以對128個開關尋址。具有失真低，串擾小的特點，常應用于音頻、視頻的切換。

電臺發射時采用PTT搶占的方式，不同的終端在同一時刻只能連接到1臺甚高頻電臺進行語音發射。此項目使用了2片CD22M3494芯片，形成16×16的音頻開關矩陣。一側連接16路電臺的發射音頻，另一側則用來連接16路終端的發射音頻。對矩陣開關的狀態進行控制就可以實現電臺與終端之間的音頻交換。

（2）接收電路的設計。接收電路負責把電臺的接收信號的按照終端的選擇進行切換，同時實現多路音頻信號的監聽，最多可達6路信號。

（3）控制電路設計。CD22M3494的原理圖如圖4所示。CD22M3494內含控制鎖存器和地址譯碼器，CS為芯片選通信號。DATA端口輸入邏輯電平“1”或“0”，可對模擬開關打開或關閉。AX0-AX3， AY0-AY2用來尋址，控制DATA端口的數據輸入。STROBE使地址和數據有效。

選用C8051F120單片機來處理PTT和SQ信號的邏輯關系，將終端傳來的信息轉換為地址，實現語音的交換。C8051F120是Silicon Lab公司的8051內核混合信號微控制器，能達到100MIPS，16x16硬件乘法，12位ADC和12位DAC，支持JTAG調試。以太網芯片選擇CP2200，符合IEE802.3協議，具有8bit并行總線接口。選用總線驅動器74HCT245作為輸入端口擴展，對電臺接收時的SQ信令進行分時掃描。選用數據鎖存器74HCT573作為輸出端口擴展，對電臺發射時的PTT信令進行分時掃描。

1.2 語音交換板的軟件設計

軟件設計主要實現兩個功能，突發任務和定時任務。當終端要進行語音切換時，在終端上通過觸摸屏下達任務，突發任務就是通過網絡接收來自終端的控制命令。任務過程是接收網絡命令、執行命令，最后返回命令執行。定時對端口進行掃描和定時對語音交換機狀態進行廣播，通過定時任務來實現。endprint

1.2.1 主程序的設計

主程序的設計由參數與外圍設備的初始化、網絡參數的初始化、語音交換控制和定時廣播狀態4個部分構成。

（1）參數與外圍設備的初始化：主程序首先使用PORT_Init函數初始化端口；其次使用SYSCLK_Init函數來初始化時鐘，再次使用EMIF_Init來初始化外部數據存儲器的訪問時序；接著使74HCT573的所有端口輸出無效狀態；最后所有CD22M3494的片選變為有效。

（2）網絡參數的初始化：首先發送配置IP地址的請求，如果配置成功就把IP地址寫入FLASH中保存起來，從而實現以太網IP地址的初始化。

（3）語音交換控制：語音交換控制首先從CP2200芯片上讀取網絡數據包，存入到內部RAM中。收到數據包之后要進行命令合法性檢測。包括：檢測電臺端口和終端端口的合法性、是否是重復的連接狀態等。若合法性檢測不合格，則丟棄該數據包。接收信號的監聽是可以多個席位共享的，所以在收到接收信號的數據包后，可以直接進行連接。

（4）定時廣播任務：主程序還實現對外廣播信息，內容包括語音交換板的狀態，PTT、SQ端口狀態、接收通道的連接的狀態和發射通道的連接狀態。對狀態進行廣播是為了增加終端可以使用的信息，終端收聽到廣播的PTT、SQ狀態信息，就能知道不同電臺的接收和發射情況，從而實現不同的席位終端對電臺發射的搶占。

1.2.2 中斷程序設計

中斷程序主要任務有兩個，一是計算來自于電臺端SQ信號，得出輸出到終端的SQ信號；二是計算來自于終端的PTT信號得出輸出到電臺的PTT信號，并對發射音頻信號進行切換。

當終端請求使用電臺時，首先要檢查電臺是否在占用狀態。如果不在占用狀態，則該終端可以使用電臺。如果在占用狀態，需要對上一個使用此電臺的終端進行檢查，如果仍需使用，就不能分配該電臺，如果不使用，首先斷開上次終端，再為電臺重新分配終端，進行連接。

2 結語

多通道甚高頻遙控系統是一套小型化的甚高頻語音交換系統，填補了復雜內話系統與一對一甚高頻遙控終端之間的設備空白，提高了空管部門地空通信應急系統的保障能力，具有低成本，高可靠性的優點，達到了項目的設計指標。

參考文獻

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[2]AT-VCS0422內話技術手冊[K].

[3]R&S甚高頻電臺XU250A技術手冊[K].endprint