基于CAN總線的船用數字程控交換機的軟硬件設計＊

（92236部隊 湛江 524002）

1 引言

艦船裝備的某型交換機是采用脈沖幅度調制（PAM）的全電子式自動電話交換機，整機笨重且體積較大，抗干擾性能差，功能少，系統設計復雜，整機故障率高，可維護性差，容易受到其他電子設備的干擾，功能單一，但它是艦船內部通信系統的核心設備，其可靠性和穩定性直接影響著艦船的內部指揮通信的質量，為克服該型交換機的缺陷，我們設計新的交換系統來代替它。設計的數字程控交換機選用CAN 總線作為處理器之間的通信總線，為一種小容量交換機，最大容量為128門，適用于中、小型艦艇，與自動電話機配合不僅能提供原有模擬交換機無法達到的良好語音通信頻響、良好的抗串音性能，而且在其他大功率電子設備、強電磁干擾設備、大功率廣播設備、動力電源設備切換等聯動時，系統控制及語音通信性能幾乎不受干擾；實踐表明，研制的系統在系統抗干擾性能、語音通信質量、可靠性等重要參數、指標上大大優于原有交換機。

2 基于CAN 控制器的程控交換機的整體構成

我們設計的數字程控交換機采用了分布式多處理機控制方式，每個單元模塊都有一個高性能的處理機，這樣就使各處理機的任務比較單一，負荷量小，因而處理機的穩定性也大幅度提高。模塊化的硬件結構，靈活的整機配置，無阻塞的時分交換網絡，以及高度模塊化的軟件結構，這些都使系統具有較高的可靠性及可維護性。系統中各用戶單元和中繼單元的處理機完成接口電路的實時處理，中央控制單元模塊處理機（MPU）實現單元內部及與用戶、中繼單元之間的協調和調度管理處理；各用戶、中繼單元與中央控制單元之間采用CAN 總線連接，完成處理機之間的通信。系統組成總體框圖如圖1所示。

系統中的中央控制單元和每一個用戶單元及中繼單元都是CAN 網絡的一個節點，每個節點都由單片機、CAN 控制器、CAN 收發器來完成其通信部分的功能。如圖2所示。單片機主要用于系統的計算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統的通信；CAN 收發器主要用于增強系統的驅動能力。系統中各單元之間通信的工作原理為：用戶單元和中繼單元的控制器對本單元各用戶回路和中繼環路的狀態進行掃描檢測，將所得數據按照CAN 總線協議標準處理后發送到中央控制單元；中央控制單元接受到其他單元上傳的數據，根據系統軟件預先設定的控制程序向各單元發送控制命令，由各單元單片機對用戶回路或中繼環路進行實時控制［1～9］。

圖2 系統通信組成原理圖

3 硬件電路設計

3.1 整機控制中心的設計

CPU 板是整機的控制中心。作為整機的中央處理單元，主要完成系統的主處理控制功能、話音的無阻塞數字交換、處理機通信接口等功能；它的功能模塊主要有：處理器模塊、交換網絡、CAN 總線接口、會議和信號音模塊、PCM基準時鐘模塊、4路中繼接口、4路雙音頻收號器和廣播接口模塊?？刂艭PU 為高性能的DS80C320處理機［2～4］，系統程序存放在EPROM 中，系統參數存放在RAM 中。CAN總線控制器采用PHILIPS公司新生產的既支持CAN2.0B通信協議又支持CAN2.0A通信協議的SJA1000。它與僅支持CAN2.0A通信協議的CAN 控制器PCA82C200在硬、軟件上完全兼容。CAN 總線收發器采用PCA82C250，它提供對總線的差動發送和接收能力。

3.2 用戶接口板及CAN 總線網絡節點的設計

用戶接口板功能相對比較簡單，從電路的功能上可以分為由89C52單片機構成的處理器部分、CAN 總線接口部分、用戶電路部分以及PCM 定時電路部分。用戶單元完成數字交換機用戶接口電路的“饋電”、“過壓保護”、“振鈴控制”、“狀態檢測”、“編譯碼”、“二／四線變換”及“測試控制”等七種功能。用戶電路設計采用Mitel公司MH89625C高集成度專用用戶芯片［5］，結合其它一些分離元件構成用戶接口。中繼單元完成2-4線轉換，環路狀態檢測、雙音多頻接收與發送，系統自動測試鏈路等功能。這兩種單元中的微處理器采用ATMEL公司生產的AT89C52單片機［6］，其片內的8K EEPROM 用來存放本單元的控制程序。CAN 總線控制器和CAN 總線收發器仍選用SJA1000 和PCA82C250，控制CAN 總線的數據交換。

系統工作時，用戶單元和中繼單元的控制程序對本單元中的用戶和中繼的狀態進行不斷地掃描［7］，并由處理器89C52控制CAN 總線控制器把所得數據發送至CAN 總線，由中央控制單元接收。中央控制單元CAN 總線控制器從CAN 總線接收到所有用戶單元及中繼單元的狀態信息，以中斷方式通知CPU—80C320。CPU 收到中斷信號后，將數據存入RAM，系統程序對數據進行分析后就可以知道用戶回路和中繼環路的狀態改變，從而對各用戶和中繼進行相應的處理，并將相應的控制命令通過CAN 總線控制器發送到CAN 總線上。用戶單元及中繼單元接收到中央控制單元發給本節點的控制命令后，CAN 總線控制器也以中斷方式通知處理器89C52，處理器根據控制命令對用戶或中繼做出相應的控制［8］。

3.3 電源設計

系統的電源全部應用模塊化開關電源設計，開關電源具有重量輕、體積小、效率高、穩壓精度高等優點。交換機電源由一次電源和二次電源兩部分組成。一次電源將交流220V 變換成直流24V，該部分直接采購模塊化的開關電源。二次電源將直流24V 轉換為＋5V、-5V、-48V 以及交流75V、25Hz。其次為了適應艦船設備通常采用交流220V 和直流24V 雙電源供電的要求，二次電源還完成交流電源與直流電源之間的不間斷自動轉換的功能。

4 系統軟件設計

遵照軟件工程的思想來設計軟件系統。采用結構化或模塊化設計方法，對系統的需求分析、概念設計、模塊設計、代碼生成、模塊的測試和驗收進行合理的劃分和組織，以提高軟件的生產效率和質量。同時考慮到需求的不確定性，對系統的開發平臺和開發工具、系統數據和代碼的封裝、代碼的可重用性、系統模塊互連的接口等具體實現細節進行了一系列的規定，使得整個軟件系統結構靈活，層次清晰，具有很好的可擴展性和可維護性。

4.1 系統的需求分析

程控交換機程序的任務簡單來講就是完成用戶的呼叫處理。一次呼叫的過程一般總是處在某種相對穩定的狀態中。只有在發生了某種事件從而產生了某種輸入信號以后才促使它必須執行一定的任務和處理，將狀態轉移到另一個相對穩定的狀態中。在穩定狀態之間的轉移首先是由某種時間觸發啟動的。在程控交換機來說，事件一般主要有下列幾種：

1）由用戶發出的信號，諸如摘、掛機，撥號號碼信號以及拍叉簧等；

2）由中繼線上輸入的各種信號；

3）監視定時器的時限到達；

4）處理機之間或程序之間的通信信號到達或數據傳遞也是產生狀態的事件之一。

上述這些類型的事件，都是軟件的某種輸入信息。系統軟件首先進行信息識別，登記受理等初步接受性質的工作，隨后進行分析處理，針對輸入信息和有關數據，確定可能會轉到何種狀態以及下一步可能涉及哪些硬件設備。然后是任務執行前處理，即準備必要的硬件資源，擬定下一步的狀態，編制各項動作命令。在任務執行前處理后，將有關的動作或寫入命令發往有關設備，或者由某種周期程序執行輸出。最后在任務執行完后將硬件資源釋放，啟動定時器進行新的監視計時。

完成上述控制功能的程序由多種執行一定功能的子程序組成，以適應多種不同的處理要求。這些處理要求有的時間性要求嚴格，有的實時要求不嚴格，各種任務存在的這種輕重緩急的屬性，要求交換機事先對各種程序規定其優先級，然后在運行時，嚴格按優先級安排任務的執行順序。為了保證在運行過程中，高優先級任務有可能優先執行，這時系統采用多級中斷方式［12］。

4.2 系統的結構組成

艦用數字程控交換機的軟件系統具有分層的模塊化結構，軟件系統主要由端口處理子系統、呼叫處理子系統以及外圍終端子系統組成。各軟件子系統分布在多處理機中，以系統處理器為中心有機地構成一體，均采用分層、模塊化結構進行設計。軟件系統中的操作系統采用MCS-51匯編語言編程，各子系統采用PL／M-51高級語言編程。

1）端口處理子系統：主要完成用戶電路、中繼電路、DTMF接收器、測試電路等接口電路的掃描、信號檢測、信號接收和發送以及電路驅動等功能，同時將合法事件報告呼叫處理子系統，接收器處理來自呼叫處理子系統的命令。

2）呼叫處理子系統：該子系統按照有限信息機（FSM Finite State Machine）原理設計實現，根據端口處理子系統送來的端口級事件（用戶線、中繼、DTMF）進行號碼預譯和分析、接續路由選擇、公共資源分配、向端口處理子系統發送控制命令、以及向外圍終端傳送呼叫信息等。每個子系統的模塊分別完成局內呼叫、出局及特服呼叫、新業務功能等。增加新功能時，可增加新的模塊，而不影響其他模塊。各個模塊在一個實時、多任務操作系統的控制、調度下完成呼叫處理功能。該子系統具有與端口處理子系統和外圍終端子系統的接口。

3）外圍終端子系統：包含話務臺、數據維護、系統測試與監視等若干模塊。用戶數據的各種修改可在不影響呼叫接續的情況下，通過人機界面輸入信息，經過編程話機傳遞給交換機。

5 結語

詳細闡述了基于CAN 總線的船用數字程控交換機系統的軟硬件設計：程控交換機的整體構成、硬件電路設計、系統軟件設計。該系統將CAN 總線應用于船用數字式程控交換機，開辟了CAN 總線應用的新領域。該系統已形成產品，經過一系列的調試和改善后，交換機運行穩定，各項技術指標均達到預定目標。因此，本文所提出的程控交換機設計方案能很好地滿足艦船的使用要求。

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