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(yè)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(chǎn)廠家，指出了多功能通信卡與工業(yè)控制計算機之間的接口設計要點。

【關鍵詞】工業(yè)控制技算機；指揮調度；電話會議；數(shù)字交換網(wǎng)

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(shù)字程控交換網(wǎng)、支持R2/MFC中國1號信令和中國7號信令E1數(shù)字中繼接口、多路會議處理器、PCM數(shù)字語音錄放單元、二線環(huán)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(wěn)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(yè)控制計算機（IPC），軟件在windows環(huán)境下并采用TCP/IP協(xié)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(xiàn)交互式電話會議系統(tǒng)、快速（應急）指揮調度系統(tǒng)、電話廣播通信系統(tǒng)、語音通知系統(tǒng)、呼叫中心等。

1 工業(yè)控制計算機簡介

工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結構，對生產(chǎn)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(tǒng)、控制網(wǎng)絡和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。

它是基于PC總線的工業(yè)電腦。因其價格低、性能穩(wěn)定、產(chǎn)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(yè)電腦熱的基礎。其主要的組成部分為工業(yè)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(wǎng)，雙風扇等設計及EMC（electromagneticco mpatibility）技術以解決工業(yè)現(xiàn)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(yè)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(yè)PC對工業(yè)生產(chǎn)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(jié)（看門狗功能這是普通PC所不具有的），遇險自復位，保證系統(tǒng)的正常運行。

擴充性：工業(yè)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(yè)現(xiàn)場的各種外設、板卡如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、PLC及DCS系統(tǒng)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(tǒng)，多種語言匯編，多任務操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)總線：ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)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(tǒng)總線。它具有24根地址線，可尋址16MB，16位數(shù)據(jù)線，最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達到16Mb/s。該總線從誕生起，歷經(jīng)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(shù)字交換網(wǎng)、數(shù)字中繼、模擬中繼、信號收發(fā)器、會議處理器、數(shù)字錄放音電路等六部分組成。

2.1 數(shù)字交換網(wǎng)MT8980

MT8980（ZL50000DP）是加拿大MITEL公司研制生產(chǎn)的8X32時隙的數(shù)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(xiàn)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(shù)字中繼E1接口電路

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

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

目前在用的數(shù)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(tài)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(shù)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(tǒng)一般使用此種中繼線和電信公網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。

2.3 模擬中繼電路HM9041C

模擬中繼（也稱環(huán)路中繼）電路接口選用湖北東光電子公司生產(chǎn)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(huán)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(huán)路中繼板上去。

現(xiàn)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(yè)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(fā)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(shù)字中繼對接互聯(lián)，中國一號信令完成多頻互控部分而開發(fā)生產(chǎn)的，配合MT9075完成整個中國一號信令的電話呼叫接續(xù)過程。在電話應用過程中可接收或發(fā)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(chǎn)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(tài)編程調節(jié)。M34116的PCM的輸入/輸出引腳可以和數(shù)字交換網(wǎng)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(wǎng)MT8980D的4M時鐘是反向的，引接時要加一反向電路。

2.6 數(shù)字錄/放音電路MT8920

它是METEL公司生產(chǎn)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(shù)據(jù)。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(shù)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?yōu)樵跁r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(xù)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(shù)字編碼信號的速率為8bits×8kHz=64kb/s，我們現(xiàn)在說的數(shù)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(shù)據(jù)，同理也可以通過寫指令把數(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)，其中數(shù)字交換網(wǎng)MT8980通過PCM連接其余五個部分并負責它們交換數(shù)據(jù)。數(shù)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(wǎng)的數(shù)字中繼和普通電話線。MFC/DTMF信號收發(fā)器、會議處理器M34116及數(shù)字錄/放音電路MT8920為卡內資源，分別完成信令接續(xù)、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(shù)據(jù)線、地址線和控制線等，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線引腳接在一起，地址線根據(jù)分配的端口范圍和讀（/RD）寫（/WR）等控制線經(jīng)過邏輯電路編碼來控制每個電路芯片的片選端（/CS）。根據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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(chǎn)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(zhí)行動作函數(shù)，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(shù)。

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

對應會議處理器M34116要給出組成會議各電路參數(shù)。

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(yè)控制計算機總線插槽里進行調試，計算機DOS系統(tǒng)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(xiàn)場調試，方便發(fā)現(xiàn)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(shù)字調度機、交互式電話會議系統(tǒng)、DF2000會議調度終端機、信令處理設備等研發(fā)的經(jīng)驗，提出并開發(fā)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(yè)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(yè)生產(chǎn)調度，電話會議等通信系統(tǒng)中得到應用，性能穩(wěn)定，可靠性高。

參考文獻

［1］楊全勝.現(xiàn)代微機原理與接口技術［M］.電子工業(yè)出版社，2002.

［2］李生紅.現(xiàn)代交換原理［M］.機械工業(yè)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(yè)綜合通信平臺。