语音数字记录仪的电话接口

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摘要：介绍语音数字记录仪的电话接口，采用单片机控制，电话简单，可靠性高，应用灵活。现已作为铁路语音数字记录仪的一个必备接口。

    关键词：单片机 DTMF 通信接口

随着数字信号处理芯片（DSP）的发展，语音编解码技术日益广泛地应用于军事、民用和监控等领域。就语音数字记录仪而言，也可广泛地应用于运输、公安、消防、电话服务质量监督等诸多领域。但是记录仪通常放置在工作现场附近，如果要知道记录仪的工作状态或查询其中的记录数据，维护人员必须到现场，工作量极大。本文介绍的电路主要是为记录仪提供远程的电话查询接口，维护人员依靠手中的电话就可以查询记录仪的工作状态和数据记录。系统需要独占一个电话号码，接通电话后使用者在语音提示下通过电话键盘输入密码，经过确认后可以查询记录仪的工作状态是否正常。也可以输入时间对记录仪存储的一段语音进行查询，语音记录将经由电话线路播放（本地查询时通过喇叭播放）。如果三闪密码输入不正确，或在语音提示下长时间没有反应，系统将会强制挂机。
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    为了简化电路，本接口使用ATMEL 89C2051单片机作为控制核心，它有128字节RAM，2K字节ROM，两个时钟。采用DTMF信号进行通信，实现远程控制。电路可靠性高。价格低。电话可独立地作为一个系统，也可用作自动电话查询或电话拔号控制系统的接口电路，使用比较灵活方便。

本电路具有语音回放接口、消侧音模块，提高了系统的稳定性，可避免系统出现误动作，配合相应的软件可以实现双向通信。本电路在设计中对电话线的和记录仪的地作了隔离，否则系统会无法正常工作。

1 总体的功能要求

（1）来电时，在振铃几次后自动摘机；

（2）在通话过程中，检测到对方挂机后自动挂机，也可以主动地进行强制挂机；

（3）能够将电话线上的传输的DTMF信号转换成为数字信号，并通过自定义通信口或者UART端口传送给其它模块；
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    （4）电话线的地和记录仪的地需要隔离；

（5）电话需要提供功率放大器到电话线的传输接口，以实现远程监听和查询；

（6）系统要有高可靠性。

2 硬件构成及原理

系统组成框图如图1的所示。

    接口电路主要包含以下几个模块：电话线接口、振铃检测、双音多频信号检测、忙音检测以及与主控单片机的通信。下面分别介绍其中的一些模块电路。

2.1 电话线接口电路

电话线接口电路如图2所示。电路模拟摘挂机通过控制一个电流源通断来实现。交换机通过线路上的直流电流来判断用户的摘挂机状态。在挂机状态下，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>电路上的直流电流为0;在摘机状态下，线路上的直流电流为18mA～55mA，如果电流超出此范围，则认为用户环路出了故障。单片机通过端口I/O1控制三极管T1的通断来控制电路中的电流，模拟摘挂机的动作。当I/O1为低电平时，T1截止，电流比较小，处于挂机状态；当I/O1为高电平，T1导通，此时T1和T2组成的电流源将提供30mA左右的电流，相当于电话摘机，交换机会接通话路。另外，恒流源可以保证电路具有较小的直流阻抗（<300Ω）和较大交流阻抗（>600Ω）.在电话线之间跨接压敏电阻，以达到抗雷击保护的作用。

由于在检测振铃信号的时候T1截止，在稳压二极管的钳制下，线路上的电压几乎都加在T1的集电极和发射极两端，此时电压高达100多伏。所以三极管需要选择一个耐压比较高的三极管，耐压在150V左右比较合适。需要注意的是所使用的单片机I/O脚的输出电流，T1的基极工作电流大约为2mA～3mA，而89C2051的输出电流只有80μA，无法驱动三极管，所以需要驱动电路。

为了将功率放大器的输出送到电话线路上去，通常的做法是采用变压器耦合。但在本文中采用了一种更为简单的办法。

电路采用了直接电容耦合。记录仪的I/O输出通过电容、8Ω电阻R1将声音耦合到电话线路。89C2051通过I/O2控制继电器来控制声音是播放到本地的嗽还是电话线路。电阻放在电桥的后面，便于直接从Voice处取出声音信号来消侧音。
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    2.2 振铃检测电路

在待机状态下，电话线路上的电压一直保持约52V；当有用户呼叫本机时，交换机将向电话线路上发送振铃信号，振铃信号为90V±15V、25Hz±3Hz、3s通、4s断的蜂音。此时只需将线路上的电压与参考电压进行比较，I/O3的高电平时就可以检测出振铃信号，电路如图3所示。因为振铃电压要比平时高许多，所以可靠性高，干扰信号不会影响检测结果。同时，可在软件部分进行振铃次数的检测，设置在一定次数的振铃后再摘机，提高系统的稳定性。

2.3 DTMF信号检测

DTMF信号检测则自MT8870完成，见图4。当有DTMF信号时，MT8870可以将其解码得出四位二进制代码，同时产生一个STB信号，用作与其它控制芯片连接。

2.4 忙音检测

图5为忙音检测电路。通话中一方挂机后，交换机会向另一方发送忙音信号。电话远程模块必须具备的一个功能就是在查询者挂机后，检测出忙音，自动挂机。线路上的忙音信号是0.35s±0.05s断续的450Hz±25Hz峰音。本电路采用Teltone公司的M982。这是一个专门用于电话呼叫进程检测的芯片。其作用是把峰音信号转换成高低电平的信号，使用本身的时钟，所以检测比较准确，且与单片机接口比较方便。

2.5 消侧音电路

因为挂机依据的是忙音检测结果，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>而语音中包含了忙音450Hz这个频率，所以在线路上声音比较大时，有可能影响忙音检测的进程，使得电路误挂机。消侧音电路可以减少在放音过程中系统的误动作，提高系统的可靠性和稳定性。

电路如图4所示。从Voice处取出的语音通过T3反向后与通过话路耦合过来的信号相加，以达到消除忙音检测输入信号中的声音的目的，电路简单可靠。

2.6 光耦隔离

光耦电路如图6所示。使用电话接口的电路需要注意的一点是，电源必须悬浮（由于记录仪采用了接地设计，两部分的电源必须隔离）。此电路中采用光电耦合器来实现隔离。电路中采用普通的4N35，在标定的传输频率下需要的电流辅导几个mA，但是因为89C2051可以提供10mA的吸收电路，故可以直接同光耦连接使用，比较方便。

2.7 与记录仪的通信接口

接口电路与记录仪的通信通过四个信号线来实现，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>分别是STB选通、ASW应答、DATA数据、CLK时钟。这种通信接口可以从远程模块向记录仪单向发送DTMF数据。

3 软件控制流程

主程序流程图如图7所示。

系统一直监测线路信号，在三次振铃后接通电路。提示音通过8Ω电阻耦合到电话线路上后，就可以进行DTMF信号的通信。系统检测电话线上的DTMF码；同时检测线路否有忙音信号，判断对方是否已挂机，若对方挂机则本地也挂机。在挂机后系统返回初始等待状态；如果主叫方三次密码输入错误，则记录仪通知电话查询模块主动挂机；主叫方在接通电话以后长时间没有输入需要查询的记录时间，电路也会主动挂机。

软件首先对所用到的寄存器和存储器进行初始化，然后进入节电模式。

如果有振铃信号，则通过中断方式进行响应。振铃3次后接通电话；对于异常情况，如振铃只响过一次对方就已经挂机，则不响应。中断处理程序中首先将中断屏蔽掉javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>（以避免同一次铃流而产生几次中断），计时4s后打开断；如果超过8s仍然没有下一次铃流来触发中断，则清除计数器，跳转到程序开始。累计振铃3次后，关掉中断，避免其他干扰信号打断程序的正常运行。此后进入主程序。

为了保证程序的实时性且不丢失数据，主程序为一个主循环。循环中根据输入和标志位来判断是否有DTMF数据需要接收，是否有数据需要发送，是否需要挂机。而数据的接收检测、发送和忙音检测是在定时中断中来做。

在忙音时M982的输出是一个0.35s±0.05s的方波。此时对方已经挂机，其他的任务已基本不需要占用时间，所以可以采取一种比较严格的检测方法。本文在检测到有忙音信号，即I/O3变低时，开始连续监测，每隔100μs检测一次，如果连续100ms中有85ms均为低电平，即检测1000次中至少有850次为低，则认为检测到一次方波的低电平部分，然后延时200ms后再开始检测高电平。在检测到高以后，同样监测100ms，然后再检测低电平。一共检测3个周期，如果检测都通过，即认为收到一个合格的忙音信号，在挂机的同时通知记录仪。

在检测到有DTMF信号时，即I/O4变为高电平时，设置接收标志位，在主程序中接收数据，并且缓存在RAM中。因为接收到的数据除了密码，就是查询时间，需要用FIFO的存储方式，将顺序输入的数据发给记录仪。在时钟中断服务程序中仅设置标志位，在主程序中读取。

如果有数据需要发送，电路首先在STB上给出信号；然后等待ASW线上的应答信号；在得到应答后，开始发送程序产生的时钟信号，在时钟信号的上升沿发送数据位，外围电路在时钟信号的下降沿接收数据。电路的传送速率是100kbps。由于DTMF信号都只有四位数据，所以数据发送时定义了一个前导码，即三个'0'一个'1'，然后是数据。

这个接口电路经过实际运行检验，具有电路可靠、使用灵活、成本低等特点。