СИСТЕМА СТЫКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ АППАРАТУРЫ С АНАЛОГОВЫМИ АБОНЕНТСКИМИ ДВУХПРОВОДНЫМИ ТЕЛЕФОННЫМИ ЛИНИЯМИ (ВАРИАНТЫ) И МОДУЛЬ СТЫКА ДЛЯ ЭТИХ СИСТЕМ Российский патент 2001 года по МПК H04M11/00 

Изобретение относится к компьютерной технике, в частности к технике связи, и касается конструкции встраиваемых в компьютер многоканальных плат, предназначенных для дуплексного стыка компьютера одновременно с несколькими аналоговыми двухпроводными телефонными линиями. Эти платы предназначены для использования в приложениях компьютерной и IP-телефонии (системы записи телефонных переговоров, голосовая почта, шлюзы Интернет-телефонии, диспетчерские пульты и т.п.).

Известна система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащая по крайней мере два модуля опознавания состояния телефонных линий, входами связанных с соответствующими телефонными линиями, а выходом - с мультиплексором, выход которого подключен к внешним устройствам (РСТ, 9722198, H 04 М 11/00, опубл. 19 июня 1997 г.).

Недостатком данной системы являются ее конструктивная сложность и габаритность компоновочного решения, обусловленная тем, устройство состоит из отдельных самостоятельных блоков с внешней связью между собой и не предназначено для встраивания в компьютер.

Настоящее изобретение направлено на решение следующих технических задач: плата должна знать о текущем состоянии каждой из подключенных телефонных линий, при том что она никак не должна влиять на работу линий, кроме того, для всех линий должна обеспечиваться гальваническая развязка как друг с другом, так и с компьютером. Из-за ограниченного места на плате схемное решение должно быть компактным, и должна обеспечиваться простота наращивания количества каналов. Достигаемый при этом технический результат заключается в улучшении эксплуатационных качеств.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащая для каждого канала модуль стыка, входом связанный с телефонной линией этого канала, а выходом - с внешним вычислительным устройством, снабжена аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом модуля стыка, а выход связан с внешним вычислительным устройством, при этом каждый модуль стыка включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе и резисторах, а внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния телефонной линии. Для этой системы модуль стыка может быть выполнен с фильтром низкой частоты первого порядка.

При использовании по крайней мере двух модулей стыка каждый из них может быть связан с общим для них внешним вычислительным устройством через отдельный аналого-цифровой преобразователь, а внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации дополнительной функции по поочередному считыванию сигналов, поступающих с аналого-цифровых преобразователей.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащая по крайней мере два модуля стыка, входами связанных с соответствующими телефонными линиями каналов, а выходом - с мультиплексором, выход которого подключен к внешнему вычислительному устройству, снабжена аналого-цифровым преобразователем, предназначенным для преобразование уровня входного напряжения в последовательность цифровых отсчетов и вход которого связан с выходом мультиплексора, а выход - с внешним вычислительным устройством, при этом указанный мультиплексор выполнен аналоговым, каждый модуль стыка включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе и резисторах, выход которого связан с соответствующим входом аналогового мультиплексора, причем внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния каждой из телефонных линий каналов и с функцией управления мультиплексором для поочередной коммутации выходов модулей стыка на вход аналого-цифрового преобразователя. При отсутствии в модуле фильтра низкой частоты первого порядка выход операционного усилителя связан непосредственно с аналоговым мультиплексором.

Указанный технический результат также достигается тем, что модуль стыка для системы стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями содержит дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе, входы которого через резисторы связаны с телефонной линией, минусовой вход связан с выходом усилителя через резистор, а выход выполнен с возможностью связи с входом аналого-цифрового преобразователя внешней вычислительной схемы.

При этом параллельно резистору в связи минусового входа усилителя с его выходом может быть подключен конденсатор для обеспечения низкочастотной фильтрации входного сигнала.

На выходе операционного усилителя может быть смонтирован фильтр низкой частоты первого порядка или устройство выборки/хранения.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы стыка, первый вариант исполнения;
на фиг. 2 представлена структурная схема системы стыка, второй вариант исполнения;
на фиг. 3 представлена структурная схема системы стыка, третий вариант исполнения.

На фиг. 4 - алгоритм работы микроконтроллера в части реализации функции по определению текущего состояния телефонной линии по процедуре CheckLineState.

На фиг. 5 - алгоритм работы микроконтроллера в части реализации функции по управлению мультиплексором для поочередной коммутации выходов модулей стыка на вход аналого-цифрового преобразователя.

На фиг. 6 - алгоритм реализации функции считывания отсчета из каждого АЦП для дальнейшей обработки принятия решения о текущем состоянии каждой линии.

На фиг. 7 - алгоритм реализации функции после осуществления поочередной коммутации входа АЦП на соответствующие каналы и, как АЦП произведет преобразование очередного отсчета, считывает этот отсчет для дальнейшей обработки и принятия решения о текущем состоянии каждой линии.

Система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями (фиг. 1) согласно первому варианту исполнения содержит для каждого канала отдельный модуль стыка, входом связанный с телефонной линией этого канала. Система выполнена с аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом модуля стыка, а выход связан с внешним вычислительным устройством. Каждый модуль стыка включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе и резисторах, а внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния телефонной линии. При этом модуль стыка может быть выполнен с фильтром низкой частоты первого порядка.

Следующий вариант (фиг. 2) исполнения относится к системе, обеспечивающей связь одновременно с несколькими телефонными линиями. При использовании по крайней мере двух модулей стыка каждый из них связан с общим для них внешним вычислительным устройством через отдельный аналого-цифровой преобразователь, а внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации дополнительной функции по поочередному считыванию сигналов, поступающих с аналого-цифровых преобразователей.

В многоканальной системе (фиг. 2, 3) при использовании по крайней мере двух модулей стыка каждый из них может быть связан с внешним вычислительным устройством через единый (общий) для этих модулей стыка аналого-цифровой преобразователь, выполненный с функцией поочередной коммутации своего входа на соответствующие выходы модулей, а внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации дополнительной функции по поочередному считыванию сигналов, поступающих с аналого-цифрового преобразователя.

Согласно реализации изобретения система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями содержит по крайней мере два модуля стыка, входами связанных с соответствующими телефонными линиями каналов, а выходом - с мультиплексором, выход которого подключен к внешнему вычислительному устройству. Она снабжена аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом мультиплексора, а выход - с внешним вычислительным устройством, при этом указанный мультиплексор выполнен аналоговым, каждый модуль стыка включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе и резисторах, выход которого связан с соответствующим входом аналогового мультиплексора, причем внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния каждой из телефонных линий каналов и с функцией управления мультиплексором для поочередной коммутации выходов модулей стыка на вход аналого-цифрового преобразователя.

При этом аналого-цифровой преобразователь предназначен для преобразования уровня входного напряжения в последовательность цифровых отсчетов, а микроконтроллер, являющийся внешним вычислительным устройством, реализует функцию вычисления абсолютной величины разницы между отсчетом от канала и уровнем опорного напряжения и ее сравнения с порогом, соответствующим половине напряжения в линии при разорванном соединении.

Модуль стыка для системы стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями представляет собой отдельный узел, содержащий дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе, входы которого через резисторы связаны с телефонной линией, минусовой вход связан с выходом усилителя через резистор, а выход выполнен с возможностью связи с входом аналого-цифрового преобразователя внешней вычислительной схемы.

Параллельно резистору в связи минусового входа усилителя с его выходом может быть подключен конденсатор для обеспечения низкочастотной фильтрации входного сигнала, а на выходе операционного усилителя может быть смонтирован фильтр низкой частоты первого порядка.

Ниже приводится пример конкретной реализации предложения согласно изобретению (фиг. 3).

Система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями содержит по крайней мере два одинаковых по конструкции модуля стыка, каждый из которых включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный, например, на операционном усилителе ОУ 1 и резисторах 2-5 (соответственно R1, R2, R3, R4).

Напряжение от каждого из проводов телефонной линии поступает на вход дифференциального усилителя, выполненного на операционном усилителе ОУ и резисторах R1 - R4, причем R1=R2=10 MОм, R3=R4=100 кOм. Дифференциальный усилитель преобразует разность потенциалов в линии в смещение относительно опорного напряжения U_оп, прямо пропорциональное разности потенциалов в линии. Резисторы R1 и R2 выбираются достаточно большими (10 МОм), благодаря чему модуль практически не влияет на линию. Возможность использования больших значений R1 и R2 обусловлена очень высоким входным сопротивлением операционного усилителя ОУ. При указанных номиналах резисторов R1 - R4, напряжении питания ОУ +/-12 В и U_оп=2,5 B устройство обеспечивает нормальное распознавание состояния линии в диапазоне значений потенциала любого из проводов линии относительно земли модуля от -1200 В до +1000 В, что вполне достаточно практически для любых применений. При выходе потенциала за указанный диапазон синфазное напряжение на входе ОУ выходит за рабочий диапазон ОУ.

Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на вход фильтра низкой частоты первого порядка (ФНЧ), выполненного на резисторе R5 (поз. 6) и конденсаторе С1 (поз. 7). Этот фильтр имеет постоянную времени около 1 мс; он уменьшает высокочастотные помехи на входе аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), которые могут быть особенно сильными при работе устройства непосредственно на компьютере.

Напряжения с выходов ФНЧ каналов поочередно подключаются через аналоговый мультиплексор 9 на вход АЦП. АЦП преобразует уровень входного напряжения в последовательность 8-разрядных отсчетов и передает их в микроконтроллер 10 (МК) для последующей обработки. Переключение между входами происходит под управлением МК только после того, как АЦП закончит преобразование напряжения от текущего канала, что обеспечивает постоянство уровня на входе АЦП. Использование аналогового мультиплексора позволило обеспечить обработку нескольких каналов одним АЦП (а не устанавливать по одному АЦП на каждый канал), благодаря чему удалось добиться небольших габаритов устройства.

Микроконтроллер принимает от АЦП отсчеты с уровнями напряжений на выходе каналов и осуществляет их обработку, которая заключается в следующем.

1. Вычисляется абсолютная величина разницы между отсчетом от канала и уровнем опорного напряжения (этот уровень также подается на АЦП через мультиплексор). Благодаря использованию дифференциального усилителя эта величина прямо пропорциональна абсолютному значению напряжения в линии; при этом она практически не зависит от величины U_оп (если конечно последняя находится в диапазоне нормальной работы АЦП).

2. Вычисленное в п.1 значение сравнивается с порогом, соответствующим половине напряжения в линии при разорванном соединении. По результатам сравнения на некотором временном интервале, который может меняться в зависимости от текущего состояния линии, определяются следующие состояния линии:
1) трубка положена;
2) в линии обнаружен сигнал вызова;
3) установлено исходящее соединение;
4) установлено входящее соединение;
5) обнаружена цифра импульсного набора.

3. При обнаружении изменения состояния линии микроконтроллер МК обеспечивает выдачу соответствующей информации по двухпроводному интерфейсу 12С (поз. 11) на внешнее устройство 12.

Конфигурация модуля стыка, необходимая для опознавания состояния одной телефонной линии, выглядит следующим образом (вся нумерация - в соответствии с фиг. 1).

Входы дифференциального усилителя на базе ОУ 1 подключены к соответствующим проводам двухпроводной аналоговой телефонной линии. Параллельно резистору 4 может быть (а может и не быть) подключен конденсатор для того, чтобы уменьшить уровень высокочастотных помех на выходе ОУ 1, то сеть дифференциальный усилитель может одновременно осуществлять низкочастотную фильтрацию входного сигнала.

Между выходом дифференциального усилителя и входом аналого-цифрового преобразователя может быть установлен фильтр низкой частоты первого порядка.

Сигнал с выхода дифференциального усилителя подается на вход АЦП, который преобразует уровень напряжения на выходе дифференциального усилителя в последовательность цифровых отсчетов. Разрядность АЦП зависит от требуемой точности работы устройства. Отсчеты с выхода АЦП подаются на внешние вычислительные схемы, которые обеспечивают принятые решения о текущем состоянии линии.

Ниже приводятся алгоритмы реализации указанной функции.

А. Алгоритм работы микроконтроллера в части реализации функции по определению текущего состояния телефонной линии по процедуре CheckLineState (фиг. 4).

Входные параметры: U_Line - текущий отсчет АЦП, пропорциональный напряжению в линии. Выходные параметры: CurrentLineState - текущее состояние телефонной линии. Возможны следующие состояния: 0 - трубка положена, 1 - в линии обнаружен сигнал вызова, 2 - трубка снята при исходящем соединении, 3 - трубка снята при входящем соединении. Состояние, в котором должны быть переменные после аппаратного сброса: CurrentLineState=0; N=0; NotCallCnt=0; Calllntg=0.

Описание работы процедуры. При очередном входе в процедуру процессор анализирует состояние переменной CurrentLineState (предыдущее состояние линии). Если соединение в линии было установлено (CurrentLineState>1), то процессор переходит к ожиданию разрыва соединения. При этом он сравнивает считанное из АЦП значение отсчета с пороговым значением U_Por; если отсчет больше входного значения в течение заданного времени, определяемого константой Hook_ off_por, то принимается решение, что соединение в линии разорвано и переменная CurrentLineState обнуляется. Если соединение в линии было разорвано, то процессор переходит к ожиданию установки соединения и анализу наличия сигнала вызова в линии. В процессе ожидания установки соединения процессор сравнивает считанное из АЦП значение отсчета с пороговым значением U_Por; если отсчет меньше входного значения в течение заданного времени, определяемого константой Hook_on_por, то принимается решение, что соединение в линии установлено и переменная CurrentLineState устанавливается в соответствующее значение (2 - если соединение исходящее, 3 - если входящее). Если значение отсчета превышает порог U_Por, то процессор сравнивает отсчет с пороговым значением U_Call, определяющим порог обнаружения высоковольтного сигнала вызова. Если на интервале времени, определяемом константой NotCallPor (обычно 5 сек), превышение было в течение времени, определяемого константой CallPor (обычно не менее 1 сек), то принимается решение, что в линии - сигнал вызова и переменная CurrentLineState устанавливается в 1. Если в течение 5 сек не было обнаружено превышения отсчета от АЦП над U_ Call, то переменная CurrentLineState обнуляется.

Б. Алгоритм работы микроконтроллера в части реализации функции по управлению мультиплексором для поочередной коммутации выходов модулей стыка на вход аналого-цифрового преобразователя (фиг.5).

Для повышения качества преобразования между выходом дифференциального усилителя и входом АЦП могут быть включены фильтр низкой частоты и/или устройство выборки-хранения. Вход последнего подключается к выходу ФНЧ (если ФНЧ есть) или дифференциального усилителя (если ФНЧ отсутствует).

Для опознавания состояния одновременно нескольких телефонных линий могут использоваться следующие решения.

1. На каждую линию устанавливается по одному описанному в предыдущем абзаце узлу. При этом внешняя вычислительная схема (внешнее вычислительное устройство) должна поочередно считывать отсчеты из каждого АЦП для дальнейшей обработки и принятия решения о текущем состоянии каждой линии.

Ниже приводится алгоритм реализации указанной функции (фиг. 6).

Непосредственно в начале выполнения алгоритма процессор обнуляет счетчик времени time_ cntr и счетчик каналов i. После этого он дает команду во все АЦП начать процесс преобразования входных аналоговых сигналов. Далее с помощью счетчика time_ cntr процессор ожидает заданный интервал времени, определяемый константой SampleTime (обычно 2 мсек), после чего обнуляет счетчик и переходит к обработке отсчетов АЦП. В процессе обработки он поочередно считывает очередной отсчет из текущего АЦП, номер которого определяется переменной i, вызывает для каждого отсчета процедуру CheckLineState(), записывает возвращаемое ей значение в соответствующую ячейку массива LineState, после чего инкрементирует i и возвращается на команду старта всех АЦП. По окончании обработки отсчетов от АЦП всех каналов процессор переходит на начало процедуры.

2. То же, что и в п. 1, но используется один АЦП, вход которого подключен к выходу аналогового мультиплексора, сигнал на входы которого подается из точек схемы, подключаемых в п. 1 ко входам АЦП (то есть с выходов дифференциальных усилителей или фильтров низкой частоты, или устройств выборки-хранения в зависимости от конфигурации схемы). Внешняя вычислительная схема (устройство) осуществляет поочередную коммутацию входа АЦП на соответствующие каналы и, после того, как АЦП произведет преобразование очередного отсчета, считывает этот отсчет для дальнейшей обработки и принятия решения о текущем состоянии каждой линии.

Ниже приводится алгоритм реализации указанной функции (фиг. 7).

Непосредственно в начале выполнения алгоритма процессор обнуляет счетчик времени time_ cntr и счетчик каналов i. После этого он коммутирует мультиплексор на i-й канал и дает команду в АЦП начать процесс преобразования входного аналогового сигнала. Далее с помощью счетчика time_cntr процессор ожидает заданный интервал времени, определяемый отношением константы SampleTime (обычно 2 мсек) к обслуживаемому количеству каналов, после чего обнуляет счетчик и переходит к обработке отсчета АЦП. В процессе обработки он считывает отсчет из АЦП, вызывает для него процедуру CheckLineState(), записывает возвращаемое ей значение в соответствующую ячейку массива LineState, после чего инкрементирует i и возвращается к коммутации мультиплексора. По окончании обработки всех каналов процессор переходит на начало процедуры.

3. Для более качественного определения состояния линий в п. 1 и п.2 опорное напряжение всех дифференциальных усилителей может также преобразовываться посредством АЦП в цифровые отсчеты, используемые внешней вычислительной схемой для вычисления текущего напряжения в линии путем нахождения разницы между текущим отсчетом напряжения с выхода дифференциального усилителя соответствующего канала и отсчетом опорного напряжения. Полученная величина будет прямо пропорциональна текущему напряжению в линии. Такой подход практически исключает зависимость точности определения состояния линии от параметров элементов, формирующих опорные напряжения дифференциального усилителя и АЦП.

Настоящее изобретение позволяет получить следующие преимущества:
- исключительные простота и дешевизна, малое количество компонент,
- практически отсутствует влияние на подключенные телефонные линии,
- за счет применения микроконтроллера МК освобождается вычислительная мощность процессоров в основной схеме. В программном обеспечении основной схемы не надо учитывать особенности работы телефонных линий,
- возможность программного задания порогового напряжения снятия трубки. Благодаря этому устройство может работать как с городскими телефонными линиями, так и внутренними линиями мини-АТС,
- простота наращивания числа обслуживаемых каналов. Удвоение количества каналов достигается подключением параллельно двум проводам интерфейса 12N одного Модуля аналогичных проводов другого Модуля.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как его реализация основана на новом сочетании известных элементов, хорошо освоенных промышленностью и выпускаемых в качестве серийных компонентов электронных и компьютерных систем, в том числе систем связи.

В качестве аналогового мультиплексора, АЦП и микроконтроллера для любой из описанных систем может быть использован известный микроконтроллер с встроенным многоканальным АЦП РIС16С73В производства фирмы "Microchip", описанный в "PIС16/17 Microcontroller Data Book 1996/1997".

Изобретение относится к компьютерной технике, в частности к технике связи, касается конструкции встраиваемых в компьютер многоканальных плат, предназначенных для дуплексного стыка компьютера одновременно с несколькими аналоговыми двухпроводными телефонными линиями. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных качеств за счет простоты наращивания подключенных телефонных линий. По одному из вариантов система содержит по крайней мере два модуля, аналого-цифровой преобразователь, вход которого связан с выходом мультиплексора, внешнее вычислительное устройство, вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход через интерфейс - с внешними устройствами. Каждый модуль включает в себя дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе и резисторах. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащая модуль стыка, входом связанный с телефонной линией, отличающаяся тем, что она снабжена аналого-цифровым преобразователем, вход которого связан с выходом модуля стыка, а выход которого связан с внешним вычислительным устройством, причем внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния телефонной линии. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль стыка выполнен на дифференциальном усилителе и фильтре низкой частоты первого порядка. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что дифференциальный усилитель модуля стыка выполнен на операционном усилителе и резисторах. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что внешнее вычислительное устройство является контроллером. 5. Система стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащая по крайней мере два модуля стыка, входами связанных с соответствующими телефонными линиями, а выходами - с мультиплексором, выход которого подключен к внешним устройствам, отличающаяся тем, что она снабжена аналого-цифровым преобразователем, предназначенным для преобразования уровня входного напряжения в последовательность цифровых отсчетов и вход которого связан с выходом мультиплексора, а выход - с внешним вычислительным устройством, при этом указанный мультиплексор выполнен аналоговым, причем внешнее вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции определения текущего состояния каждой из телефонных линий и с функцией управления мультиплексором для поочередной коммутации выходов модулей стыка на вход аналого-цифрового преобразователя. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что модуль стыка выполнен на дифференциальном усилителе и фильтре низкой частоты первого порядка. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что дифференциальный усилитель модуля стыка выполнен на операционном усилителе и резисторах. 8. Модуль стыка для системы стыка микропроцессорной аппаратуры с аналоговыми абонентскими двухпроводными телефонными линиями, содержащий дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе, входы которого являются входами модуля и через резисторы (R1,R2) связаны с телефонной линией, минусовой вход операционного усилителя связан через резистор (R4) со своим выходом, который является выходом модуля стыка. 9. Модуль по п.8, отличающийся тем, что параллельно резистору в связи минусового входа операционного усилителя с его выходом подключен конденсатор для обеспечения низкочастотной фильтрации входного сигнала. 10. Модуль по п.8, отличающийся тем, что на выходе операционного усилителя смонтирован фильтр низкой частоты первого порядка. 11. Модуль по п.8, отличающийся тем, что операционный усилитель связан с фильтром низкой частоты первого порядка.