Emulator linii telefonicznej

fot. Spectrum - Widok ogólny emulatora linii telefonicznej

Emulator linii telefonicznej jest urządzeniem służącym do testowania i uruchamiania układów współpracujących z linią telefoniczną (np. układy sterowania). Tego typu urządzenie stanowi praktycznie prostą centralę telefoniczną, z którą można łączyć i testować „bezboleśnie” układy współpracujące docelowo z rzeczywistą centralą. Opisywany emulator linii został zaprojektowany i wykonany w ramach projektu przejściowego. Oprócz wymienionych w zastosowań może on również z powodzeniem być wykorzystany w laboratorium w ramach zajęć z podstaw telekomunikacji.

Symulacja linii telefonicznej

Dla prostych urządzeń linia telefoniczna oprócz medium transmisyjnego stanowi również źródło zasilania. W stanie spoczynkowym w linii tej może panować napięcie z zakresu 48-60 V. Zajęcie linii (związane z podniesieniem mikrotelefonu przez abonenta) powoduje przepływ prądu i spadek napięcia w linii do ok. 15 V. Napięcia nie są krytyczne, gdyż zależą od jakości linii i jej długości. Również nie zawsze w stanie spoczynkowym linii będzie ono wynosił 48 V. Praca z niższym napięciem spoczynkowym dotyczy zwłaszcza wszelkiego rodzaju linii radiowych, gdzie zasilanie znajduje się u abonenta, a fizyczna linia kończy się na ścianie budynku nadajnikiem radiowym. W prezentowanym urządzeniu napięcie spoczynkowe to 24 V, a zajęcie linii stwierdzane jest po wystąpieniu przepływu prądu. Należy również zapewnić generowanie podstawowych sygnałów centralowych oraz sygnału dzwonienia do abonenta wywoływanego. Sygnały centralowe to ton 400 Hz kluczowany w sposób pokazany na rysunku 1. Sygnał dzwonienia generowany jest przez bezpośrednie dołączenie urządzenia do napięcia przemiennego 45 V.

fot. Spectrum

Rys.1. Podstawowe sygnały centralowe generowane przez emulator

Nadawanie i odbiór sygnałów DTMF

Do odbioru kodów cyfr wybieranych przez abonenta zastosowano scalony MT8888 będący nadajnikiem i odbiornikiem sygnałów DTMF.
Nadajnik DTMF generuje z wysoką dokładnością szesnaście standardowych par tonów kodu DTMF przy obecności minimalnych zniekształceń. Wszystkie częstotliwości są pochodnymi od częstotliwości 3,578545 MHz ustalanej za pomocą zewnętrznego rezonatora kwarcowego. Sinusoidalne kształty fal poszczególnych tonów są syntezowane cyfrowo, przy użyciu programowanych dzielników i przełączanych kondensatorów przetwornika C/A. Poszczególne częstotliwości niskiego i wysokiego zakresu są mieszane i filtrowane dostarczając precyzyjny kod DTMF o małej zawartości harmonicznych.
Poszczególnym tonom DTMF przypisane są częstotliwości z dolnego (fLOW) i górnego (fHIGH) zakresu. Grupa niskich tonów zawiera następujące częstotliwości: 697 Hz, 770 Hz, 852 Hz i 941 Hz, zaś wysokich: 1209 Hz, 1336 Hz, 1477 Hz i 1633 Hz. Typowy stosunek amplitudy tonu wysokiego do niskiego to 2 dB.
Odbiornik DTMF. Rozdział pomiędzy tonami z grupy niskich i wysokich częstotliwości jest zapewniony poprzez zastosowanie za wzmacniaczem wstępnym dwóch filtrów o pasmach przenoszenia 350 Hz i 440 Hz. Wyjścia filtrów są dołączone do dwóch szesnastopozycyjnych przełączników kondensatorów, które przepuszczają tylko sygnały o poprawnych częstotliwościach. W celu zmniejszenia prawdopodobieństwa wykrycia niepożądanych sygnałów niskiego poziomu ograniczono wzmocnienie komparatorów porównujących. Kolejnym etapem rozpoznawania jest dekoder oparty na technice cyfrowego zliczania w celu określenia, czy przychodzący ton jest poprawnym kodem DTMF. Zastosowany algorytm cyfrowy chroni układ odbiornika przed pomyleniem z innymi dźwiękami (np. mowy). Został on opracowany dla zapewnienia optymalnego odseparowania rozmowy, trzeciego tonu (np. od interferencji) oraz szumu od rozpoznawanych kodów. Jeśli układ rozpozna obecność dwóch poprawnych tonów (czyli spełniony jest warunek sygnału) następuje zgłoszenie tego faktu zboczem opadającym na linii IRQ.

Budowa emulatora

Schemat blokowy emulatora linii telefonicznej pokazano na rysunku 2. Oprócz wymienionych bloków zawiera on jeszcze jeden bardzo przydatny w rożnych testach – wzmacniacz akustyczny z głośnikiem. Służy on do „podsłuchiwania” tego, co dzieje się w linii bez trzymania mikrotelefonu przy uchu. Wzmocnienie tego wzmacniacza regulowane jest za pomocą potencjometru sterowanego cyfrowo. Jak widać na schemacie blokowym emulator składa się z kilku modułów współpracujących ze sobą. Ze względu na duże zróżnicowanie napięć i sygnałów propagujących się między poszczególnymi elementami oraz ograniczone wymiary obudowy postanowiono, że zostaną zaprojektowane dwie płytki drukowane. Na jednej ze płytek, tzw. analogowej, umieszczono 2 abonenckie zespoły liniowe (AZL), driver pośredniczący oraz blok zasilacza. Na drugiej „cyfrowej” płytce umieszczono mikrokontroler typu AT89S53 firmy Atmel, należący do rodziny MCS-51, wzmacniacz akustyczny, dekoder DTMF i złącza dla klawiatury i wyświetlacza. Okazało się jednak, że wybrany mikrokontroler ma niewystarczającą liczbę wyprowadzeń, aby wysterować wszystkimi peryferiami, dlatego dodano dwa rejestry przesuwające szeregowo–równoległe CMOS typu CD4094. Jeden z nich steruje sygnałami dla wyświetlacza LCD, a drugi poprzez driver załącza przekaźniki znajdujące się na dolnej „analogowej”płytce. Tym sposobem wyżej wymienione elementy obsługujemy tylko trzema liniami mikrokontrolera. Skomplikowało to nieco program sterujący obsługą wyświetlacza. Obie płytki połączone są za pomocą gniazd i wtyków sygnałowych oraz trzech śrub wraz ze słupkami dystansowymi. W ten sam sposób zamocowano wyświetlacz LCD. Całość po złożeniu szczelnie wypełnia wysokość i szerokość obudowy i nie musi być dodatkowo do niej mocowana. Ponadto oprócz przewodu zasilającego występuje tylko taśma przyłączająca transformator i klawiaturę. Program sterujący mikrokontrolerem napisano w środowisku Keil uVision. Realizuje on detekcję podniesienia mikrotelefonów, generacje sygnałów centralowych, sterowanie wyświetlaczem LCD, potencjometrem cyfrowym, dekoderem DTMF, przekaźnikami pola komutacyjnego oraz odczyt klawiatury matrycowej.

fot. Spectrum

Rys. 2. Schemat blokowy emulatora linii telefonicznej

Płytki drukowane zostały zaprojektowane w środowisku PROTEL 99SE i wykonane w firmie SATLAND Prototype. Projektując je starano się, aby cały układ emulatora wraz z zasilaczem zmieścił się w niewielkiej obudowie KM-51. Wybór tego typu obudowy podyktowany był również tym, iż posiadała ona fabryczny otwór pod wyświetlacz LCD, jak też dwa dodatkowo otwory o średnicy 5 mm. Wykorzystano je montując dwukolorowe diody LED sygnalizujące zajęcie linii (świecą kolorem zielonym) oraz generowanie sygnału dzwonienia (kolor czerwony).

Obsługa urządzenia

Obsługę urządzenia możemy podzielić na obsługę od strony emulowanych linii – typowa obsługa aparatu telefonicznego (podniesienie mikrotelefonu, wybranie numeru, uzyskanie połączenia bądź sygnał zajętości) oraz na sterowanie przy pomocy klawiatury. Naciśniecie dowolnego przycisku klawiatury numerycznej, gdy któryś z mikrotelefonów jest podniesiony powoduje generacje sygnałów tonowych do aktywnej linii.
Gdy oba mikrotelefony są odłożone działają następujące klawisze:
A – wchodzi do menu/podmenu podmenu akceptuje wpisany numer
B – tylko w trybie edycji numeru – backspace
C – wychodzi poziom wyżej, w menu wyboru powoduje zapis ustawień
D – tylko w trybie edycji numeru, kasuje wpisany numer 1, 2, 3 – kolejne pozycje danego poziomu menu – wybór.
Przykładowo, aby zmienić numer pierwszego urządzenia należy:
• nacisnąć klawisz A
• z dostępnych trzech opcji klawiszem 1 wybrać „Ustawienia ab. 1”
• nacisnąć klawisz A
• zobaczymy ustawiony aktualnie numer; aby zmienić nacisnąć klawisz A
• wpisać z klawiatury nowy nr i zatwierdzić klawiszem A
• wyjść do głównego menu kilkoma naciśnięciami klawisza C lub podnosząc dowolny mikrotelefon.
Po włączeniu zasilania emulator przywraca ostatnio zapisane ustawienia. Jeżeli w trakcie uruchamiania będziemy trzymać naciśniety dowolny klawisz 0–9 nastąpi przywrócenie ustawień fabrycznych i zapisanie ich do pamięci.

fot. Spectrum

Rys. 3. Schemat menu emulatora

Ustawienia fabryczne to:
• głośność: poziom 6
• nr abonenta 1: 01
• nr abonenta 2: 02
• zmiana polaryzacji dla obu urządzeń – wyłączona
• wysyłanie prezentacji numeru CLIP dla obu urządzeń– wyłączone

fot. Spectrum

Rys. 5. Widok emulatora po zdjęciu górnej pokrywy obudowy
i odłączeniu klawiatury

Wnioski
Przedstawiona konstrukcja łączy umiejętności projektowania urządzeń elektrycznych, rysowania płytek drukowanych oraz programowania mikrokontrolerów. Zbudowany i przetestowany emulator spełnił postawione mu zadania. Uruchamianie było o tyle łatwe, że praktycznie cała inteligencja zawarta jest w mikrokontrolerze, którą można było dowolnie wiele razy zmieniać. Niestety pierwsza wersja płytki pokazała, że miniaturowe przekaźniki mogą wymagać określonej polaryzacji. Problem musiał zostać usunięty poprzez ponowne wykonanie płytek. To była jedyna napotkana trudność w konstruowaniu emulatora. Urządzenie może służyć zarówno do testowania innych urządzeń jak również jako prosta centrala do realizowania nietaryfikowanej łączności, np. w domu.

Literatura
[1] Starecki T.: Mikrokontrolery 8051 w praktyce, BTC, 2002
[2] Smyczek M.: Protel 99SE pierwsze kroki, BTC, 2003
[3] Kraszewski M.: Telefoniczne urządzenia końcowe. Skrypt WAT, 1979

Autor: Marek Sawicki, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki