基于单片机的语音交换单元的设计与制作

王烨

摘要：本文介绍了16路到16路的语音交换单元的设计与制作过程。该交换单元最多可以接入16个终端，每个终端可以接收最多6个甚高频电台的信号，可以选择任1个电台进行发射。语音交换单元选用C8051F120单片机做控制芯片， CD22M3494做交换芯片。

关键词：基片机；交换单元；设计制作

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0003-02

甚高频电台用于空中交通管制部门与飞机之间的地空通信。甚高频电台使用时一个遥控终端只能对应一个电台，造成甚高频设备资源大量浪费。因此空管部门广泛采用了内话（语音交换）系统，可以接入多个终端，实现终端对多部电台的使用，同时还可以实现有线电话资源的灵活配置，但是内话系统造价很高，一般将主用甚高频系统接入内话。

为了解决一对一的遥控终端浪费甚高频设备资源，内话系统又造价太高的问题，我们单位自行研制了一套多通道甚高频遥控系统。该系统支持多部电台同时接入，支持多个终端用户，具备配置信息动态修改与保存功能。

本文介绍了多通道甚高频遥控系统中语音交换单元的设计与制作过程。

1 语音交换单元的设计

根据管制员需求，要求多通道甚高频遥控系统的每个终端可以同时监听6个甚高频信道，信道间不能够串音。在使用电台发射时，不同席位的终端进行抢占，席位之间没有优先级，抢占晚的用户必须等待抢占早的用户释放电台，之后才能进行发射。

1.1 语音交换单元的硬件设计

为了更好地适应甚高频电台的遥控接口，将语音交换单元分为接口板电路和音频交换电路两部分来设计。

1.1.1 接口板电路的设计

（1）音频信号的处理电路。音频输出端要与甚高频电台的遥控接口相连，选用600：600Ω阻抗的音频变压器实现阻抗匹配和隔离。

音频变压器既能实现阻抗匹配，又能使传输线上的音频信号转化为差分信号，对共模干扰进行有效的抑制。接口板选用两个600：600 Ω的音频变压器作为音频转换的接口。接口电路如图1所示。TX连接电台发射信号，RX连接电台接收信号。在接口板上输入音频信号通过变压器转换后，变为非平衡的音频信号进入到语音切换板。在输出端，音频变压器把输出的非平衡音频信号转换成平衡信号，以适应远距离传输。

（2）信令信号处理电路。甚高频电台发射时需要PTT信令，接收时需要SQ静噪信令。信令信号有3种状态，有效、无效和未连接。接口电路要能实现把未连接电台的空闲状态转换成无效的状态，避免未连接电台时语音切换板的误动作。在终端上PTT未按下时（无效状态）输出电压为直流7V，按下时（有效状态）输出为0V。PTT电压大于切换板的接口电压5V，需要使用保护电路，避免过高的电平对语音交换板造成损坏。PTT信号处理电路如图2所示。

电台接收到信号时将输出SQ信号， SQ有效时输出电平为12V，无效时输出为高阻状态。电路如图3所示。

1.1.2 音頻交换板的设计

音频交换板的主要功能为音频交换、信令处理和网络控制。目前内话系统进行音频交换使用的有时分多路复用技术和IP网络交换技术，都需要对信号进行数模转换后再进行交换。我们设计的多通道甚高频遥控系统不需要内话系统强大交换功能，所以采用了模拟的电路交换技术，优点是实现方式简单，信号不经过数模转换，通话质量好，时延小，PTT响应时间短，能够满足《民用航空空中交通管制语音通信交换系统技术规范 》的要求。

（1）发射电路的设计。电路交换技术就是使用模拟的开关电路，直接连接需要交换的音频线路。此项目选择了CD22M3494作为交换芯片。CD22M3494芯片包含8×16个模拟开关阵列，7到128个地址译码和锁存电路。通过不同的地址信号，可以对128个开关寻址。具有失真低，串扰小的特点，常应用于音频、视频的切换。

电台发射时采用PTT抢占的方式，不同的终端在同一时刻只能连接到1台甚高频电台进行语音发射。此项目使用了2片CD22M3494芯片，形成16×16的音频开关矩阵。一侧连接16路电台的发射音频，另一侧则用来连接16路终端的发射音频。对矩阵开关的状态进行控制就可以实现电台与终端之间的音频交换。

（2）接收电路的设计。接收电路负责把电台的接收信号的按照终端的选择进行切换，同时实现多路音频信号的监听，最多可达6路信号。

（3）控制电路设计。CD22M3494的原理图如图4所示。CD22M3494内含控制锁存器和地址译码器，CS为芯片选通信号。DATA端口输入逻辑电平“1”或“0”，可对模拟开关打开或关闭。AX0-AX3， AY0-AY2用来寻址，控制DATA端口的数据输入。STROBE使地址和数据有效。

选用C8051F120单片机来处理PTT和SQ信号的逻辑关系，将终端传来的信息转换为地址，实现语音的交换。C8051F120是Silicon Lab公司的8051内核混合信号微控制器，能达到100MIPS，16x16硬件乘法，12位ADC和12位DAC，支持JTAG调试。以太网芯片选择CP2200，符合IEE802.3协议，具有8bit并行总线接口。选用总线驱动器74HCT245作为输入端口扩展，对电台接收时的SQ信令进行分时扫描。选用数据锁存器74HCT573作为输出端口扩展，对电台发射时的PTT信令进行分时扫描。

1.2 语音交换板的软件设计

软件设计主要实现两个功能，突发任务和定时任务。当终端要进行语音切换时，在终端上通过触摸屏下达任务，突发任务就是通过网络接收来自终端的控制命令。任务过程是接收网络命令、执行命令，最后返回命令执行。定时对端口进行扫描和定时对语音交换机状态进行广播，通过定时任务来实现。endprint

1.2.1 主程序的设计

主程序的设计由参数与外围设备的初始化、网络参数的初始化、语音交换控制和定时广播状态4个部分构成。

（1）参数与外围设备的初始化：主程序首先使用PORT_Init函数初始化端口；其次使用SYSCLK_Init函数来初始化时钟，再次使用EMIF_Init来初始化外部数据存储器的访问时序；接着使74HCT573的所有端口输出无效状态；最后所有CD22M3494的片选变为有效。

（2）网络参数的初始化：首先发送配置IP地址的请求，如果配置成功就把IP地址写入FLASH中保存起来，从而实现以太网IP地址的初始化。

（3）语音交换控制：语音交换控制首先从CP2200芯片上读取网络数据包，存入到内部RAM中。收到数据包之后要进行命令合法性检测。包括：检测电台端口和终端端口的合法性、是否是重复的连接状态等。若合法性检测不合格，则丢弃该数据包。接收信号的监听是可以多个席位共享的，所以在收到接收信号的数据包后，可以直接进行连接。

（4）定时广播任务：主程序还实现对外广播信息，内容包括语音交换板的状态，PTT、SQ端口状态、接收通道的连接的状态和发射通道的连接状态。对状态进行广播是为了增加终端可以使用的信息，终端收听到广播的PTT、SQ狀态信息，就能知道不同电台的接收和发射情况，从而实现不同的席位终端对电台发射的抢占。

1.2.2 中断程序设计

中断程序主要任务有两个，一是计算来自于电台端SQ信号，得出输出到终端的SQ信号；二是计算来自于终端的PTT信号得出输出到电台的PTT信号，并对发射音频信号进行切换。

当终端请求使用电台时，首先要检查电台是否在占用状态。如果不在占用状态，则该终端可以使用电台。如果在占用状态，需要对上一个使用此电台的终端进行检查，如果仍需使用，就不能分配该电台，如果不使用，首先断开上次终端，再为电台重新分配终端，进行连接。

2 结语

多通道甚高频遥控系统是一套小型化的甚高频语音交换系统，填补了复杂内话系统与一对一甚高频遥控终端之间的设备空白，提高了空管部门地空通信应急系统的保障能力，具有低成本，高可靠性的优点，达到了项目的设计指标。

参考文献

[1]SCHMID内话技术手册[K].

[2]AT-VCS0422内话技术手册[K].

[3]R&S甚高频电台XU250A技术手册[K].endprint