程控交换原理实验指导书

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前言 (2)

实验一系统电源组成 (9)

实验二系统结构组成 (12)

实验三系统控制模块实验 (19)

实验四用户接口电路及2/4线变换实验 (23)

实验五程控交换PCM编译码实验 (31)

实验六信号音产生实验 (38)

实验七 DTMF译码实验 (44)

实验八主叫识别(CID)实验 (50)

实验九外线接口实验 (58)

实验十时分交换实验 (64)

附录A (69)

附录B (79)

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前言

一、适用范围

程控交换实验系统是为了配合《程控数字交换与交换网》的教学而设计的实验装置，这套系统上除了完成理论验证实验外，还可以完成该课程设计、毕业设计，以及二次性开发。

本系统适合于各大学通信专业的专科生、本科生、研究生以及教师和相关的科研使用。

一、结构简介

系统结构图如图一所示。

程控交换实验系统采用模块化结构设计，主板实物结构图如下所示：

图二：主板实物结构图

1、程控交换系统模块（系统控制板）：

它是整个系统的核心部分，主要由DSP芯片TMS320VC5402和XILINX的FPGA芯片XCV200PQ240（或ALTERA的FPGA：EP1C6Q240）构成，完成程控交换当中的交换、

程控交换实验指导书控制功能。

程控交换系统模块结构框图如图三所示。

图一：系统结构图

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a)DSP数字信号处理部分：

它由TMS320VC5402芯片、SRAM和FLASH构成微控制系统。完成信号的控制、FSK 的编解码、DTMF信号的识别、计算机通信、EEPROM数据保存、铃音发生等多项功能。

板上S2开关用于设定DSP的工作方式和频率，外部晶振为12MHz，该系统DSP的标准工作频率是84MHz，产品在出厂时已设定好，无需调整。在做二次开发时根据需要进行调整，参看下表：

表一：DSP时钟模式

板上具有DSP的JTAG接口，用于二次开发使用。

b)FPGA可编程逻辑器件部分

它由XILINX公司的FPGA（XCV200PQ240芯片、17V02 PROM（或18V02 PROM））或者ALTERA公司的FPGA（EP1C6Q240芯片、EPC2LC20）构成，PROM完成配置功能，FPGA在系统中完成时隙交换、空分交换、中继通信和DSP I/O扩展、LCD显示控制等多项功能。

板上SW-DIP8 8位拨码开关是选择FPGA配置方式的。J1-J5全为“1”是PROM自行加载配置，全为“0”是计算机配置，出厂时默认是PROM加载，做二次开发时才需改动，切换配置模式时必须将此5位都拨到同一端。

程控交换实验指导书M0-M2选择配置模式，见下表：

表二：FPGA配置模式表

出厂时M0-M2已配置好无需改动。

P4为FPGA配置接口，P1为FPGA Boundary-scan接口，P2为可擦除配置PROM Boundary-scan接口，以上接口均为二次开发时使用。

复位开关用于对FPGA的重配置和DSP的复位。

复位开关下面的LED-R（D5）亮（红色）表示FPGA配置失败，需要按下复位开关重新配置，LED-G（D6）亮（绿色）表示FPGA配置成功，进入运行状态。

复位开关上面的LED是电源指示灯（D4），灯亮说明供电正常。

c)电源稳压

完成对输入的＋5V电压转换成系统工作所需的其他电压组合：＋1.8V、＋2.5V、＋3.3V。

d)UART1、UART2

UART1是DSP的串口，在本系统中暂时不使用。

UART2是用FPGA来实现的串口，在本系统中用此口来完成与计算机的通信。

e)IO1－4

IO1－IO4为系统控制板与主板的连接接口，也是系统控制板所有IO引脚的输出

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口。用户也可通过这些IO口将本系统控制板集成到自己的系统中。

f)电源插座

当系统控制板与主板连接使用时，该电源插座无需插入外接电源。

当系统控制板单独使用时，需通过该口从外部接入一＋5V直流电源，外接电源的插头的极性为外正内负，供电电流至少需达到500ｍA。

g) DSP＿JTAG口及FPGA＿JTAG

DSP＿JTAG口为DSP仿真器连接专用接口，供系统二次开发时使用。当系统工作在正常状态时（即：非二次开发状态），无需连接DSP仿真器，对系统工作无影响。

FPGA＿JTAG共有三个接口组成，分别为：

XILINX板：P1、P2和P4，其中：P1为FPGA－XCV200的JTAG扫描口，P2为配置ROM－XC18V02的JTAG口，P4为XCV200的串从配置口。

ALTERA板：FPGA＿PS、FPGA＿JTAG和EPC＿JTAG。其中：FPGA＿PS口为FPGA－EP1C6Q240的串从配置接口，FPGA＿JTAG为FPGA－EP1C6Q240的JTAG 配置接口，EPC＿JTAG为配置ROM－EPC2LC20的JTAG口。

无论哪种FPGA芯片的控制板，这些配置接口都在系统二次开发时使用，在系统正常状态下，无需连接，不影响系统正常使用。

2、主板组成模块功能说明

主板的组成结构图如图二所示，共有12个组成模块，分别介绍如下：

a)用户接口模块(1~4)

用户接口模块共有4个，分别是用户一、用户二、用户三、用户四，完成BORSHT 功能；完成DTMF信号的AD转换；信号音的DA转换。

b)PCM编译码模块(1~4)

PCM编译码模块共有4个，分别是用户一、用户二、用户三、用户四，完成语音信号的PCM编译码功能。

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图三 程控交换系统模块结构框图

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c)外线接口模块

外线接口模块完成与本系统与电信线路的接口，其中包含的功能有：振铃检测，混合，PCM编译码，摘机控制等。

d)液晶显示模块

本液晶模块为240X128点大屏幕显示屏，用来显示当前系统状态以及所有人机接口的状态显示，如菜单，系统帮助，参数状态设置等。

e)键盘

键盘为6键薄膜按键，完成人机接口的各种操作，如菜单选择，参数设置等。

f)数字中继接口

数字中继接口为两台实验箱或实验箱与外部交换机的连接口，传输介质为双绞线。

三、注意事项

对于DSP＿JTAG，FPGA＿JTAG，在正常工作状态（即：非二次开发状态）请不要随意连接DSP仿真器和FPGA配置器，也不要往FLASH、FPGA及FPGA配置ROM中写入数据，以免破坏系统代码，造成系统瘫痪。如果要对系统控制板进行二次开发操作，则需严格参考本系统的二次开发手册，同时在专业人士的指导下进行。

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实验一系统电源组成

一、实验类型

验证性实验。

二、实验目的与任务

1．了解程控交换系统工作电源的组成与种类。

2．测试系统工作电源电压值。

三、预习要求

预习第3章。

四、实验基本原理

图1－1是电源电路原理方框图。它由市电交流220V、内置线性稳压电源、内置开关电源、电源指示电路等组成。内置线性稳压电源和内置开关电源由同一个电源开关控制，该电源开关位于实验箱体的右侧面。在系统主板右下脚处的开关为铃流源开关。

图1—1 工作电源原理方框图

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各路输出电压的作用：

内置开关电源输出：+5V为主电源，供系统主板和系统控制板上使用；

＋5V、－5V提供给运放、用户接口模块和PCM编译码使用；

内置稳压电源输出：-24V主要提供给用户接口电路MY88622作馈电源使用。

+12V、＋5V主要供铃流源使用。

五、实验仪器与设备

20M通用示波器一台，万用表一块，RC－CK－II型实验箱一台。

六、实验内容

了解程控交换系统的电源构成。

七、实验步骤

1．打开系统主电源开关，观察状态指示模块的电源指示发光管显示状态。

2．用万用表测量电源模块各测量点的电压，注意万用表的量程设置，应放在“DC”

档进行测量，否则测试数据不准确。

TP24：+5V

TP25：－5V

TP26：-24V

3．用示波器测量电源模块各测量点的电压。注意示波器的量程设置，应设置在“DC”

档进行测量，否则测试数据不准确。

TP24：+5V

TP25：－5V

TP26：-24V

程控交换实验指导书八、注意事项

听从实验员的安排，注意实验箱的使用方法，实验完毕请老师检查实验结果后方可离开。

九、实验报告要求

根据大纲和实验指导书书写实验报告。

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实验二系统结构组成

一、实验类型

验证性实验。

二、实验目的与任务

1、了解整个系统的结构组成

2、了解系统中各关键器件的作用

3、了解整个系统的基本工作原理

4、了解整个系统中各组成模块的作用

三、预习要求

预习第3章。

四、实验基本原理

图2－1是系统结构图，图2－2是程控交换实验系统布局图。

程控交换系统由9大电路模块组成，各模块的组成及主要作用如下：

1、用户一～用户四接口模块：

分别是电话机用户一、用户二、用户三、用户四的用户线接口电路、DTMF采样及AD 转换、FSK的DA转换、信号音的DA转换和PCM编译码电路。具体叙述如下：（1） MY88622（各用户单独使用）用来实现二/四线变换，摘挂机检出，铃流驱动和用户话机的接口等功能；

（2） TP3057（各用户单独使用）主要实现PCM编译码功能；

（3） LTC1446（用户一和用户二两个话机合用一片，用户三和用户四合用一片）DA 转换芯片，用来完成系统控制板送来的FSK及所有信号音的数字→模拟信号转换。

程控交换实验指导书（4）TLC549（各用户单独使用）AD转换芯片，用来完成对DTMF信号的采集及话音信号的采集，完成模拟信号的数字化，送系统控制板，实现拨叫号码的识别、DTMF信号波形的采集，话音信号的采集。

2、程控交换系统控制模块：

该模块即为整个系统的控制中心，主板通过专用接口与系统控制板相连接。完成DTMF 识别、FSK信号生成、各种信号音的产生、空分交换、时分交换、多级交换、数字中继、系统控制、计算机通信等所有控制、处理工作。

系统控制模块的核心器件主要有：

U2：TMS320VC5402为TI公司的实时信号处理器。完成信号音的产生算法、DTMF译码算法、FSK编解码算法等工作。

U5:XCV200PQ240(EP1C6Q240)为XILINX（ALTERA）公司的大规模现场可编程器件（FPGA）。完成空分交换、时分交换、多级交换、数字中继通信、计算机通信、I/O器件接口、用户状态识别、用户振铃控制等工作。

IC1－3：74LVT16244、74LVT16245总线驱动芯片。

IC4：IC61LV25616，DSP专用SRAM，用来存放数据。

IC5（左）：SST39VF800A（29LV800），DSP专用FLASH，用来存放所有程序代码。

IC5（右）：IS61LV256，FPGA专用SRAM，用来存放数据。

U6：XC18V02或XC17V01，XILINX板专用（EPC2LC20，ALTERA板专用），FPGA专用PROM，用来存放FPGA配置程序。

U38：74LVT164245，3.3V I/O转5V I/O接口芯片。

U20：MAX232，DSP及FPGA共用RS232电平转换芯片。

U9：5V～1.8V稳压芯片，为DSP内核工作电源。

U10：5V～2.5V稳压芯片（ALTERA板为：1.5V），为FPGA内核工作电源。

U11：5V～3.3V稳压芯片，为DSP及FPGA的I/O工作电源。

FPGA UART：基于FPGA的RS232口，在本系统中，采用此口与计算机通信。

DSP UART：基于DSP的RS232口，在本系统中，此口闲置。

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DSP＿JTAG口及FPGA＿JTAG：

DSP＿JTAG口为DSP仿真器连接专用接口，供系统二次开发时使用。当系统工作在正常状态时（即：非二次开发状态），无需连接DSP仿真器，对系统工作无影响。

FPGA＿JTAG共有三个接口组成，分别为：

XILINX板：P1、P2和P4，其中：P1为FPGA－XCV200的JTAG扫描口，P2

为配置ROM－XC18V02的JTAG口，P4为XCV200的串从配置口。

ALTERA板：FPGA＿PS、FPGA＿JTAG和EPC＿JTAG。其中：FPGA＿PS口

为FPGA－EP1C6Q240的串从配置接口，FPGA＿JTAG为FPGA－

EP1C6Q240的JTAG配置接口，EPC＿JTAG为配置ROM－

EPC2LC20的JTAG口。

系统控制板上各状态指示灯指示功能如下：

D4：电源指示灯，红色，灯亮表示系统供电正常。

D5：FPGA程序加载失败指示灯，红色，灯亮表示FPGA程序加载失败，此时需关闭系统电源重新加载。

D6：FPGA程序加载成功指示灯，绿色，灯亮表示FPGA程序加载成功。

D7：系统与计算机串口联机状态指示灯，绿色，灯亮表示系统与计算机处于联机状态。

系统控制板上各状态开关功能及设置方法说明如下：

ａ）S2：用于设定DSP的工作方式和频率，外部晶振为12MHz，该系统DSP的标准工作频率是84MHz，产品在出厂时已设定好，无需调整。在做二次开发时根据需要进行调整，参看表2－1。

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表2－1DSP时钟及工作模式设置状态表

ｂ）S1：选择FPGA配置方式的。

XILINX板：J1-J5全为“1”是PROM自行加载配置，全为“0”是计算机配置，出厂时默认是PROM加载，做二次开发时才需改动，切换配置模式时必须将此5位都拨到同一端。M0-M2选择配置模式，见表2－2。

表2－2FPGA配置模式表（XILINX板）

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表2－3FPGA配置模式表（ALTERA板）

出厂时M0-M2已配置好无需改动。

ALTERA板：J1-J5全为“1”是PROM自行加载配置，全为“0”是计算机配置，出厂时默认是PROM加载，做二次开发时才需改动，切换配置模式时必须将此5位都拨到同一端。M0-M1选择配置模式，见表2－3。

3、外线接口模块：

外线接口模块完成本系统与电信局线路的对接功能，通过该模块可实现本系统内任意一用户都可呼叫电信网络任何一用户，同时，电信网络中的任何一用户也可呼叫本系统用户。当有外线呼入时，系统查询预先设置的用户振铃，若该用户忙，则自动查询其他用户，若所有用户都忙，则通知外线无人接听。

本模块的详细组成说明如下：

ａ）PCM编译电路：完成外线话音信号的PCM编码和系统用户的PCM译码。

ｂ）外线振铃检测电路：当有电信用户呼叫本系统时，振铃检测电路产生一信号通知系统控制电路，表示有外线呼入。其中开关K1为外线馈电电压选择。

ｃ）摘机控制电路：该电路用来改变外线环路电流，使电信局端识别用户已摘机。该电路的控制信号由系统控制电路给出。

ｄ）极性变换电路

4、LCD显示模块：

程控交换实验指导书本液晶模块为240X128点大屏幕显示屏，用来显示当前系统状态以及所有人机接口的状态显示，如菜单，系统帮助，参数状态设置，DTMF波形等。

可调电阻R74为液晶对比度调节电阻，顺时针方向：对比度增加；逆时针方向：对比度降低。

5、键盘模块：

键盘为6键薄膜按键，完成人机接口的各种操作，如菜单选择，参数设置等。

6、数字中继模块：

数字中继接口为两台实验箱或实验箱与外部交换机的连接口，传输介质为双绞线。

通过数字中继接口即可实现两台实验箱8个用户的全双工电话通信。其中U200为电平转换芯片。

7、状态指示模块：

状态指示模块共有6个发光二极管，分别指示：

中继发送：D204，灯亮表示发送数据到中继口状态。

中继接收：D203，灯亮表示接收到中继数据。

＋5V电源指示灯。

－5V电源指示灯。

-24V馈电电压指示灯。

铃流指示灯。

五、实验设备

电话四部，RC－CK－II型实验箱一台

六、实验内容

1．从外型上认识系统中各关键器件，掌握其在系统中的作用。

2．认识现代程控交换系统的结构组成。

2．从总体上初步熟悉四部电话单机进行通话。

3．初步建立程控交换实验系统及电话交换、中继接续通信的概念。

4．了解人机接口操作。

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七、实验步骤

1．学习整个系统的硬件。

2．打开交流电源开关，观察系统中各指示发光二极管的状态。

3．打开铃流开关，观察铃流状态指示发光二极管的状态。

4．用户一摘机，拨号，呼叫用户二，用户二振铃，用户二摘机，建立通话。

5．用户三摘机，拨号，呼叫用户四，用户四振铃，用户四摘机，建立通话。

6．用户二挂机，结束与用户一通话。

7．用户二摘机，拨号，呼叫用户四，用户四忙，用户二忙音，通话失败，用户二挂机。

8．用户一挂机。

9．用户三挂机，结束与用户四通话。

10．仔细聆听整个实验过程中的各用户话机中信号音的变化。

11．仔细观察整个实验过程中的LCD显示屏的变化，观察通话计时过程。

八、注意事项

听从实验员的安排，注意实验箱的使用方法，实验完毕请老师检查实验结果后方可离开。

九、实验报告要求

根据大纲和实验指导书书写实验报告。

程控交换实验指导书实验三系统控制模块实验

一、实验类型

验证性实验。

二、实验目的与任务

1．了解交换控制单元（DSP）主要功能。

2．了解网络交换单元（FPGA）主要功能。

3．熟悉交换控制单元（DSP）与输入、输出电路的工作关系。

4．熟悉网络交换单元（FPGA）与输入、输出电路的工作关系。

三、预习要求

预习第3章。

四、实验的基本原理

交换控制单元（DSP）U2完成对交换双方的控制、各种信号音的产生、数字信号的处理等功能，数据和命令通过网络交换单元与各硬件进行交换。

网络交换单元（FPGA）U5完成信号的采集、话路交换、PC通信接口、液晶显示控制、与各硬件接口通信。

1．电话状态的识别

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用户线状态挂机

摘机

16ms 扫描

16ms

这次扫描结果前次扫描结果

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 这∧前

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

01

图3－1 用户摘机识别原理

话机摘挂机状态的电平由MY88622芯片产生，输入FPGA ，再由DSP 从FPGA 中读取该状态进行相关任务的处理。

用户设备号这次扫描结果前次扫描结果

7 6 5 4 3 2 1 01 0 1 0 1 0 1 11 0 0 1 1 1 1 1这∧前

0 0 0 1 0 1 0 0

图3－2 用户摘机群处理示意图 2． 信号音的发生

话机所接收到的拨号音、忙音、催挂音等信号音由DSP 生成相关的数字信号，通过FPGA 送给D/A 芯片进行D/A 转换输出模拟信号到MY88622输入端，由MY88622将信号音馈到电话线上。信号音是450Hz 或950Hz 的正弦信号，根据断续的不同型式表示下列不同的含义：

拨号音：为450Hz 的连续信号。

忙 音：为450Hz 的断续信号。0.7S 断续，即0.35S 续、0.35S 断。 回铃音：为450Hz 的断续信号。5S 断续，即1S 续、4S 断。 空号音：为450Hz 的断续信号。0.2S 断续，即0.1S 续、0.1S 断。 催挂音：为950Hz 的连续音频信号。 3． 号码识别