基于FPGA的數(shù)字交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘　要：本文提出了一種基于FPGA的數(shù)字交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。方案中利用FPGA對(duì)PCM信號(hào)進(jìn)行處理，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)了話路交換、控制接口、時(shí)鐘信號(hào)與信號(hào)音產(chǎn)生等主要功能，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并且較之傳統(tǒng)方案具有明顯優(yōu)越的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字交換系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；設(shè)計(jì)

專用交換機(jī)過(guò)于強(qiáng)大專業(yè)的功能，以及昂貴的價(jià)格，并非小型建網(wǎng)的理想選擇；同時(shí)，傳統(tǒng)的PBX的模擬交換方式存在著失真大、欠靈活以及隨規(guī)模增大而復(fù)雜度劇增的不足。本文提出的方案，有別于常用PBX的模擬交換，是一種適用于一定規(guī)模局域網(wǎng)的數(shù)字交換機(jī)。FPGA的使用在保證了性能提高的同時(shí)，在復(fù)雜度和擴(kuò)展性方面也有了明顯的改進(jìn)。

一 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了帶有16路內(nèi)線電話、同時(shí)具備4路外線接口的數(shù)字交換機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

（1）用戶接口及PCM編碼部分

用戶接口電路選用IDT公司的821611芯片，該芯片與編碼芯片IDT821034配合良好。用戶線各對(duì)應(yīng)一片821611，四路用戶接入一片 821034（可調(diào)增益的四路PCM編碼芯片），最終4片821034的PCM信號(hào)（16路）一起掛接在PCM總線上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的類似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我們能采用帶SPI的單片機(jī)（例如，Analog公司的Aduc812），很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多片IDT821034 的控制。

（2）外線接口

外線接口一部分負(fù)責(zé)外線的鈴流檢測(cè)和變壓器(僅通過(guò)語(yǔ)音)接入。鈴流檢測(cè)采用了SGS公司的 LS1240。每當(dāng)鈴流進(jìn)入，向FPGA送出高電平，從而測(cè)知外線的呼入。另一部分為與內(nèi)線中的SLIC和CODEC類似的語(yǔ)音編****部分，負(fù)責(zé)將交換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為語(yǔ)音送到外線（或者將外線語(yǔ)音及DTMF編碼后送入FPGA）。

(3) DTMF接收及提示語(yǔ)音產(chǎn)生

系統(tǒng)中，20路電話（含4路外線）復(fù)用4路DTMF收號(hào)芯片進(jìn)行收號(hào)。FPGA將待收號(hào)話路的PCM信號(hào)送到當(dāng)前空閑的收號(hào)模塊。DTMF的接收由 MT8870完成， FPGA與MT8870之間，有一片MT8965（單通道語(yǔ)音編****芯片）,將FPGA送出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)由MT8870讀取。而交換過(guò)程的提示語(yǔ)音則選用ISD4004（語(yǔ)音錄放芯片，SPI控制），將其語(yǔ)音輸出接在MT8965的語(yǔ)音輸入端，再以PCM的編碼形式送入FPGA。每路DTMF 接收和語(yǔ)音送出均為固定時(shí)隙，交換控制在FPGA中完成。

(4) FPGA

FPGA作為核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)字交換、信號(hào)音產(chǎn)生及控制、收號(hào)控制、提示音控制、外線接口控制、時(shí)鐘產(chǎn)生等功能。為了與外圍器件配合，選用兼容5V接口的FPGA（如Altera的ACEX 1K）。詳細(xì)說(shuō)明在后面給出。

(5)MCU

MCU（這里選用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在內(nèi)的的靈活的用戶接口）負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的調(diào)度及流程控制。軟件設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)也將在后面進(jìn)行說(shuō)明。

二、PGA邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)的PCM信號(hào)（用戶語(yǔ)音、外線語(yǔ)音、提示語(yǔ)音3種語(yǔ)音的PCM編碼信號(hào)）需要處理和交換；電話所需的信號(hào)音（撥號(hào)、提示、忙等）需要產(chǎn)生；MCU雖然負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置控制，但它與器件之間還需要控制邏輯；同時(shí)，系統(tǒng)還需要特定的時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)。上述的這些功能，都由FPGA來(lái)完成。圖3是FPGA的頂層硬件框圖。

MCU對(duì)各功能塊的相關(guān)操作均通過(guò)以總線讀寫寄存器的方式進(jìn)行。

（1）總線控制（BUS-TRAN）

本功能塊將MCU的總線（高8位地址線和低8位數(shù)據(jù)地址復(fù)用線）轉(zhuǎn)換為分開(kāi)的地址與數(shù)據(jù)總線（以BUS表示）。

（2） SPI片選生成（SPI-/CS）

圖4中除/SS之外的信號(hào)均由MCU產(chǎn)生，只有/SS信號(hào)需要FPGA提供。通過(guò)對(duì)功能塊內(nèi)寄存器的寫操作，生成外圍器件的SPI-/SS信號(hào)。