基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的多功能通信卡的研制

杭州新大電子技術(shù)有限公司 邵甲強(qiáng) 李國(guó)建 陳浙明

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基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的多功能通信卡的研制

杭州新大電子技術(shù)有限公司 邵甲強(qiáng) 李國(guó)建 陳浙明

【摘要】文章詳細(xì)介紹了多功能通信卡六個(gè)組成單元的功能及應(yīng)用，指出了各單元電路中主要芯片的型號(hào)及生產(chǎn)廠家，指出了多功能通信卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間的接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)控制技算機(jī)；指揮調(diào)度；電話(huà)會(huì)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(huà)集成卡，它集成了數(shù)字程控交換網(wǎng)、支持R2/MFC中國(guó)1號(hào)信令和中國(guó)7號(hào)信令E1數(shù)字中繼接口、多路會(huì)議處理器、PCM數(shù)字語(yǔ)音錄放單元、二線(xiàn)環(huán)路接口等。它采用目前國(guó)際上先進(jìn)的專(zhuān)用芯片，配以特有的板卡定位技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)手段，使其穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性及應(yīng)用程序的可移植性在國(guó)內(nèi)同行處于領(lǐng)先水平。

該卡基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC），軟件在windows環(huán)境下并采用TCP/IP協(xié)議為用戶(hù)提供先進(jìn)可靠的電話(huà)增值服務(wù)。多功能通信卡和軟件的融合，可實(shí)現(xiàn)交互式電話(huà)會(huì)議系統(tǒng)、快速（應(yīng)急）指揮調(diào)度系統(tǒng)、電話(huà)廣播通信系統(tǒng)、語(yǔ)音通知系統(tǒng)、呼叫中心等。

1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介

工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是一種采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的工具總稱(chēng)。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)CPU、硬盤(pán)、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力、友好的人機(jī)界面。

它是基于PC總線(xiàn)的工業(yè)電腦。因其價(jià)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(shù)人員所熟悉和認(rèn)可，這正是工業(yè)電腦熱的基礎(chǔ)。其主要的組成部分為工業(yè)機(jī)箱、無(wú)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(jī)殼、機(jī)卡壓條過(guò)濾網(wǎng)，雙風(fēng)扇等設(shè)計(jì)及EMC（electromagneticco mpatibility）技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、震動(dòng)、灰塵、高/低溫等問(wèn)題。

IPC有以下特點(diǎn)：

可靠性：工業(yè)PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動(dòng)、腐蝕和快速診斷和可維護(hù)性，其MTTR（MeanTimetoRepair）一般為5min，MTTF10萬(wàn)小時(shí)以上，而普通PC的MTTF僅為10000～15000小時(shí)。

實(shí)時(shí)性：工業(yè)PC對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)與控制，對(duì)工作狀況的變化給予快速響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)（看門(mén)狗功能這是普通PC所不具有的），遇險(xiǎn)自復(fù)位，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

擴(kuò)充性：工業(yè)PC由于采用底板+CPU卡結(jié)構(gòu)，因而具有很強(qiáng)的輸入輸出功能，最多可擴(kuò)充20個(gè)板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種外設(shè)、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(wù)。

兼容性：能同時(shí)利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統(tǒng)，多種語(yǔ)言匯編，多任務(wù)操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)總線(xiàn)：ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）總線(xiàn)是由Intel公司、IEEE等制定的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)。它具有24根地址線(xiàn)，可尋址16MB，16位數(shù)據(jù)線(xiàn)，最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到16Mb/s。該總線(xiàn)從誕生起，歷經(jīng)286、386、486和Pentium幾代微機(jī)，至今仍在工控機(jī)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(shè)備集成卡，包括數(shù)字交換網(wǎng)、數(shù)字中繼、模擬中繼、信號(hào)收發(fā)器、會(huì)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(shí)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(gè)串行輸入通道和Sto0---Sto7八個(gè)串行輸出通道，每個(gè)通道上能承載2.048Mbit/s碼流，每一時(shí)隙即一路話(huà)音占用64kbit/s，因而2.048Mbit/s對(duì)應(yīng)著32個(gè)話(huà)路的語(yǔ)音信號(hào)的碼流。因此該電路能實(shí)現(xiàn)8個(gè)PCM共256路（8X32）任意2路之間的語(yǔ)音信息交換?？煽闯啥喙δ芸ǖ暮诵幕驑屑~。

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(huà)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)小電話(huà)交換機(jī)PBX上，提供一個(gè)數(shù)字物理通道和交換機(jī)數(shù)字中繼接口，使用戶(hù)與公眾電話(huà)網(wǎng)上的用戶(hù)可以進(jìn)行話(huà)音等信息的互通。也指利用數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。它的主要作用是向用戶(hù)提供永久性和半永久性連接的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸信道，既可用于計(jì)算機(jī)之間的通信，也可用于傳送數(shù)字化傳真，數(shù)字話(huà)音，數(shù)字圖像信號(hào)或其它數(shù)字化信號(hào)。

電信局提供的語(yǔ)音服務(wù)，數(shù)字線(xiàn)路速率大小2.048Mb/s。接入ISDN網(wǎng)后可以直接使用電話(huà)機(jī)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(shí)說(shuō)的是同一種中繼線(xiàn)，這種中繼線(xiàn)在形態(tài)上與模擬線(xiàn)有較大的不同，通常是先光纖到達(dá)公司機(jī)房，然后由光端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，一對(duì)同軸電纜也就是一根PRI，也就是一根數(shù)字中繼，雖然說(shuō)是一根，但是卻能同時(shí)支持30路電話(huà)同時(shí)呼入呼出、同時(shí)辦公，相當(dāng)于30路模擬中繼。

MT9075電路接口是一種可編程器件，通過(guò)對(duì)其控制寄存器寫(xiě)入指令，可支持中國(guó)一號(hào)信令NO1和七號(hào)信令NO7等。交互式電話(huà)會(huì)議，應(yīng)急指揮電話(huà)系統(tǒng)一般使用此種中繼線(xiàn)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(chēng)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(diǎn)是增益可調(diào)，具備掛機(jī)傳輸功能。這里的模擬中繼（Analog trunk），就是家里的那種固定電話(huà)線(xiàn)，即為模擬線(xiàn)。

模擬中繼一般指的是環(huán)路中繼，也就是電信放號(hào)給小型公司總機(jī)使用的。我們可以把其暫時(shí)理解為，對(duì)端給了我們N個(gè)電話(huà)線(xiàn)，我們把這些線(xiàn)接到公司總機(jī)的環(huán)路中繼板上去。

現(xiàn)實(shí)模擬中繼可以理解為將若干個(gè)市話(huà)號(hào)碼捆綁到一個(gè)號(hào)碼，這個(gè)號(hào)碼稱(chēng)之為“引示號(hào)”，當(dāng)客戶(hù)打“引示號(hào)”時(shí)，如占線(xiàn)，就自動(dòng)跳到空閑的號(hào)碼上，來(lái)達(dá)到不占線(xiàn)的功能的一種電信業(yè)務(wù)。

例如，公司要申請(qǐng)4個(gè)模擬中繼，這4個(gè)線(xiàn)在手機(jī)或來(lái)電顯示器上顯示的都是A，其實(shí)可能是由B，C，D，E這4根線(xiàn)組成，電信局從中間選定了一個(gè)A的吉利號(hào)，讓這4個(gè)線(xiàn)打出去強(qiáng)制顯示為A打的。

2.4 MFC/DTMF信號(hào)收發(fā)器

該器件（型號(hào)：SEED-MF-B）是北京合眾達(dá)公司真對(duì)電話(huà)交換機(jī)數(shù)字中繼對(duì)接互聯(lián)，中國(guó)一號(hào)信令完成多頻互控部分而開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，配合MT9075完成整個(gè)中國(guó)一號(hào)信令的電話(huà)呼叫接續(xù)過(guò)程。在電話(huà)應(yīng)用過(guò)程中可接收或發(fā)送雙音頻信號(hào)，如呼叫中心用來(lái)接收電話(huà)用戶(hù)選擇的雙音頻按鍵號(hào)碼等。

2.5 會(huì)議處理器芯片M34116

M34116是湯姆遜生產(chǎn)的專(zhuān)用會(huì)議信號(hào)處理芯片，可匯接1---64路電話(huà)組成最多達(dá)29組會(huì)議。各通路電平增益可動(dòng)態(tài)編程調(diào)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(duì)應(yīng)相接，值得注意的是M34116的時(shí)鐘（CLOCK）和交換網(wǎng)MT8980D的4M時(shí)鐘是反向的，引接時(shí)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(zhuān)用電路，把METEL公司的器件通用的ST-BUS總線(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成二進(jìn)制/十六進(jìn)制編碼。把模擬的聲音變成用數(shù)字來(lái)表達(dá)的過(guò)程叫抽樣，抽樣是把模擬信號(hào)以其信號(hào)帶寬2倍以上的頻率提取樣值，變?yōu)樵跁r(shí)間軸上離散的抽樣信號(hào)的過(guò)程。例如，話(huà)音信號(hào)帶寬被限制在0.3～3.4kHz內(nèi)，用 8kHz的抽樣頻率（fs），就可獲得能取代原來(lái)連續(xù)話(huà)音信號(hào)的抽樣信號(hào)。對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行檢波和平滑濾波，即可還原出原來(lái)的模擬信號(hào)。

話(huà)音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個(gè)量化樣值對(duì)應(yīng)一個(gè)8位二進(jìn)制碼，故話(huà)音數(shù)字編碼信號(hào)的速率為8bits×8kHz=64kb/s，我們現(xiàn)在說(shuō)的數(shù)字中繼就是一條PCM，也稱(chēng)一個(gè)2M，它包括32個(gè)時(shí)隙，64kb/sX32=2048kb/s=2M。

通過(guò)MT8920，計(jì)算機(jī)一條指令就可讀出一個(gè)話(huà)路的話(huà)音的數(shù)據(jù)，同理也可以通過(guò)寫(xiě)指令把數(shù)據(jù)變成話(huà)音。以上過(guò)程就是電話(huà)通信的錄音/放音。

圖1 多功能卡電路結(jié)構(gòu)圖（圖中虛線(xiàn)為PCM總線(xiàn)）

3 多功能通信卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間的接口設(shè)計(jì)

本板卡組成的六部分都和工控機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)ISA/PCI連接，接受計(jì)算機(jī)指令控制。他們之間通過(guò)PCM總線(xiàn)連接傳送信號(hào)和話(huà)音數(shù)據(jù)，其中數(shù)字交換網(wǎng)MT8980通過(guò)PCM連接其余五個(gè)部分并負(fù)責(zé)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(duì)外連接，分別接電信網(wǎng)的數(shù)字中繼和普通電話(huà)線(xiàn)。MFC/DTMF信號(hào)收發(fā)器、會(huì)議處理器M34116及數(shù)字錄/放音電路MT8920為卡內(nèi)資源，分別完成信令接續(xù)、多路電話(huà)語(yǔ)音匯接和錄音/放音等功能（見(jiàn)圖1）。

3.1 地址分配及控制

電路芯片引腳分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)等，數(shù)據(jù)線(xiàn)一般8位或16位是高阻并接的，可以把每個(gè)電路芯片的數(shù)據(jù)線(xiàn)引腳接在一起，地址線(xiàn)根據(jù)分配的端口范圍和讀（/RD）寫(xiě)（/WR）等控制線(xiàn)經(jīng)過(guò)邏輯電路編碼來(lái)控制每個(gè)電路芯片的片選端（/CS）。根據(jù)計(jì)算機(jī)指令中的讀寫(xiě)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(jì)算機(jī)或由計(jì)算機(jī)寫(xiě)入該電路的寄存器。

3.2 電路板（PCB）設(shè)計(jì)制作

在PCB制作過(guò)程中，選用各電路的貼片封裝，節(jié)省電路板面積。

3.3 編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)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(xiě)人員提供這些硬件電路的執(zhí)行動(dòng)作函數(shù)，也叫驅(qū)動(dòng)程序。上層軟件一般用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，如VisualBasic、VisualC++、VisualFoxpro、Delphi等，電路是無(wú)法識(shí)別這些高級(jí)語(yǔ)言的，要真對(duì)這些功能電路器件編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)或函數(shù)。

對(duì)應(yīng)數(shù)字交換網(wǎng)MT8980電路的驅(qū)動(dòng)程序要給出需要交換的2電路（時(shí)隙）參數(shù)。

對(duì)應(yīng)會(huì)議處理器M34116要給出組成會(huì)議各電路參數(shù)。

3.4 調(diào)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(jì)算機(jī)總線(xiàn)插槽里進(jìn)行調(diào)試，計(jì)算機(jī)DOS系統(tǒng)直接支持對(duì)地址端口的輸入（I）和輸出（O）命令，我們可利用其對(duì)電路卡進(jìn)行調(diào)測(cè)，并且可以做到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，方便發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)解決問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

多功能通信卡是我們積多年從事程控電話(huà)交換機(jī)、數(shù)字調(diào)度機(jī)、交互式電話(huà)會(huì)議系統(tǒng)、DF2000會(huì)議調(diào)度終端機(jī)、信令處理設(shè)備等研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，提出并開(kāi)發(fā)成功的一種先進(jìn)的通信標(biāo)準(zhǔn)卡。龐大復(fù)雜的電話(huà)通信設(shè)備一般由多種插板組成，并且單個(gè)插板的CPU大多為各種類(lèi)型的單片機(jī)。我們采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和ISA/PCI標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)卡是一種濃縮的通信卡，其強(qiáng)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(yǔ)音導(dǎo)航及錄放音等，單片機(jī)不具備這個(gè)能力。該卡已在企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度，電話(huà)會(huì)議等通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，性能穩(wěn)定，可靠性高。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

邵甲強(qiáng)（1963-），男，浙江人，碩士，工程師，研究方向：企業(yè)綜合通信平臺(tái)。