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摘 要：本文提出了一种基于FPGA的数字交换机的实现方案。方案中利用FPGA对PCM信号进行处理，在FPGA内实现了话路交换、控制接口、时钟信号与信号音产生等主要功能，大大简化了硬件电路，并且较之传统方案具有明显优越的可扩展性。
关键词：数字交换系统；现场可编程门阵列；设计
专用交换机过于强大专业的功能，以及昂贵的价格，并非小型建网的理想选择；同时，传统的PBX的模拟交换方式存在着失真大、欠灵活以及随规模增大而复杂度剧增的不足。本文提出的方案，有别于常用PBX的模拟交换，是一种适用于一定规模局域网的数字交换机。FPGA的使用在保证了性能提高的同时，在复杂度和扩展性方面也有了明显的改进。
一 、系统结构
本系统实现了带有16路内线电话、同时具备4路外线接口的数字交换机，系统结构如图1。
（1）用户接口及PCM编码部分
用户接口电路选用IDT公司的821611芯片，该芯片与编码芯片IDT821034配合良好。用户线各对应一片821611，四路用户接入一片 821034（可调增益的四路PCM编码芯片），最终4片821034的PCM信号（16路）一起挂接在PCM总线上，送入FPGA。要注意的是， 821034采用的类似SPI (Serial Peripheral Interface)的串行控制接口，使我们能采用带SPI的单片机（例如，Analog公司的Aduc812），很方便地实现对多片IDT821034 的控制。
（2）外线接口
外线接口一部分负责外线的铃流检测和变压器(仅通过语音)接入。铃流检测采用了SGS公司的 LS1240。每当铃流进入，向FPGA送出高电平，从而测知外线的呼入。另一部分为与内线中的SLIC和CODEC类似的语音编****部分，负责将交换后的数字信号转为语音送到外线（或者将外线语音及DTMF编码后送入FPGA）。
(3) DTMF接收及提示语音产生
系统中，20路电话（含4路外线）复用4路DTMF收号芯片进行收号。FPGA将待收号话路的PCM信号送到当前空闲的收号模块。DTMF的接收由 MT8870完成， FPGA与MT8870之间，有一片MT8965（单通道语音编****芯片）,将FPGA送出数字信号转为模拟信号由MT8870读取。而交换过程的提示语音则选用ISD4004（语音录放芯片，SPI控制），将其语音输出接在MT8965的语音输入端，再以PCM的编码形式送入FPGA。每路DTMF 接收和语音送出均为固定时隙，交换控制在FPGA中完成。
(4) FPGA
FPGA作为核心部分，负责数字交换、信号音产生及控制、收号控制、提示音控制、外线接口控制、时钟产生等功能。为了与外围器件配合，选用兼容5V接口的FPGA（如Altera的ACEX 1K）。详细说明在后面给出。
(5)MCU
MCU（这里选用Analog公司的Aduc812，具有包括SPI在内的的灵活的用户接口）负责整个系统运行过程的调度及流程控制。软件设计的一些细节也将在后面进行说明。
二、PGA逻辑设计
系统内的PCM信号（用户语音、外线语音、提示语音3种语音的PCM编码信号）需要处理和交换；电话所需的信号音（拨号、提示、忙等）需要产生；MCU虽然负责整个系统的配置控制，但它与器件之间还需要控制逻辑；同时，系统还需要特定的时钟和定时信号。上述的这些功能，都由FPGA来完成。图3是FPGA的顶层硬件框图。
MCU对各功能块的相关操作均通过以总线读写寄存器的方式进行。
（1）总线控制（BUS-TRAN）
本功能块将MCU的总线（高8位地址线和低8位数据地址复用线）转换为分开的地址与数据总线（以BUS表示）。
（2） SPI片选生成（SPI-/CS）
图4中除/SS之外的信号均由MCU产生，只有/SS信号需要FPGA提供。通过对功能块内寄存器的写操作，生成外围器件的SPI-/SS信号。
