Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN

Trong số các thiết bị điều khiển từ xa phục vụ cho mục đích dân dụng thì những thiết bị được điều khiển thông qua mạng điện thoại công cộng PSTN hiện đang được sử dụng khá phổ biến vì tí

MỤC LỤC

Danh sách các hình vẽ iv

Danh sách các bảng vi

Danh sách các chữ viết tắt vii

MỞ ĐẦU 1

GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1. Phân loại thiết bị điều khiển từ xa theo đường truyền 2

1.1 1.1.1 Điều khiển từ xa vô tuyến 2

1.1.2 Điều khiển từ xa hữu tuyến 2

Nội dung đề tài 3

1.2 1.2.1 Mục đích báo động tự động 3

1.2.2 Mục đích điều khiển thiết bị, hệ thống điện 4

Phương án thiết kế 4

1.3 1.3.1 Phương án 1: Sử dụng module điện thoại di động để nhận tín hiệu điều khiển từ một điện thoại khác (cố định hoặc di động) 4

1.3.2 Phương án 2: Dùng vi điều khiển với tín hiệu phản hồi và phát đi tiếng nói từ IC thu, phát tiếng nói 5

1.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế 6

TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐÀI VÀ MÁY ĐIỆN CHƯƠNG 2 THOẠI Giới thiệu tổng quan về tổng đài điện thoại 7

2.1 2.1.1 Định nghĩa về tổng đài 7

2.1.2 Chức năng của tổng đài 7

2.1.3 Phân loại tổng đài 8

2.1.4 Các âm hiệu 9

2.1.5 Trung kế 12

Giới thiệu tổng quan về máy điện thoại 13

2.2 2.2.1 Giới thiệu 13

2.2.2 Chức năng của máy điện thoại 14

2.2.3 Các thông số liên quan 15

2.2.4 Nguyên lý thông tin điện thoại 16

2.2.5 Quay số 17

2.2.6 Kết nối thuê bao 18

Phương thức hoạt động giữa tổng đài và máy điện thoại 19

2.3 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động 19

2.3.2 Qui trình vận hành của hệ mạch điện thoại để bàn 21

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG 3. Giới thiệu các IC quan trọng 23

3.1 3.1.1 Vi điều khiển PIC 23

3.1.2 IC thu phát DTMF MT8880 25

3.1.3 IC thu phát âm thanh ISD1420 38

Sơ đồ khối của hệ thống 45

3.2 3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 45

3.2.2 Mô tả nhiệm vụ từng khối 45

3.2.3 Liên hệ giữa các khối 47

Thiết kế phần cứng cho từng khối trong hệ thống 48

3.3 3.3.1 Khối cảm biến chuông 48

3.3.2 Khối kết nối thuê bao 51

3.3.3 Khối phát tiếng nói 54

3.3.4 Khối điều khiển thiết bị 58

3.3.5 Khối cảm biến hồng ngoại 59

3.3.6 Khối thu phát tín hiệu DTMF 61

Thiết kế phần mềm 63

3.4 3.4.1 Lưu đồ chương trình chính 63

3.4.2 Chương trình chờ và nhận lệnh điều khiển 64

3.4.3 Chương trình thông báo trạng thái từng thiết bị 65

3.4.4 Chương trình con khởi tạo MT8880 66

3.4.5 Hai quá trình Truyền và Nhận của MT8880 69

3.4.6 Kết quả 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

Tài liệu tham khảo 73

Danh sách các hình vẽ

Hình 1-1: Điện thoại di động Ericsson T28 5

Hình 1-2: Main GSM Module Sim548 với vị trí 2 chân Tx và Rx 5

Hình 1-3: Mô hình ý tưởng hệ thống điều khiển qua mạng điện thoại cố định 6

Hình 2-1: Dạng sóng tín hiệu chuông 9

Hình 2-2: Dạng sóng tín hiệu mời quay số 10

Hình 2-3: Dạng sóng tín hiệu báo bận 11

Hình 2-4: Dạng sóng tín hiệu hồi tiếp 11

Hình 2-5: Dạng sóng tín hiệu đảo cực 12

Hình 2-6: Trung kế 12

Hình 2-7: Trung kế CO - line 12

Hình 2-8: Trung kế hai chiều 13

Hình 2-9: Sơ đồ qui trình vận hành điện thoại bàn 21

Hình 3-1: Sơ đồ chân MT8880 loại 20 chân 25

Hình 3-2: Cấu hình đầu vào vi sai 27

Hình 3-3: Mạch Steering cơ bản 29

Hình 3-4: Hai tín hiệu hình Sin kết hợp thành dạng tín hiệu DTMF Tone là số "1" 32

Hình 3-5: Cách kết nối MT8880 với thạch anh 33

Hình 3-6: Hai quá trình Phát (bên trái) và Thu (bên phải) theo lưu đồ giải thuật 37

Hình 3-7: Sơ đồ chân ISD1420 38

Hình 3-8: Sơ đồ các khối chức năng của mạch điều khiển 45

Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến chuông 48

Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối thuê bao 51

Hình 3-11: Sơ đồ nguyên lý khối phát tiếng nói trong hệ thống 54

Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý mạch thu và phát tiếng nói 55

Hình 3-13: Giản đồ quá trình thu một thông điệp của ISD1420 56

Hình 3-14: Giản đồ quá trình phát một thông điệp ISD1420 57

Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển thiết bị 58

Hình 3-16: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến hồng ngoại 59

Hình 3-17: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát tín hiệu DTMF 61

Hình 3-18:Lưu đồ của chương trình chính 63

Hình 3-19: Chương trình con chờ nhận lệnh điều khiển tắt hoặc mở 64

Hình 3-20: Chương trình con thông báo trạng thái thiết bị 65

Hình 3-21: Chương trình khởi tạo MT8880 66

Hình 3-22: Hai quá trình phát và nhận của MT8880 69

Hình 3-23: Dạng tín hiệu DTMF của số “1” 71

Hình 3-24: Dạng tín hiệu DTMF của số “2” 71

Danh sách các bảng

Bảng 2-1: Bảng các thông số của mạch thuê bao điện thoại 16

Bảng 2-2: Phân loại tần số tín hiệu Tone 17

Bảng 2-3: Các tín hiệu thường nghe thấy trên đường dây điện thoại để bàn 22

Bảng 3-1: Giải thích chức năng từng chân MT8880 25

Bảng 3-2: Bảng mã hóa chức năng 31

Bảng 3-3: Chức năng thanh ghi nội MT8880 34

Bảng 3-4: Thanh ghi điều khiển A - CRA MT8880 34

Bảng 3-5: Thanh ghi điều khiển B - CRB MT8880 35

Bảng 3-6: Chức năng thanh ghi trạng thái MT8880 36

Bảng 3-7: Giải thích chức năng từng chân ISD1400 40

Bảng 3-8: Các chế độ hoạt động ISD1400 44

Danh sách các chữ viết tắt

DTMF - Dual Tone Multi Frequence

PSTN - Public Switched Telephone Network

MỞ ĐẦU

Đất nước ta hiện đang trên đà phát triển và hội nhập với nền kinh tế thế giới Bên cạch các ngành nông nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp… thì ngành công nghiệp cũng ngày càng phát triển mạnh mẽ và đóng góp rất nhiều cho nền kinh tế của đất nước Với

sự phát triển của nền công nghiệp thì các thiết bị, máy móc cũng ngày càng phát triển tinh vi hơn, hiện đại và phức tạp hơn và đặc biệt là không thể thiếu được các thiết bị điều khiển, giám sát từ xa để giúp cho việc hiện đại hóa, tự động hóa các thiết bị máy

móc này

Trong công nghiệp, tại các lò phản ứng, các nhà máy hay ở những nơi có mức độ nguy hiểm cao mà con người không thể tiếp cận điều khiển được, chúng ta sẽ phải cần đến các thiết bị điều khiển từ xa và giám sát các hoạt động hệ thống Trong công cuộc nghiên cứu vũ trụ, các thiết bị điều khiển từ xa cũng được sử dụng trong các phi

thuyền không người lái, các tàu do thám không gian, các thiết bị tự hành

Các thiết bị điều khiển từ xa không chỉ phục vụ cho công nghiệp, quân sự hay nghiên cứu khoa học mà nó còn đóng góp một phần nhỏ vào phục vụ cho nhu cầu cuộc sống hàng ngày của chúng ta Trong số các thiết bị điều khiển từ xa phục vụ cho mục đích dân dụng thì những thiết bị được điều khiển thông qua mạng điện thoại công cộng PSTN hiện đang được sử dụng khá phổ biến vì tính thuận tiện của nó cũng như nhờ vào sự phát triển rộng khắp của mạng điện thoại này

Chính vì những ứng dụng quan trọng của các thiết bị điều khiển từ xa qua mạng

PSTN mà tôi đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN” để thực hiện đồ án tốt nghiệp

của mình

GIỚI THIỆU CHUNG

CHƯƠNG 1.

Phân loại thiết bị điều khiển từ xa theo đường truyền 1.1.

Để phân loại các thiết bị điều kiển từ xa thì có khác nhiều phương pháp phân loại

và cũng chưa có một tiêu chuẩn cụ thể nào trong việc phân loại này Tuy nhiên nếu phân loại theo đường truyền tín hiệu giao tiếp giữa các thiết bị thì ta có thể phân chia các thiết bị điều khiển từ xa theo hai hướng sau

1.1.1 Điều khiển từ xa vô tuyến

Các thiết bị điều khiển thuộc loại này sẽ thực hiện việc truyền các tín hiệu giao tiếp thông qua một môi trường không có dây dẫn Môi trường truyền có thể là chân không hoặc không khí và tín hiệu giao tiếp có thể là sóng vô tuyến, sóng âm thanh hoặc là ánh sáng… Với các tín hiệu giao tiếp là ánh sáng hoặc sóng âm thanh thì khoảng cách giao tiếp giữa các thiết bị là tương đối nhỏ, phù hợp với các ứng dụng điều khiển trong gia đình (như điều khiển các thiết bị điện gia dụng, TV, tủ lạnh…) Với các thiết bị sử dụng tín hiệu sóng vô tuyến để giao tiếp thì ta có thể tiến hành điều khiển, giám sát ở các khoảng các lớn, phù hợp với các yêu cầu điều khiển của công nghiệp, quốc phòng hoặc hàng không vũ trụ Tuy nhiên những thiết bị này sẽ có giá

thành cao và khó có thể ứng dụng được ngay cho đời sống hằng ngày

1.1.2 Điều khiển từ xa hữu tuyến

Với các thiết bị dạng này thì ta có thể truyền các tín hiệu giao tiếp thông qua các môi trường truyền dẫn là các dây dẫn kim loại hoặc phi kim Tín hiệu truyền dẫn chủ yếu sẽ là các tín hiệu điện, hoặc trong một số trường hợp là tín hiệu quang đối với dẫn dẫn là các sợi quang Đặc biệt, với dạng điều khiển này ta có thể sử dụng đường truyền của mạng điện thoại công cộng để tiến hành điều khiển các thiết bị từ xa Với ưu điểm

là sự phát triển rộng khắp của mạng lưới điện thoại cũng như sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị đầu cuối đến từng gia đình người sử dụng thì phương pháp điều khiển thông qua mạng điện thoại đang là một sự lựa chọn tối ưu về giá cả, hiệu năng cũng như khoảng cách điều khiển đối với bài toán điều khiển các thiết bị dân dụng trong đời sống hàng ngày

Với các yêu cầu điều khiển thông thường trong cuộc sống thì phương thức điều

khiển thông qua mạng điện thoại PSTN sẽ chủ yếu bao gồm hai kiểu thiết bị như sau:

 “Thiết bị điều khiển các hệ thống điện từ xa thông qua mạng điện thoại”

giúp ta điều khiển các thiết bị điện gia dụng khi không có ai ở nhà hoặc điều khiển một hệ thống dây chuyền sản xuất tự động mà không cần sự can thiệp của con người Đây là một thiết bị được gắn vào đường dây điện thoại và khi người sử dụng quay số điện thoại đến và gởi mã lệnh đóng hay ngắt hệ thống thì thiết bị này sẽ giải mã tín hiệu và phát ra các điều khiển chấp hành Khi

đã thực hiện xong lệnh vừa nhận được thì thiết bị sẽ gởi tín hiệu phản hồi để thông báo cho người sử dụng biết về tiến trình chấp hành của lệnh vừa được đưa ra

 “Thiết bị báo động tự động thông qua mạng điện thoại” là một thiết bị

giám sát tư động các hệ thống điện, hệ thống cảnh báo, hệ thống dây chuyền sản xuất… theo các tiêu chuẩn được đặt ra từ đầu bởi người sử dụng Nếu có một sự cố xảy ra trái với các tiêu chuẩn đặt ra thì thiết bị sẽ tự động quay số đến một số điện thoại đã định trước để thông báo về trạng thái hiện tại của hệ thống đó

Nội dung đề tài 1.2.

Với mục đích thiết kế một hệ thống điều khiển tự động đầy đủ và hoàn chỉnh thông qua mạng điện thoại PSTN thì đồ án này đặt ra mục tiêu là tìm hiểu và thiết kế một hệ thống điều khiển và báo động tự động với những đặc điểm chính như sau:

1.2.1 Mục đích báo động tự động

Khi có một thông báo từ mạch giám sát (chống trộm, báo cháy…), mạch sẽ tự động gọi đến một số thuê bao được thiết lập sẵn trong bộ nhớ của mạch Mạch sẽ giám sát quá trình thiết lập cuộc gọi và nếu thuê bao được gọi nhấc máy, mạch sẽ phát một đoạn thông báo bằng giọng nói được lưu sẵn để thông báo về tình trạng của hệ thống cho thuê bao được biết

1.2.2 Mục đích điều khiển thiết bị, hệ thống điện

Để điều khiển các thiết bị, đầu tiên người điều khiển phải gọi đến số máy điện thoại đã được lắp đặt thiết bị điều khiển Điện thoại được gọi sẽ được mắc song song một thiết bị điều khiển vào đường dây điện thoại Hệ thống cần điều khiển sẽ được mắc với thiết bị điều khiển này Sau một số hồi chuông đã được qui định sẵn, nếu không có ai nhấc máy thì thiết bị sẽ tự động điều khiển đóng tải giả để kết nối thuê bao Sau khi kết nối, người điều khiển sẽ nghe câu thông báo, chẳng hạn như: “Đây là

hệ thống báo trộm và điều khiển thiết bị bằng điện thoại Xin mời nhấn phím *” Tiếp theo, khi người sử dụng sẽ nhấn phím “*”thì thiết bị sẽ đưa ra câu thông báo: “Xin mời nhập mã bảo vệ” và người dùng có thể xâm nhập vào thiết bị điều khiển sau khi nhập đúng mật mã bảo vệ

Nếu nhập sai mã bảo vệ thì thiết bị sẽ phát ra thông báo: “Mã bảo vệ sai”, khi đó mạch điều khiển sẽ tắt tải giả vả thoát kết nối thuê bao

Nếu nhập đúng Password, người sử dụng sẽ nghe thông báo yêu cầu nhấn “*” để tắt các thiết bị, nhấn “#” để mở các thiết bị và nhấn “0” để nghe thông tin trạng thái cũa mỗi thiết bị Tương ứng với mỗi trường hợp nhấn “*”, “#”, hoặc “0” sẽ có yêu cầu nhấn phím “1”, “2” hoặc “3” để chọn thiết bị tương ứng, hoặc nhấn “9” để ngắt tải giả, đồng thời ngắt kết nối, đóng chương trình điều khiển

Phương án thiết kế 1.3.

1.3.1 Phương án 1: Sử dụng module điện thoại di động để nhận tín hiệu điều

khiển từ một điện thoại khác (cố định hoặc di động)

Ở các điện thoại đời cũ như Ericsson T28, Siemen C55,… có tập lệnh AT, và có chân Rx, Tx giao tiếp thông qua RS232 Với tập lệnh AT và giao tiếp qua chuẩn RS232, ta có thể dùng vi điều khiển hoặc máy tính truyền lệnh điều khiển đến tất cả các hoạt động của điện thoại, không cần bàn phím và màn hình Với cách làm này, bộ phận chính để truyền và nhận tín hiệu điều khiển là một main điện thoại và một vi điều khiển để truyền lệnh

Ví dụ tập lệnh AT: ATD0982004745; > Lệnh gọi đến số điện thoại

0982004745

Với phương án này, ưu điểm mạch sẽ rất đơn giản Nhưng không có tiếng nói thông báo phản hồi Đó là một hạn chế, giảm đi tính “thông minh” của hệ thống

Hình 1-1: Điện thoại di động Ericsson T28

Hình 1-2: Main GSM Module Sim548 với vị trí 2 chân Tx và Rx

1.3.2 Phương án 2: Dùng vi điều khiển với tín hiệu phản hồi và phát đi tiếng

nói từ IC thu, phát tiếng nói

Trong phương án này người điều khiển có thể điều khiển tại chỗ các thiết bị bằng công tắc riêng ở bên ngoài mà không cần thông qua điện thoại

Trong phương án này dùng tiếng nói để phản hồi về người điều khiển Sự phản hồi và phát đi bằng tiếng nói này do khối trung tâm ra lệnh Nội dung của tín hiệu phản hồi và phát đi được lưu trữ bên trong IC chuyên dùng thu, phát âm thanh

Ưu điểm của phương án này là người điều khiển và người nhận báo động biết chính xác trạng thái các thiết bị thông qua tiếng nói Hệ thống báo trộm và điều khiển thiết bị hoạt động liên tục mà không cần sự hoạt động của máy tính để phát tiếng nói

1.3.3 Lựa chọn phương án thiết kế

Qua hai phương án đã trình bày thì ta thấy phương án 2 là phương án hoàn chỉnh

và tiện dụng đối với các ứng dụng điều khiển tự động thông thường Vì vậy trong đồ

án này, tôi đã lựa chọn phương án 2 để thực hiện đề tài “Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển tự động thông qua mạng điện thoại PSTN”

Hình 1-3: Mô hình ý tưởng hệ thống điều khiển qua mạng điện thoại cố định

Nhấn “*” để chọn tắt Nhấn “1” để tắt đèn

TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐÀI VÀ MÁY

Tổng đài là một hệ thống chuyển mạch, nó có nhiệm vụ kết nối các cuộc liên lạc

từ thiết bị đầu cuối chủ gọi (Calling Side) đến thiết bị đầu cuối bị gọi (Called Side) Hay nói cách khác: Tổng đài là một hệ thống chuyển mạch có hệ thống kết nối các cuộc liên lạc giữa các thuê bao với nhau, với số lượng thuê bao lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào từng loại tổng đài, từng khu vực

2.1.2 Chức năng của tổng đài

Một tổng đài điện thoại thường thực hiện các chức năng sau:

 Nhận biết được khi thuê bao nào có nhu cầu xuất phát cuộc gọi

 Thông báo cho thuê bao biết mình sẵn sàng tiếp nhận các yêu cầu của thuê bao

 Nhận dạng thuê bao gọi: Xác định khi thuê bao nhấc ống nghe và sau đó được nối với mạch điều khiển

 Tiếp nhận số được quay: Khi đã nối với mạch điều khiển, thuê bao chủ bắt đầu nghe thấy tín hiệu mời quay số và sau đó chuyển số điện thoại của thuê bao bị gọi

 Kết nối cuộc gọi: Khi các số quay được ghi lại, thuê bao bị gọi đã được xác định, tổng đài sẽ chọn một bộ các đường trung kế đến tổng đài thuê bao bị gọi

và sau đó chọn một đường rỗi trong số đó Khi thuê bao bị gọi nằm trong tổng đài nội hạt thì một đường gọi nội hạt được sử dụng

 Chuyển thông tin điều khiển: Khi được nối tới tổng đài của thuê bao bị gọi hay tổng đài trung chuyển, cả hai tổng đài trao đổi với nhau các thông tin cần thiết như số thuê bao bị gọi

 Kết nối trung chuyển: trong trường hợp tổng đài được nối đến là tổng đài trung chuyển, trên dây được nhấc lại để nối với trạm cuối và sau đó thông tin như số thuê bao bị gọi được truyền đi

 Kết nối tại trạm cuối: Khi trạm cuối được đánh giá là trạm nội hạt dựa trên số thuê bao bị gọi được truyền đi, bộ điều khiển trạng thái máy bận của thuê bao

bị gọi được tiến hành Nếu máy không ở trạng thái bận thì một đường nối được nối với các đường trung kế được chọn để kết nối các cuộc gọi

 Truyền tín hiệu chuông: Để kết nối cuộc gọi, tín hiệu chuông được truyền và chờ cho đến khi có trả lời từ thuê bao bị gọi Khi trả lời, tín hiệu chuông bị ngắt và trạng thái được chuyển thành trạng thái máy bận

 Tính cước: Tổng đài chủ gọi xác định câu trả lời của thuê bao bị gọi và nếu cần thiết bắt đầu tính toán giá trị cước phải trả theo khoảng cách gọi và theo thời gian gọi

 Truyền tín hiệu báo bận: Khi tất cả các đường trung kế đều đã bị chiếm theo các bước trên đây hoặc thuê bao bị gọi bận thì tín hiệu bận được truyền đến cho thuê bao chủ gọi

 Hồi phục hệ thống: Trạng thái này được xác định khi cuộc gọi kết thúc Sau

đó tất cả các đường nối đều được giải phóng

 Giao tiếp được với những tổng đài khác để phối hợp điều khiển

2.1.3 Phân loại tổng đài

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tổng đài điện thoại ngày càng phù hợp với yêu cầu phát triển của xã hội Quá trình hình thành của tổng đài bao gồm các loại tổng đài sau:

 Tổng đài công nhân

Việc kết nối thông thoại, chuyển mạch dựa vào con người

 Tổng đài cơ điện

Bộ phận thao tác chuyển mạch là hệ thống cơ khí, được điều khiển bằng hệ thống mạch từ Gồm hai hệ thống chuyển mạch cơ khí cơ bản: chuyển mạch từng nấc và chuyển mạch ngang dọc

 Tổng đài điện tử

Quá trình điều khiển kết nối hoàn toàn tự động, vì vậy người sử dụng cũng không thể cung cấp cho tổng đài những yêu cầu của mình bằng lời nói được Ngược lại, tổng đài trả lời cho người sử dụng cũng không thể bằng lời nói Do đó, cần qui định một số thiết bị cũng như các tín hiệu để người sử dụng và tổng đài có thể làm việc được với nhau

 Tín hiệu chuông (Ring Signal)

Khi một thuê bao bị gọi thì tổng đài sẽ gửi tín hiệu chuông đến để báo cho thuê bao đó biết có người được gọi Tín hiệu chuông là tín hiệu xoay chiều AC thường có tần số 25Hz tuy nhiên nó có thể cao hơn đến 60Hz hoặc thấp hơn đến 16Hz Biên độ của tín hiệu chuông cũng thay đổi từ 40 VRMS đến 130 VRMS thường là 90 VRMS Tín hiệu chuông được gửi đến theo dạng xung, ngắt quãng tuỳ thuộc vào từng loại tổng đài thường là 2 giây có và 4 giây không (như hình vẽ trên) Hoặc có thể thay đổi thời gian tuỳ thuộc vào từng tổng đài

 Tín hiệu mời quay số (Dial Tone)

Đây là tín hiệu liên tục không phải là tín hiệu xung như các tín hiệu khác được sử dụng trong hệ thống điện thoại Khi thuê bao nhấc tổ hợp để xuất phát cuộc gọi sẽ nghe âm hiệu mời quay số do tổng đài cấp cho thuê bao gọi, là tín hiệu hình sin có tần

số liên tục Tín hiệu mời quay số là tín hiệu sin tần, được tạo ra bởi hai âm thanh (Tone) có tần số số 350Hz và 440Hz, biên độ 2VRMS trên nền DC Tín hiệu này có dạng sóng sau:

Hình 2-2: Dạng sóng tín hiệu mời quay số

 Tín hiệu báo bận (Busy signal)

Khi thuê bao nhấc máy để thực hiện một cuộc gọi thì thuê bao sẽ nghe một trong hai tín hiệu:

Tín hiệu mời gọi cho phép thuê bao thực hiện ngay một cuộc gọi

f

V

Tín hiệu báo bận báo cho thuê bao biết đường dây đang bận không thể thực hiện cuộc gọi ngay lúc này Thuê bao phải chờ đến khi nghe được tín hiệu mời gọi Khi thuê bao bị gọi đã nhấc máy trước khi thuê bao gọi cũng nghe được tín hiệu này

Tín hiệu báo bận là tín hiệu xoay chiều có dạng xung được tổng hợp bởi hai âm

có tần số 480Hz và 620Hz Tín hiệu này có chu kỳ 1s (0.5s có và 0.5s không)

Hình 2-3: Dạng sóng tín hiệu báo bận

 Tín hiệu chuông hồi tiếp

Khi người gọi gọi đến một thuê bao, nếu không có một tín hiệu phản hồi từ thuê bao thì người gọi sẽ không biết đã gọi được hay chưa Người gọi sẽ không nghe một

âm thanh nào cho đến khi thuê bao đó trả lời Để giải quyết vấn đề này tổng đài sẽ gửi một tín hiệu chuông hồi tiếp về cho thuê bao gọi tương ứng với tiếng chuông ở thuê bao bị gọi Tín hiệu chuông hồi tiếp này do tổng đài cấp cho thuê bao bị gọi, được tổng hợp bởi hai âm có tần số 440Hz và 480Hz Tín hiệu này cũng có dạng xung như tín hiệu chuông gửi đến cho thuê bao bị gọi, là tín hiệu hình sin có tần số khoảng 425 ± 25

Hz là hai tín hiệu ngắt quãng tương ứng nhịp chuông, biên độ 2VRMS trên nền DC 10V, phát ngắt quãng 2s có 4s không

Hình 2-4: Dạng sóng tín hiệu hồi tiếp

 Gọi sai số

Nếu người gọi gọi nhầm một số mà nó không tồn tại thì bạn sẽ nhận được tín hiệu xung có chu kỳ 1Hz và có tần số 200Hz–400Hz Hoặc đối với các hệ thống điện thoại ngày nay bạn sẽ nhận được thông báo rằng bạn gọi sai số

 Tín hiệu đảo cực

Hình 2-5: Dạng sóng tín hiệu đảo cực

Tín hiệu đảo cực chính là sự đảo cực tính của nguồn tại tổng đài, khi hai thuê bao bắt đầu cuộc đàm thoại, một tín hiệu đảo cực sẽ xuất hiện Khi đó hệ thống tính cước của tổng đài sẽ bắt đầu thực hiện việc tính cước đàm thoại cho thuê bao gọi Ở các trạm công cộng có trang bị máy tính cước, khi cơ quan bưu điện sẽ cung cấp một tín hiệu đảo cực cho trạm để thuận tiện cho việc tính cước

o Kết nối hai dây cáp

o Sử dụng đường dây thuê bao của tổng đài khác làm trung kế của tổng đài mình

o Có chức năng như máy điện thoại (nhận khung quay)

 Trung kế tự động 2 chiều E & M (Ear And Mouth Trunk)

Hình 2-8: Trung kế hai chiều

o Kết nối dây trên bốn dây Cable

o Hai dây để thu tín hiệu thoại

o Một dây để thu tín hiệu trao đổi

o Một dây để phát tín hiệu trao đổi

Giới thiệu tổng quan về máy điện thoại 2.2.

2.2.1 Giới thiệu

Máy điện thoại là thiết bị đầu cuối của hệ thống điện thoại, nó được lắp đặt tại đơn vị thuê bao để người gọi và người nhận có thể liên lạc được với nhau Hiện nay tuy có nhiều loại khác nhau nhưng nói chung máy điện thoại vẫn có ba phần chính:

 Phần chuyển đổi mạch điện:

Phần này gồm hệ thống lá mía tiếp điểm và có các cơ điện phụ có nhiệm vụ đóng

mở mạch điện khi có yêu cầu

E

M

 Phần thu phát tín hiệu gọi:

Phần này gồm 2 phần chính: máy phát điện quay tay và chuông máy phát điện có nhiệm vụ phát tín hiệu gọi lên đường dây và chuông có nhiệm vụ biến dòng tín hiệu gọi thành tín hiệu gọi

 Phần thu phát thoại:

Gồm ống nói và ống nghe, ống nói có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện và ống nghe ngược lại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu âm thanh Cả

2 được lắp chung trong một bộ phận gọi là tổ hợp

Bất cứ loại máy điện thoại nào về nguyên lý cũng phải thoã mãn các yêu cầu sau:

 Khi máy điện thoại không làm việc phải ở trạng thái sẵn sàng tiếp nhận cuộc gọi

 Khi thu phát tín hiệu gọi bộ phận thu phát tín hiệu gọi phải tách rời đường dây điện thoại, lúc đó trên đường dây chỉ còn tín hiệu gọi

 Khi thu phát tín hiệu đàm thoại bộ phận thu phát tín hiệu gọi lại tách ra khỏi đường điện, lúc đó trên đường dây chỉ còn dòng tín hiệu thoại

2.2.2 Chức năng của máy điện thoại

Bất cứ máy điện thoại nào cũng phải hoàn thành các chức năng sau:

 Báo hiệu cho người sử dụng điện thoại biết hệ thống tổng đài đã sẵn sàng hay chưa sẵn sàng tiếp cuộc gọi Chức năng này thể hiện ở chỗ phải báo hiệu cho người sử dụng điện thoại bằng âm hiệu mời quay số hay âm hiệu báo bận

 Phải gởi được mã số thuê bao bị gọi vào tổng đài Điều này được thực hiện bằng cách quay số hay nhấn phím

 Chỉ dẫn cho người sử dụng biết tình trạng diễn biến kết nối bằng các âm hiệu hồi âm chuông hay báo bận

 Báo hiệu cho người sử dụng biết thuê bao đang bị gọi thường là bằng tiếng chuông

 Chuyển đổi tiếng nói thành tín hiệu điện truyền đi đến đối phương và chuyển đổi tín hiệu điện từ đối phương đến thành tiếng nói

 Có khả năng báo cho tổng đài khi thuê bao nhấc máy

 Chống tiếng gọi lại, tiếng keng, tiếng clic khi phát xung số

Ngoài ra người ta còn chú ý đến tính năng tự động điều chỉnh mức âm thanh nghe, nói Tự động điều chỉnh nguồn nuôi, phối hợp trở kháng với đường dây Ngoài chức năng trên người ta còn chế tạo các máy điện thoại có khả năng sau:

 Gọi bằng số rút gọn

 Nhớ số thuê bao đặc biệt

 Gọi lại tự động: Khi gọi một thuê bao nào đó mà thuê bao này đang bận, ta có thể đặt máy trong khi số thuê bao vừa được lưu trữ trong bộ nhớ máy điện thoại Sau đó ta nhấn một nút tương ứng, số điện thoại vừa gọi này được phát

đi, hoặc sau thời gian nào đó dù không nhấn nút gọi thì số điện thoại này cũng

tự động phát đi, khi thuê bao rảnh thì máy tự động reo chuông từ hai phía Tổng đài được nối với các thuê bao qua 2 đường truyền TIP và RING Thông qua

2 đường dây này thông tin từ tổng đài qua các thuê bao được cấp bằng nguồn dòng từ

25 mA đến 40 mA đến cho máy điện thoại

2.2.3 Các thông số liên quan

 Tổng trở DC khi gác máy lớn hơn từ 20 KΩ

 Tổng trở AC khi gác máy từ 4KΩ đến 10KΩ

 Tổng trở DC khi nhấc máy khoảng 300Ω

 Tổng trở AC khi nhấc máy khoảng 600Ω

 Các thông số giới hạn của mạch thuê bao cơ bản

Bảng 2-1: Bảng các thông số của mạch thuê bao điện thoại

Thông số Các giá trị mẫu Giá trị sử dụng

Nguồn dòng điện thoại 25 mA đến 40 mA 35 mA

Tổng đài nhận biết trạng thái nhấc máy của thuê bao hay gác máy bằng cách sử dụng nguồn một chiều 48VDC

Khi gác máy tổng trở DC bằng 20KΩ rất lớn xem như hở mạch

Khi nhấc máy tổng trở DC giảm xuống nhỏ hơn 1KΩ và hai tổng đài nhận biết trạng thái này thông qua dòng DC xuất hiện trên đường dây Sau đó, tổng đài cấp tín hiệu mời gọi lên đường dây đến thuê bao

Dòng điện cấp chuông: Tổng đài cấp dòng chuông cho thuê bao bị gọi, dòng chuông tổng đài cấp là dòng điện xoay chiều hình sin hoặc xung có tần số f = 25Hz, có

áp từ 75VRMS đến 110VRMS

2.2.4 Nguyên lý thông tin điện thoại

Thông tin điện thoại là quá trình truyền đưa tiếng nói từ nơi này đến nơi khác, bằng dòng điện qua máy điện thoại Máy điện thoại là thiết bị đầu cuối của mạng thông tin điện thoại

Khi ta nói trước ống nói của máy điện thoại, dao động âm thanh của tiếng nói sẽ tác động vào màng rung của ống nói làm cho ống nói thay đổi, xuất hiện dòng điện biến đổi tương ứng trong mạch Dòng điện biến đổi này được truyền qua đường dây tới ống nghe của máy đối phương, làm cho màng rung của ống nghe dao động, lớp

không khí trước màng rung dao động theo, phát ra âm thanh tác động đến tai người nghe và quá trình truyền dẫn ngược lại cũng tương tự

Các số quay của thuê bao được truyền đến tổng đài bằng cách ngắt dòng đường dây theo tỉ số thời gian qui định tạo thành chuỗi xung quay số Số quay

số là là xung trên đường dây nên phương pháp này được gọi là phương pháp quay số bằng xung thập phân

 Quay số bằng Tone (Tone – Dialing): Máy điện thoại phát ra cùng lúc hai tín hiệu với tần số dao động khác nhau tương ứng với số muốn quay (DTMF: Dual Tone Multi Frequence) Khi sử dụng DTMF để quay số, các cặp tần số DTMF như sau:

Bảng 2-2: Phân loại tần số tín hiệu Tone

2.2.6 Kết nối thuê bao

Tổng đài nhận được các số liệu sẽ xem xét:

 Nếu các đường dây nối thông thoại đều bị bận thì tổng đài sẽ cấp tín hiệu báo bận

 Nếu đường dây nối thông thoại không bị bận thì tổng đài sẽ cấp cho người bị gọi tín hiệu chuông và người gọi tín hiệu hồi chuông Khi người được gọi nhấc máy, tổng đài nhận biết trạng thái này, thì tổng đài ngưng cấp tín hiệu chuông để không làm hư mạch thoại và thực hiện việc thông thoại Tín hiệu trên đường dây đến máy điện thoại tương ứng với tín hiệu thoại cộng với giá trị khoảng 300 mV đỉnh – đỉnh Tín hiệu ra khỏi máy điện thoại chịu sự suy hao trên đường dây với mất mát công suất trong khoảng 10 dB ÷ 25 dB Chẳng hạn suy hao là 20dB, suy ra tín hiệu ra khỏi máy điện thoại có giá trị khoảng 3 V đỉnh – đỉnh

 Ngƣng thoại:

Khi một trong 2 thuê bao gác máy, thì tổng đài nhận biết trạng thái này, cắt thông thoại cho cả 2 máy đồng thời cấp tín hiệu báo bận cho máy còn lại

 Tín hiệu thoại:

Tín hiệu thoại trên đường dây là tín hiệu điện mang các thông tin có nguồn gốc từ

âm thanh trong quá trình trao đổi giữa 2 thuê bao Trong đó, âm thanh được tạo ra bởi các dao động cơ học, nó truyền trong môi trường dẫn âm

Khi truyền đi trong mạng điện thoại là tín hiệu thường bị méo dạng do những lý do: nhiễu, suy hao tín hiệu trên đường dây do bức xạ sóng trên đường dây với các tần

số khác nhau Để đảm bảo tín hiệu điện thoại nghe rõ và trung thực, ngày nay trên mạng điện thoại người ta sử dụng tín hiệu thoại có tần số từ 300 Hz ÷ 3400 Hz

Phương thức hoạt động giữa tổng đài và máy điện thoại 2.3.

2.3.1 Nguyên tắc hoạt động

Khi thuê bao nhấc máy làm đóng tiếp điểm chuyển mạch tạo nên một dòng điện khoảng 20-80mA chạy trong vòng thuê bao Ở chế độ nhấc máy, điện thế DC rơi trên đường dây giữa Tip và Ring khoảng 6VDC ở thiết bị đầu cuối thuê bao

Tổng đài nhận dạng thuê bao gọi nhấc máy thông qua sự thay đổi tổng trở mạch vòng của đường dây thuê bao Bình thường khi thuê bao ở vị trí gác máy điện trở mạch vòng là rất lớn Khi thuê bao nhấc máy, điện trở mạch vòng thuê bao giảm xuống còn khoảng từ 150Ω đến 1500Ω Tổng đài có thể nhận biết sự thay đổi tổng trở mạch vòng này (tức là thay đổi trạng thái của thuê bao) thông qua các bộ cảm biến trạng thái Tổng đài có chức năng kiểm tra xem còn có link nào rãnh hay không Nếu link còn rỗi thì tổng đài cấp âm hiệu mời quay số (Dial Tone) cho thuê bao

Dial Tone là tín hiệu mời quay số hình sin có tần số 425 ± 25 Hz Khi thuê bao nhận biết được tín hiệu Dial Tone, người gọi sẽ hiểu là được phép quay số

Người gọi bắt đầu tiến hành gửi các xung quay số thông qua việc quay số hoặc nhấn nút chọn số Tổng đài nhận biết được các số được quay nhờ vào các chuỗi xung quay số phát ra từ thuê bao gọi Thực chất các xung quay số là các trạng thái nhấc máy hoặc gác máy của thuê bao

Nếu các đường kết nối thông thoại bị bận hoặc thuê bao được gọi bị bận thì tổng đài sẽ phát tín hiệu báo bận cho thuê bao Tín hiệu này có tần số f = 425 ± 25Hz ngắt nhịp 0,5s có 0,5 s không Tổng đài nhận biết các số thuê bao gọi đến và kiểm tra, xem xét:

 Nếu số đầu nằm trong tập thuê bao thì tổng đài sẽ phục vụ như cuộc gọi nội đài

 Nếu số đầu là số qui ước gọi ra thì tổng đài phục vụ như một cuộc gọi liên đài qua trung kế và gửi toàn bộ phần định vị số quay sang tổng đài đối phương để giải mã

 Nếu số đầu là mã gọi các chức năng đặc biệt, tổng đài sẽ thực hiện các chức năng đó theo yêu cầu của thuê bao Thông thường, đối với loại tổng đài nội

bộ có dung lượng nhỏ từ vài chục đến vài trăm số, có thêm nhiều chức năng đặc biệt làm cho chương trình phục vụ thuê bao thêm phong phú, tiện lợi, đa dạng, hiệu quả cho người sử dụng làm tăng khả năng khai thác và hiệu suất sử dụng tổng đài

 Nếu thuê bao được gọi rảnh, tổng đài sẽ cấp tín hiệu chuông cho thuê bao với điện áp 90VRMS (AC), f = 25Hz, với chu kỳ 3s có 4s không

 Đồng thời cấp âm hiệu hồi chuông (Ring Back Tone) cho thuê bao gọi, âm hiệu này là tín hiệu sin, tần số f = 425 ± 25Hz cùng chu kỳ nhịp với tín hiệu chuông gởi cho thuê bao được gọi

 Khi thuê bao được gọi nhấc máy, tổng đài nhận biết trạng thái nhấc máy này, tiến hành cắt dòng chuông cho thuê bao bị gọi kịp thời tránh hư hỏng đáng tiếc cho thuê bao Đồng thời, tiến hành cắt âm hiệu Ring Back Tone cho thuê bao gọi và tiến hành kết nối thông thoại cho 2 thuê bao

 Tổng đài giải toả một số thiết bị không cần thiết để tiếp tục phục vụ cho các cuộc đàm thoại khác

 Khi hai thuê bao đang đàm thoại mà 1 thuê bao gác máy, tổng đài nhận biết trạng thái gác máy này, cắt thông thoại cho cả hai bên, cấp tín hiệu bận (Busy Tone) cho thuê bao còn lại, giải tỏa link để phục vụ cho các đàm thoại khác Khi thuê bao còn lại gác máy, tổng đài xác nhận trạng thái gác máy, cắt âm hiệu báo bận, kết thúc chương trình phục vụ thuê bao

Tất cả hoạt động nói trên của tổng đài điện tử đều được thực hiện một cách hoàn toàn tự động Nhờ vào các mạch điều khiển bằng điện tử, điện thoại viên có thể theo dõi trực tiếp toàn bộ hoạt động của tổng đài ở mọi thời điểm nhờ vào các bộ hiển thị, cảnh báo

Điện thoại viên có thể trực tiếp điều khiển các hoạt động của tổng đài qua các thao tác trên bàn phím, hệ thống công tắc… các hoạt động đó có thể bao gồm: nghe

xen vào các cuộc đàm thoại, cắt cưỡng bức các cuộc đàm thoại có ý đồ xấu, tổ chức điện thoại hội nghị… Tổng đài điện tử cũng có thể được liên kết với máy điện toán để điều khiển hoạt động hệ thống Điều này làm tăng khả năng khai thác, làm tăng dung lượng, cũng như khả năng hoạt động của tổng đài lên rất nhiều

2.3.2 Qui trình vận hành của hệ mạch điện thoại để bàn

Hệ thống vận hành của điện thoại bàn như sau:

Hình 2-9: Sơ đồ qui trình vận hành điện thoại bàn

 Khi tất cả các máy điện thoại để bàn đều gác tay thoại Lúc này mức áp trên đường dây sẽ là trên dưới 48VDC và không có dòng điện chạy trên đường dây

 Khi máy điện thoại A nhấc tay thoại: Nội trở nhỏ của máy sẽ tạo ra dòng điện chạy trên đường dây, dấu hiệu này sẽ báo cho tổng đài điện thoại điện tử biết máy A đã nhấc tay thoại Tổng đài điện thoại sẽ gửi tín hiệu mời tín hiệu mời quay số đến máy A

 Tín hiệu mời quay số có dạng Sin, tần số trong khoảng 350 ÷ 440 Hz, phát liên tục Lúc này người ở máy A sẽ nhấn các phím số trên bàn phím để xin liên thông với máy cần gọi.(Ví dụ xin liên thông với máy B)

 Nếu máy điện thoại bên A đang đặt ở mode Tone, thì mỗi phím số sẽ tương ứng với một tín hiệu âm thanh song tần, tín hiệu nhận dạng số này sẽ theo dây nối gửi về tổng đài điện thoại

Tổng đài điện thoại điện tử

 Nếu máy điện thoại đặt ở mode Pulse, thì mỗi phím số, mạch điều khiển bàn phím sẽ cho ngắt dây nối bằng số lần của phím số Tổng đài sẽ ghi nhận số điện thoại mà máy A gửi về Tổng đài sẽ tiến hành tìm số điện thoại mà máy

A xin liên thông

 Nếu tổng đài điện thoại điện tử phát hiện máy B đang bận (như đang nhấc tay thoại), thì tổng đài sẽ phát tín hiệu báo bận đến máy A Tín hiệu báo bận này

có dạng Sin, tần số khoảng 480Hz ÷620Hz, phát theo nhịp 0.5s ngưng 0.5s (nhịp nhanh)

 Nếu tổng đài điện thoại điện tử phát hiện máy B không bận (chưa nhấc tay thoại), thì tổng đài sẽ gửi tín hiệu báo chuông đến máy B Lúc này bên máy B

sẽ đổ chuông Cùng lúc tổng đài cũng gửi tín hiệu hồi chuông đến máy A Tín hiệu hồi chuông có tần số khoảng từ 440Hz ÷ 480Hz, phát theo nhịp 2s ngưng 4s Tín hiệu này cho biết máy B đang trong trạng thái đổ chuông và chờ người đến nhấc tay thoại

 Khi ở máy B đã có người nhấc tay thoại: Lúc này dòng điện chạy trên dây sẽ báo cho tổng đài điện thoại điện tử biết là máy B đã có người đến tiếp nhận Tổng đài điện thoại sẽ cho ngắt ngay tín hiệu báo chuông và cho nối dây, tạo

sự liên thông giữa máy A và máy B

Bảng 2-3: Các tín hiệu thường nghe thấy trên đường dây điện thoại để bàn

Tên tín hiệu Tần số Chu kỳ

Tín hiệu mời quay số 350Hz ÷440Hz Phát liên tục Tín hiệu báo bận 480Hz ÷ 620Hz Phát theo nhịp 0.5s ngưng 0.5s Tín hiệu đổ chuông 440Hz ÷ 480Hz Phát theo nhịp 2s ngưng 4s Tín hiệu hồi chuông 440Hz ÷ 480Hz Phát theo nhịp 1s ngưng 3s Tín hiệu báo chuông 25Hz Phát theo nhịp 2s ngưng 4s

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3.

Giới thiệu các IC quan trọng 3.1.

3.1.1 Vi điều khiển PIC

a Tổng quan về Vi điều khiển PIC

PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument

PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động)

Năm 1985 General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiên PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word

b Những đặc tính quan trọng của PIC

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau:

 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi

 Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

 Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1)

 8/16 Bit Timer

 Công nghệ Nanowatt

 Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối Tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs

 Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit

 Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators)

 Các module Capture/Compare/PWM

 LCD

 MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S

 Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần

 Module Điều khiển động cơ, đọc encoder

 Hỗ trợ giao tiếp USB

 Hỗ trợ điều khiển Ethernet

 Hỗ trợ giao tiếp CAN

 Hỗ trợ giao tiếp LIN

 Hỗ trợ giao tiếp IrDA

 Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16F639, và rfPIC)

 KEELOQ Mã hoá và giải mã

 DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)

3.1.2 IC thu phát DTMF MT8880

a Tổng quan MT8880

IC MT8880 là một mạch tích hợp thu phát kèm với bộ lọc thoại (Call Progress)

Nó được sản xuất theo công nghệ CMOS với mức tiêu thụ công suất thấp và độ chính xác cao Phần thu của thiết bị dựa trên tiêu chuẩn công nghệ của MT8870 trong khi phần phát dùng một bộ biến đổi D/A cho ra tín hiệu DTMF với độ nhiễu thấp và độ chính xác cao Bộ đếm bên trong hình thành chế độ Burst Mode nhờ đó mà các tone phát ra với thời hằng chính xác.Bộ lọc Call Progress cho phép bộ vi xử lý các tone trạng thái đường dây

MT8880 dùng một vi mạch bên ngoài của Intel, điều này cho phép thiết bị có thể kết nối tới một số vi mạch điều khiển với cổng logic rất nhỏ bên ngoài

Hình 3-1: Sơ đồ chân MT8880 loại 20 chân Bảng 3-1: Giải thích chức năng từng chân MT8880

Chân # Tên Giải thích

1 IN+ Ngõ vào khuếch đại không đảo

2 IN- Ngõ vào khuếch đại đảo

3 GS Gain Select chọn độ lợi cho bộ khuếch đại Op-amp

4 VRef Reference Voltage Đầu ra điện áp tĩnh, trên danh nghĩa VDD/2

dùng cân bằng tĩnh ở đầu vào

5 VSS Đầu vào điện áp âm (0V)

6 OSC1 Đầu vào bộ tạo dao động thạch anh DTMF

7 OSC2 Đầu ra bộ dao động Thạch anh 3.579545 MHz được nối giữa

OSC1 và OSC2 tạo thành mạch dao động bên trong

8 TONE Đầu ra của Tone (DTMF hoặc tone đơn)

9 R/ ̅ Đầu vào Đọc/Ghi Điều khiển dữ liệu chuyển đến VĐK hoặc

nhận dữ liệu từ VĐK, và các thanh ghi truyền/nhận Tương thích TTL

10 ̅̅̅̅ Chân chọn chip Hoạt động ở mức thấp

11 RS0 Đầu vào chân chọn thanh ghi (xem bảng giải mã các thanh ghi)

12 2 Đầu vào đồng hồ hệ thống Tương thích TTL ϕ2 cần giữ mức

tích cực âm khi không truy cập thiết bị

13 ̅̅̅̅̅/CP Yêu cầu ngắt đến VĐK Trong chế độ ngắt, ngõ ra chân này sẽ

ở mức thấp khi một tone burst hợp lệ được phát hay nhận Trong chế độ CP, ngõ ra chân này sẽ là một tín hiệu xung vuông thể hiện tín hiệu ngõ vào Ngõ vào tín hiệu phải nằm trong giới hạn độ rộng băng của bộ lọc CP

14 D0-D3 Bus dữ liệu VĐK Tương thích TTL Trở kháng cao khi ̅̅̅̅

hoặc ϕ2 = 0

18 Est Đầu ra mạch steering Cho mức logic cao khi phát hiện một cặp

tone hợp lệ Bất kì tín hiệu nào không hợp lệ cũng cho ra logic thấp

19 St/GT Đầu ra Steering/Đầu vào guard time (2 chiều) Một mức điện áp

lớn hơn VTSt xuất hiện tại chân St làm cho thiết bị ghi nhận cặp tone và ngõ ra được chốt mức điện áp thấp hơn VTSt giải phóng để thiết bị thu nhận một cặp tone mới Ngõ ra GT làm nhiệm vụ reset mạch định thì bên ngoài; trạng thái của nó là hàm của Est và điện áp trên chân St

20 VDD Đầu vào nguồn dương (+5V)

b Mô tả chức năng

IC thu phát DTMF MT8880 bao gồm bộ thu DTMF chất lượng cao kèm với bộ khuếch đại và bộ tạo DTMF sử dụng Burst Counter giúp cho việc tổng hợp đóng ngắt tone chính xác Chế độ Call Progress có thể phát hiện các tần số nằm trong giải thông thoại Các VĐK thông thường dễ dàng truy cập vào thanh ghi trạng thái bên trong, hai thanh ghi điều khiển, và hai thanh ghi dữ liệu

 Các đặc tính chính

o Bộ phát/nhận tín hiệu DTMF

o Tiêu thụ năng lượng thấp

o Có cổng truy xuất với Vi điều khiển

o Có thể điều chỉnh thời gian bảo vệ

o Chế độ phát tone tự động

o Chế độ Lọc thoại (Call progress)

c Cấu hình đầu vào

Đầu vào của IC MT8880 cung cấp một bộ khuếch đại vi sai như một ngõ vào

VRef để điều chỉnh điện áp đầu vào tại chân VDD/2 Chân GS nối ngõ ra của bộ khuếch đại với một điện trở hồi tiếp để điều chỉnh độ lợi

Hình 3-2: Cấu hình đầu vào vi sai

 Bộ khuếch đại đầu vào vi sai

C1 = C2 = 10 nF R1 = R4 = R5 = 100 kΩ R2 = 60 kΩ, R3 = 37,5 kΩ R3 = (R2R5)/(R2 + R5)

 Khuếch đại điện thế

Tiếp theo phần lọc là bộ giải mã sử dụng kĩ thuật đếm số để kiểm tra tần số các tone thu được và đảm bảo chúng tương ứng với các tần số DTMF Một kỷ thuật lấy trung bình phức giúp loại trừ các tone giả do tiếng nói tạo ra trong khi vẫn đảm bảo một khoảng biến đổi cho tần số bị lệch hay thay đổi nhỏ Kĩ thuật này phát triển để đảm bảo chắc chắn một điều kiện tốt nhất để kết hợp tín hiệu mà không chịu ảnh hưởng của những tần số không mong muốn và nhiễu Khi bộ phận kiểm tra nhận được hai tone đúng thì đầu ra “Early Steering” sẽ lên mức tích cực dương Khi không nhận được tín hiệu tone thì Est sẽ ở mức tích cực âm

e Mạch Steering

Trước khi thu nhận một cặp tone đã giải mã, bộ thu phải kiểm tra khoảng thời gian tín hiệu hợp lệ Việc kiểm tra này được thực hiện bởi một bộ RC mắc ở bên ngoài điều khiển bởi chân Est Est lên mức cao thì làm cho Vc tăng lên khi xả tụ Khi Est vẫn còn trong một thời đoạn hợp lệ, Vc tiến tới điện áp ngưỡng của logic Steering để

nhận một cặp tone và chốt 4 mã tương ứng với nó vào thanh ghi dữ liệu nhận Lúc này đầu ra của GT được kích hoạt và đẩy Vc lên VDD GT tiếp tục được đẩy lên mức cao trong khi Est vẫn giữ ở mức cao Cuối cùng, sau một khoảng thời gian ngắn cho phép chốt dữ liệu xong thì cờ của mạch Steering lên mức cao báo hiệu cặp tone thu đã được lưu vào thanh ghi Trạng thái cờ Steering có thể được giám sát bằng cách kiểm tra các bit tương ứng trong thanh ghi trạng thái Nếu như khối ngắt được chọn, thì chân IRQ/CP sẽ ở mức thấp khi cờ Steering được kích hoạt

Nội dung của ngõ ra được cập nhật khi mạch Steering chuyển trạng thái hoạt động Dữ liệu này được đưa ra 4 bit trên bus dữ liệu 2 chiều khi thanh ghi dữ liệu nhận được đọc Mạch Steering hoạt động theo chiều ngược lại để kiểm tra khoảng dừng giữa hai tín hiệu Vì vậy, bộ thu vừa bỏ qua tín hiệu quá ngắn không hợp lệ vừa không chấp nhận các khoảng quá nhỏ Chức năng này cũng như khả năng chọn khoảng thời gian tín hiệu hợp lệ Steering bằng mạch ngoài cho phép người thiết kế điều chỉnh hoạt động cho phù hợp với các đòi hỏi khác nhau của từng ứng dụng

Hình 3-3: Mạch Steering cơ bản

f Điều chỉnh thời gian bảo vệ

Mạch Steering cơ bản như hình dưới thì phù hợp với hầu hết mọi ứng dụng Giá trị linh kiện được chọn theo các bất đẳng thức bên dưới

tREC = tDP + tGTP

tID = tDA + tGTA

Giá trị của tDP là một thông số của thiết bị và tREC là thời gian tín hiệu nhỏ nhất được nhận ra bởi thiết bị nhận Giá trị của C1 là 0.1uF được dùng cho hầu hết các ứng dụng, giá trị của R1 được chọn bởi người thiết kế Sự lắp đặt steering khác nhau có thể được chọn không phụ thuộc thời gian bảo vệ có tone hay không có tone Điều này có

lẽ cần thiết để chỉ rõ hệ thống nơi nào cần chấp nhận và không chấp nhận giới hạn trong thời gian có tone và khoảng dừng số Điều chỉnh thời gian bảo vệ cũng cho phép người thiết kế biến đổi các thông số của hệ thống như tắt tiếng nói và giảm nhiễu

g Bộ lọc thoại (Call progress)

Chế độ call progress khi được chọn thì cho phép kiểm tra các tone khác nhau thể hiện trạng thái đường dây Đầu vào của Call Progress và DTMF là chung, tuy nhiên tone Call Progress chỉ có thể được nhận ra khi ta chọn chế độ CP Tín hiệu DTMF không thể được nhận ra nếu như dùng chế độ CP

Các tần số đưa đến đầu vào nằm trong giới hạn băng thông chấp nhận của bộ lọc, sẽ đưa qua bộ so sánh có độ lợi cao và đến chân IRQ/CP Dạng sóng ở đầu ra tạo bởi mạch trigger có thể được phân tích bởi vi xử lý hoặc bộ đếm để xác định tính chất các tone trạng thái đường dây Các tần số nào trong vùng loại bỏ sẽ không được kiểm tra

và tín hiệu ở chân IRQ/CP sẽ ở mức thấp

h Bộ phát DTMF

Bộ phát DTMF dùng MT8880 có khả năng tạo ra 16 cặp DTMF chuẩn với độ sai lệch thấp và độ chính xác cao Tất cả tần số này đều được lấy từ 1 dao động thạch anh 3,579Mhz bên ngoài Dạng sóng sin của từng tone được tổng hợp tần số bằng cách

sử dụng bộ chia hàng cột tổng hợp được và bộ biến đổi D/A Các tone hàng cột được trộn vào và lọc cho ra 1 tín hiệu DTMF tương ứng với độ hài thấp và độ chính xác cao

Để phát 1 tín hiệu DTMF, dữ liệu tương ứng với bảng mã 1 phải được ghi vào thanh ghi dữ liệu Chú ý mã phát giống như mã nhận Các tone riêng lẻ bao gồm 2 nhóm là tone thấp và tone cao Nhóm tần số thấp gồm các tần số 697, 770, 852, và 941 Hz Nhóm tần số cao là 1209, 1336, 1477, 1633 Hz Theo tiêu chuẩn, tỉ lệ biên độ nhóm cao so với nhóm thấp là 2dB

Chu kỳ mỗi tone bao gồm 32 khoảng thời gian bằng nhau Chu kỳ của một tone được thay đổi bằng cách thay đổi độ dài của các khoảng thời gian Trong suốt quá trình hoạt động ghi vào thanh ghi truyền dữ liệu thì 4 bit trên bus dữ liệu được chốt và được biến đổi thành 2 trong 8 mã để sử dụng cho mạch chia hàng cột Đoạn mã này chỉ rõ một khoảng thời gian mà chủ yếu quyết định tone tần số Khi bộ chia đạt đến giá trị đếm thích hợp được quyết định bởi mã ở ngõ vào, thì 1 xung reset được phát ra và

bộ đếm bắt đầu hoạt động Số khoảng thời gian cố định ở 32, tuy nhiên bằng cách thay đổi giá trị độ dài đoạn như trên thì tần số có thể được thay đổi Ngõ ra của bộ chia khóa các bộ đếm khác mà địa chỉ của sóng sin tìm kiếm trong ROM

Ví dụ: Tạo tín hiệu cho số “1”, sẽ là sự kết hợp của tín hiệu 697Hz và tín hiệu

độ CP và chế độ Burst cùng được chọn thì MT8880 chỉ hoạt động ở chế độ phát Trong một ứng dụng nào đó ta cần sử dụng khoảng thời gian đóng ngắt mà không theo chuẩn thì cần dùng vòng lặp phần mềm hoặc bộ định thời bên ngoài và tắt chế độ chế

độ Burst đi

j Tạo tone đơn

Chế độ tạo tone đơn chỉ được dùng khi ta muốn tạo một tone nào đó trong nhóm thấp hoặc cao Chế độ này dùng để kiểm tra thiết bị DTMF, tính toán nhiễu Xem phần giải thích chức năng thanh ghi điều khiển B để biết thêm chi tiết