Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông vào đầu thập niên 2000, hệ thống mạng điện thoại đóng vai trò huyết mạch trong việc trao đổi dữ liệu và liên lạc của xã hội. Mạng điện thoại chuyển mạch nội hạt và các tổng đài nhánh tự động phục vụ nhu cầu liên lạc độc lập tại các cơ quan, xí nghiệp, cũng như hỗ trợ phổ cập dịch vụ viễn thông về các địa phương và vùng nông thôn. Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Tổng Đài Điện Tử 4 Thuê Bao" được tác giả Trịnh Thanh Trúc thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 05/2003) dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Minh Thành.
Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng và phần mềm cho một tổng đài nội bộ dung lượng 4 thuê bao với các nhiệm vụ cụ thể:
- Thiết kế và thi công phần cứng tổng đài điện tử theo cấu trúc từng mô-đun chức năng độc lập.
- Xây dựng phần mềm điều khiển trên vi điều khiển có khả năng thay đổi linh hoạt.
- Cho phép mở rộng dung lượng thuê bao theo phương thức ghép nối thêm mô-đun.
- Xử lý và giải mã tín hiệu quay số ở chế độ đa tần kép DTMF (Dual Tone Multi-Frequency).
Phạm vi nghiên cứu bị giới hạn trong khung thời gian 6 tuần, tập trung vào việc thiết kế mạch ghép nối thuê bao, mạch trung kế, ma trận chuyển mạch tín hiệu tương tự và lập trình giải thuật điều khiển xử lý cuộc gọi cho các thuê bao nội bộ kết nối ra mạng viễn thông ngoài.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật
Đề tài dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật viễn thông và truyền số liệu:
- Cấu trúc mạng và phân cấp tổng đài: Khảo sát hệ thống phân cấp 5 lớp gồm Trung tâm miền (Regional Center - Lớp 1), Trung tâm vùng (Sectional Center - Lớp 2), Trung tâm cấp một (Primary Center - Lớp 3), Trung tâm đường dài (Toll Center - Lớp 4), và Tổng đài nội hạt (End Office - Lớp 5), cùng các thiết bị đầu cuối/tổng đài nhánh nội bộ kết nối theo mạng hình sao.
- Kỹ thuật chuyển mạch: Khảo sát chuyển mạch không gian (tiếp thông hoàn toàn, không hoàn toàn, chuyển mạch nhiều tầng Clos với công thức tính tiếp điểm tối ưu $N_s = 2Nk + k(N/n)^2$) và chuyển mạch phân chia thời gian (ghép kênh PAM theo định lý lấy mẫu Shannon, ghép kênh mã xung PCM, chuyển mạch TSI, TS, TST).
- Các tiêu chuẩn tín hiệu viễn thông: Dải thông thoại chuẩn $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$; tỷ số tín hiệu trên nhiễu $S/N \ge 30:1$; mức công suất phát chuẩn $\le 0\text{ dBm}$ ($1\text{ mW}$); các âm hiệu mẫu gồm âm mời quay số Dial Tone ($425 \pm 25\text{ Hz}$ liên tục, biên độ $\approx 3\text{ V}$), âm báo bận Busy Tone ($425 \pm 25\text{ Hz}$, nhịp $0{,}5\text{s}$ có / $0{,}5\text{s}$ không), âm chuông Ringing ($20 - 25\text{ Hz}$, $75 - 90\text{ Vrms}$, nhịp $3\text{s}$ có / $4\text{s}$ không), và hồi âm chuông Ringback Tone ($425 \pm 25\text{ Hz}$, nhịp $3\text{s}$ có / $4\text{s}$ không).
- Mã hóa quay số: So sánh phương pháp quay số bằng xung thập phân (Pulse - chu kỳ $100\text{ ms}$, tỷ lệ $33{,}3%$ mở / $66{,}7%$ ngắt) và quay số bằng đa tần kép DTMF kết hợp 4 tần số nhóm thấp ($697\text{ Hz}, 770\text{ Hz}, 852\text{ Hz}, 941\text{ Hz}$) với 4 tần số nhóm cao ($1209\text{ Hz}, 1336\text{ Hz}, 1477\text{ Hz}, 1633\text{ Hz}$).
Phương pháp nghiên cứu
Tác giả so sánh ba phương án công nghệ thực thi hệ thống: kỹ thuật số thuần túy (hạn chế khả năng mở rộng bộ nhớ), kỹ thuật vi xử lý (phần cứng phức tạp) và kỹ thuật vi điều khiển. Đề tài lựa chọn giải pháp vi điều khiển Intel 8051 (chip AT89C51) phối hợp với các vi mạch chuyên dụng nhờ cấu trúc phần cứng gọn nhẹ, chi phí thấp, hỗ trợ bus địa chỉ/dữ liệu linh hoạt và phần mềm dễ lập trình.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo phương án chuyển mạch không gian đơn tầng kết hợp điều khiển tập trung bởi khối xử lý trung tâm (MCU).
+-------------------------------------------------------------+
| KHỐI ĐIỀU KHIỂN |
| Vi điều khiển AT89C51 (Thạch anh 12MHz) |
+------+----------------+---------------+---------------+-----+
| | | |
+------v------+ +------v------+ +-----v-------+ +----v----+
| Khối I/O | | Mạch thu | | Mạch phát | | Mạch |
| (74138/244) | | DTMF MT8870 | | Âm hiệu | | Nguồn |
+------+------+ +------+------+ +-----+-------+ +----+----+
| | | |
+------v----------------v---------------v---------------+-----+
| MA TRẬN CHUYỂN MẠCH |
| Vi mạch CD22100 (Ma trận 4x4 khóa CMOS) |
+-----------------------+-------------------------------------+
|
+----------------+----------------+
| |
+------v------------------+ +---------v---------------+
| Mạch giao tiếp thuê bao | | Mạch giao tiếp trung kế |
| (4 mạch SLIC - Opto/BJT)| | (CO-Line - Rơle/Opto) |
+-------------------------+ +-------------------------+
Các khối phần cứng chức năng
- Khối điều khiển trung tâm (MCU): Sử dụng vi điều khiển AT89C51 chạy ở tần số thạch anh $12\text{ MHz}$, sử dụng $4\text{ KB}$ Flash ROM nội nạp chương trình, ngắt Timer định thời chu kỳ quét $10\text{ ms}$, ngắt ngoài $\overline{\text{INT0}}$ nhận dữ liệu quay số từ bộ thu DTMF, mạch Reset kết hợp nút nhấn và mạng RC ($8{,}2\text{ k}\Omega / 100\ \Omega$).
- Khối giải mã I/O: Dùng IC giải mã địa chỉ $74\text{HC}138$, mạch đệm $74\text{HC}244$ và chốt dữ liệu $74\text{HC}373$ để phân phối các bus điều khiển đến các khối chuyển mạch và ngoại vi.
- Khối chuyển mạch không gian: Sử dụng IC tương tự CD22100 chứa ma trận $4 \times 4$ khóa chuyển mạch (16 tiếp điểm tương tự CMOS). Khóa được điều khiển đóng/ngắt độc lập thông qua 4 đường địa chỉ giải mã, đường dữ liệu Data In và chân xung chốt Strobe.
- Khối thu giải mã DTMF: Sử dụng IC chuyên dụng Mitel MT8870 kết nối thạch anh $3{,}579545\text{ MHz}$, tích hợp mạch lọc dải tần, mạch dò điểm cắt không (Zero-crossing), bộ đếm số (digital counting), xuất 4-bit dữ liệu nhị phân $Q_1 - Q_4$ và xung kích ngắt STD đưa về chân $\overline{\text{INT0}}$ của AT89C51.
- Khối âm hiệu và chuông: Các âm hiệu Dial Tone, Busy Tone, Ringback Tone được vi điều khiển tạo xung phát trực tiếp qua các chân cổng $P_0$ ($P_{0.7}$ xuất Dial Tone). Tín hiệu chuông được lấy từ biến áp hạ áp từ lưới điện xoay chiều thành nguồn $75\text{ V} / 50\text{ Hz}$ cấp vào đường dây qua tiếp điểm rơ-le.
- Mạch giao tiếp thuê bao (SLIC): Tạo nguồn dòng tĩnh $20\text{ mA}$ cấp cho máy điện thoại bằng transistor $Q_1$ (A1015) và Diode Zener $DZ_1$ ($3\text{ V}$); cảm biến trạng thái nhấc máy/gác máy bằng Opto 4N35 qua điện trở $R_5 = 1{,}2\text{ k}\Omega$; biến áp cách ly âm tần tỷ lệ $1:1$ trở kháng $600\ \Omega : 600\ \Omega$; rơ-le cấp chuông 12V điều khiển bởi transistor $Q_2$ (C945) có diode $D_4$ tự động cắt dòng chuông ngay khi thuê bao nhấc máy; bảo vệ quá áp bằng cặp Zener $DZ_2, DZ_3$ ($4{,}7\text{ V}$).
- Mạch giao tiếp trung kế (CO-Line): Kết nối với tổng đài bưu điện bên ngoài; tích hợp mạch cảm biến dòng chuông gọi vào dùng cầu chỉnh lưu diode, Zener $DZ_3$ ($15\text{ V}$), tụ $C_1 = 0{,}47\ \mu\text{F}/250\text{ V}$ và Opto 4N35 đưa tín hiệu về chân ngắt $\overline{\text{INT1}}$; mạch tạo tải giả nhấc máy dùng transistor $Q_2$ (C945), $R_2 = 6{,}2\text{ k}\Omega$, $R_3 = 560\ \Omega$, tụ chặn DC $C_2 = 10\ \mu\text{F}/50\text{ V}$ và rơ-le đóng ngắt mạch vòng.
- Khối nguồn nuôi: Thiết kế tách biệt với các IC ổn áp tuyến tính 7805 ($+5\text{ V}$ cho mạch số), 7812 ($+12\text{ V}$ cho rơ-le), và 7824 ($+24\text{ V}$ cho nguồn dòng thuê bao), trong đó các nhánh nguồn cách ly chống can nhiễu.
| Thành phần khối mạch |
Linh kiện / Thông số kỹ thuật chính |
Chức năng kỹ thuật |
| Vi điều khiển |
Intel AT89C51 ($12\text{ MHz}$, $4\text{ KB}$ ROM, $128\text{ B}$ RAM) |
Xử lý logic, quét trạng thái, điều khiển kết nối |
| Chuyển mạch |
CD22100 (Ma trận $4\times 4$ khóa CMOS) |
Tiếp thông tín hiệu thoại tương tự giữa các kênh |
| Giải mã DTMF |
MT8870 (Thạch anh $3{,}58\text{ MHz}$, $R_1=100\text{k}\Omega, R_2=71{,}5\text{k}\Omega$) |
Thu và chuyển đổi mã phím bấm sang 4-bit nhị phân |
| Cảm biến thuê bao |
Opto 4N35, BJT A1015, Zener $3\text{ V}$, tụ lọc $10\ \mu\text{F}$ |
Phát hiện nhấc/gác máy, cấp nguồn dòng đàm thoại $20\text{ mA}$ |
| Cảm biến trung kế |
Cầu Diode, Zener $15\text{ V}$, Opto 4N35, $C=0{,}47\ \mu\text{F}/250\text{ V}$ |
Nhận biết tín hiệu chuông gọi vào từ tổng đài ngoài |
| Tải giả trung kế |
BJT C945, $R_2=6{,}2\text{ k}\Omega$, $R_3=560\ \Omega$, Rơ-le 12V ($300\ \Omega$) |
Chiếm trung kế, phối hợp trở kháng AC $600\ \Omega$ |
| Khối nguồn |
LM7805, LM7812, LM7824, Biến áp hạ áp chuông $75\text{ V}$ |
Cung cấp nguồn áp DC ổn định và điện áp chuông |
Giải thuật và phần mềm điều khiển
Phần mềm điều khiển hệ thống thực hiện theo phương thức phân chia thời gian ngắt quãng kết hợp xử lý ngắt ưu tiên:
- Chu kỳ quét trạng thái: Sử dụng ngắt Timer định kỳ với chu kỳ xử lý tối đa $10\text{ ms}$. Tại mỗi chu kỳ, vi điều khiển tuần tự kiểm tra cảm biến trạng thái của 4 thuê bao và 1 trung kế để lọc hiện tượng rung phím (Hook Switch) trước khi xác nhận nhấc máy.
- Tiếp nhận quay số: Chương trình ngắt ngoài
EX0_ISR có mức ưu tiên cao nhất, lập tức kích hoạt đọc giá trị 4-bit từ cổng $P_2$ khi IC MT8870 xuất xung tại chân STD.
- Quản lý thời gian chờ (Timeout): Sau $15\text{ giây}$ nghe âm Dial Tone nếu thuê bao không nhấn số, hệ thống tự động ngắt bộ thu DTMF và chuyển sang phát Busy Tone. Nếu sau $1\text{ phút}$ đổ chuông mà thuê bao bị gọi không nhấc máy, hệ thống tự ngắt chuông và gửi Busy Tone về thuê bao chủ gọi.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng đài điện thoại
Chương này tổng quan về lịch sử phát triển, nguyên lý và cấu trúc mạng viễn thông:
- Khảo sát các thế hệ tổng đài: Tổng đài nhân công (kết nối thủ công bằng phích cắm), tổng đài cộng điện (dùng nguồn DC chung từ tổng đài), tổng đài cơ điện (chuyển mạch cơ khí từng nấc, quay tròn), và tổng đài điện tử (dùng khóa chuyển mạch điện tử và máy tính điều khiển).
- Trình bày chi tiết cấu trúc phân cấp mạng điện thoại 5 lớp, các chuẩn giao tiếp trung kế tương tự (CO-Line 2 dây, E&M 4 dây) và trung kế số (chuẩn Bắc Mỹ T1 tốc độ $1{,}544\text{ Mbps}$ với 24 kênh, chuẩn Châu Âu E1 tốc độ $2{,}048\text{ Mbps}$ với 32 khe thời gian tốc độ $64\text{ Kbps}$ cho ra $2{,}048\text{ Mbps}$).
- Phân tích toán học cấu trúc mạng chuyển mạch nhiều tầng Clos để chứng minh số tiếp điểm giảm từ bậc $N^2$ xuống bậc $N^{3/2}$.
| Số đường nối ($N$) |
Số tiếp điểm chuyển mạch đơn tầng ($N^2$) |
Số tiếp điểm chuyển mạch 3 tầng Clos |
| 128 |
16.384 |
7.680 |
| 512 |
262.144 |
63.488 |
| 2048 |
4.194.304 |
516.096 |
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chất lượng thoại: Tiếng dội đường dây do không phối hợp trở kháng, suy hao dải tần $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$, cuộn phụ tải bù điện dung phân tán, tỷ số tín hiệu trên tạp âm $S/N \ge 30:1$.
- Giới thiệu 10 bước thiết lập cuộc gọi tự động và các dịch vụ giá trị gia tăng của tổng đài nội bộ như xen cuộc gọi (Barge In), rước cuộc gọi (Pick Up), gọi lại khi máy rỗi (Extension Call Back), quay số tắt, chuyển hướng cuộc gọi, phòng họp hội nghị 3 bên, chuông đổ vòng, đường dây nóng.
Chương II: Giới thiệu các IC được sử dụng trong mạch
Chương II tập trung khảo sát cấu trúc phần cứng, tập lệnh và các thông số kỹ thuật của các IC cốt lõi:
- Vi điều khiển AT89C51: Cấu trúc CPU họ MCS-51, bản đồ bộ nhớ Harvard ($4\text{ KB}$ Flash On-chip, $128\text{ B}$ RAM nội từ
00H đến 7FH, vùng nhớ bit 20H - 2FH, 4 bank thanh ghi $R_0 - R_7$, 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR từ 80H đến FFH). Phân tích chi tiết chức năng thanh ghi trạng thái PSW, các thanh ghi điều khiển Timer TMOD, TCON (với 4 chế độ hoạt động: 13-bit, 16-bit, tự động nạp lại 8-bit, và chế độ tách), thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON, thanh ghi nguồn PCON, cùng cơ chế mở rộng bộ nhớ ngoài qua tín hiệu $\overline{\text{PSEN}}$, $\text{ALE}$, $\overline{\text{RD}}$, $\overline{\text{WR}}$.
- IC thu giải mã DTMF MT8870: Khảo sát các khối chức năng nội vi gồm bộ lọc dải tần thấp/cao, mạch tách biên độ Zero-Crossing, mạch đo khoảng bảo vệ (Guard Time: $t_{rec} = t_{dp} + t_{gtp}$), bảng chân trị giải mã ma trận phím $4 \times 4$ sang dữ liệu 4-bit nhị phân tương ứng với trạng thái chân TOE và STD.
- IC ma trận chuyển mạch CD22100: Cấu tạo gồm 16 khóa tương tự CMOS sắp xếp theo ma trận $4 \times 4$, bảng chân trị kích hoạt chốt khóa độc lập theo 4 đường địa chỉ khi có tín hiệu điều khiển Strobe và Data Input.
Chương III: Thiết kế và tính toán
Trình bày chi tiết toàn bộ các công thức toán học và thiết kế mạch điện cho từng mô-đun:
- Tính toán mạch nguồn dòng thuê bao $20\text{ mA}$: Xác định $R_1 = 150\ \Omega$ từ $V_{DZ1} = 3\text{ V}$, $V_{BE} = 0{,}6\text{ V}$, dòng collector $I_{CQ1} = 16\text{ mA}$; tính $R_2 = 1{,}1\text{ k}\Omega$ để sụt áp trên điện trở vòng danh định $500\ \Omega$ đạt giá trị cân bằng ở nguồn $24\text{ V}$.
- Tính toán mạch cảm biến chuông trung kế: Tụ cách ly DC $C_1 = 0{,}47\ \mu\text{F}/250\text{ V}$ có trở kháng $13{,}6\text{ k}\Omega$ ở tần số chuông $25\text{ Hz}$; chọn dòng LED Opto $4\text{ mA}$, tính ra $R_1 = 1\text{ k}\Omega$, điện trở cực thu Opto $R_2 = 22\text{ k}\Omega$.
- Tính toán tầng đệm lái rơ-le: BJT C945 với $h_{FE} = 200$, cuộn dây rơ-le $300\ \Omega$ chạy nguồn $12\text{ V}$ ($I_{Csat} = 40\text{ mA}$), tính điện trở định thiên cực bazơ $R_4 = 1{,}2\text{ k}\Omega$ bảo đảm transistor dẫn bão hòa sâu.
- Thiết kế phối hợp trở kháng biến áp âm tần $1:1$ ($600\ \Omega : 600\ \Omega$) kèm tụ chặn DC $C_1 = 10\ \mu\text{F}/50\text{ V}$.
Phần thi công, kết luận và hướng phát triển
- Chế tạo và lắp ráp mạch in cho các khối: mạch CPU trung tâm, mạch SLIC thuê bao, mạch trung kế CO, mạch giải mã DTMF và bảng nguồn.
- Nạp phần mềm điều khiển vào bộ nhớ Flash của AT89C51 và tiến hành thử nghiệm thông mạch, đo kiểm dạng sóng tín hiệu chuông, kiểm tra tính năng quay số nội bộ và kết nối gọi ra ngoài qua đường trung kế.
Kết quả và đóng góp
Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm
- Chế tạo thành công mô hình phần cứng tổng đài điện tử 4 thuê bao hoàn chỉnh gồm đầy đủ các mô-đun giao tiếp thuê bao, giao tiếp trung kế bưu điện, ma trận chuyển mạch tương tự CD22100 và khối xử lý trung tâm AT89C51.
- Xây dựng giải thuật điều khiển phân thời và chương trình xử lý cuộc gọi đáp ứng đầy đủ các giai đoạn: phát hiện nhấc máy, phát âm mời quay số, thu nhận và giải mã chính xác mã phím DTMF qua MT8870, kiểm tra trạng thái máy bận, cấp nguồn chuông $75\text{ V} / 50\text{ Hz}$, kết nối đàm thoại cách ly hai chiều, và giải phóng tuyến nối khi gác máy.
- Tích hợp các bộ định thời timeout ($15\text{s}$ quay số, $60\text{s}$ hồi âm chuông) và cơ chế tự ngắt chuông tức thời bằng diode $D_4$ khi người nhận nhấc máy, bảo vệ thính giác người dùng và thiết bị đầu cuối.
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Ứng dụng giải pháp chuyển mạch không gian dùng IC CMOS CD22100 kết hợp điều khiển vi điều khiển 8-bit, tạo ra thiết kế tổng đài nội bộ có chi phí sản xuất thấp, phần cứng gọn nhẹ và độ ổn định cao.
- Thiết kế mạch phần cứng theo dạng mô-đun hóa độc lập (mỗi thuê bao và trung kế là một bo mạch riêng), cho phép bảo trì cục bộ và mở rộng số lượng thuê bao dễ dàng mà không cần thay đổi kiến trúc tổng thể.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Dung lượng hệ thống mới dừng lại ở mức thử nghiệm 4 thuê bao nội bộ và 1 đường trung kế CO-Line.
- Thời gian nghiên cứu và thi công giới hạn trong 6 tuần nên phần mềm mới hoàn thiện các chức năng thoại cơ bản, chưa nạp đủ các dịch vụ gia tăng nâng cao (như hội nghị đa bên, ghi âm lời nhắn tự động, hay lập trình lời chào DISA).
- Chuyển mạch không gian tương tự đơn tầng gặp giới hạn về số tiếp điểm khi dung lượng thuê bao tăng lên quy mô lớn so với chuyển mạch số phân chia thời gian (PCM-TDM).
Hướng phát triển
- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch số phân chia thời gian kết hợp các bộ ghép kênh PCM để nâng cao dung lượng tổng đài lên hàng trăm thuê bao.
- Tích hợp thêm chip tạo lời chào và quay số trực tiếp DISA cho phép người gọi từ mạng ngoài bấm thẳng số máy nhánh nội bộ.
- Bổ sung bộ nhớ lưu trữ và giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp RS-232 để quản lý cước phí, ghi nhận nhật ký cuộc gọi và cấu hình dịch vụ tổng đài qua giao diện phần mềm trên PC.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Máy tính: Tham khảo thiết kế giao tiếp đường dây thuê bao tương tự (SLIC), mạch ghép nối trung kế bưu điện (CO trunk interface), kỹ thuật xử lý tín hiệu âm tần và lập trình vi điều khiển ghép nối phần cứng.
- Kỹ sư và người nghiên cứu hệ thống nhúng/viễn thông: Tham khảo các công thức tính toán nguồn dòng đàm thoại, mạch cảm biến chuông cách ly quang, phối hợp trở kháng đường dây thoại chuẩn $600\ \Omega$ và giải thuật điều khiển tổng đài bằng máy trạng thái hữu hạn (FSM).
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển AT89C51 giao tiếp và nhận dữ liệu quay số từ IC giải mã DTMF MT8870 như thế nào?
Khi người dùng bấm phím trên điện thoại, MT8870 lọc và phân tích cặp tần số âm kép, xuất mã nhị phân 4-bit tương ứng lên các chân $Q_1, Q_2, Q_3, Q_4$ (kết nối với cổng $P_2$ của AT89C51). Đồng thời, chân ngõ ra STD chuyển từ mức 0 lên mức 1 rồi về 0 để tạo xung kích ngắt gửi về chân $\overline{\text{INT0}}$ của vi điều khiển. Trong chương trình phục vụ ngắt EX0_ISR, AT89C51 sẽ đọc ngay giá trị nhị phân từ cổng $P_2$ để nhận dạng con số được bấm.
2. Nguyên lý bảo đảm an toàn khi cấp chuông và tự động dập chuông khi nhấc máy hoạt động ra sao?
Khi cần đổ chuông, vi điều khiển kích transistor $Q_2$ dẫn làm rơ-le $K_1$ đóng, đưa điện áp chuông xoay chiều $75\text{ V} / 50\text{ Hz}$ vào đường dây thuê bao. Điện áp chuông được dịch chuyển quanh mức phân cực $+24\text{ VDC}$. Khi người dùng nhấc máy, điện trở máy giảm xuống làm xuất hiện dòng điện một chiều kích hoạt diode $D_4$ phân cực thuận, kéo sụt áp cực bazơ của $Q_2$ xuống mức thấp khiến $Q_2$ ngắt bão hòa ngay lập tức. Tiếp điểm rơ-le $K_1$ nhả ra, cắt dòng chuông $75\text{ V}$ trong tích tắc để chuyển sang chế độ đàm thoại, tránh điện áp cao gây hỏng máy hoặc ảnh hưởng người dùng.
3. Tại sao tác giả lựa chọn vi mạch CD22100 cho hệ thống chuyển mạch?
CD22100 là IC ma trận chuyển mạch tương tự gồm $4 \times 4$ tiếp điểm (16 khóa bán dẫn CMOS). Mỗi khóa có thể đóng hoặc ngắt độc lập bằng cách đưa địa chỉ 4-bit vào bộ giải mã tích hợp trên chip, cấp mức logic vào chân Data Input và kích xung Strobe. Giải pháp này phù hợp với tổng đài dung lượng nhỏ (4 thuê bao), cho phép truyền trực tiếp tín hiệu thoại analog chất lượng cao, không cần mạch chuyển đổi A/D phức tạp, mạch điện đơn giản và dễ bảo trì.
4. Mạch giao tiếp trung kế (CO-Line) phát hiện cuộc gọi đến từ tổng đài bưu điện bằng cách nào?
Khi có cuộc gọi đến, tổng đài ngoài cấp dòng chuông xoay chiều vào 2 dây trung kế. Tín hiệu chuông qua tụ chặn DC $C_1$ ($0{,}47\ \mu\text{F}/250\text{ V}$), được chỉnh lưu toàn kỳ qua cầu diode để tăng tần số gợn sóng lên $50\text{ Hz}$, sau đó đi qua Diode Zener $DZ_3$ ($15\text{ V}$) để loại bỏ nhiễu biên độ nhỏ. Khi điện áp vượt ngưỡng Zener, LED bên trong Opto 4N35 phát quang làm transistor quang dẫn bão hòa, kéo chân ngõ ra cảm biến HSO từ mức 1 xuống mức 0 đưa vào chân ngắt ngoài $\overline{\text{INT1}}$ của AT89C51 để báo hiệu có cuộc gọi đến.
5. Hệ thống xử lý các mốc thời gian chờ (Timeout) trong quá trình thiết lập cuộc gọi như thế nào?
Hệ thống sử dụng các bộ đếm phần mềm được đồng bộ hóa bởi ngắt Timer định kỳ $10\text{ ms}$:
- Sau khi nhấc máy: Nếu quá $15\text{ giây}$ nghe âm Dial Tone mà thuê bao không tiến hành bấm số, CPU tự động ngắt kết nối với IC thu DTMF và chuyển sang phát âm báo bận Busy Tone.
- Khi đổ chuông thuê bao bị gọi: Nếu sau $1\text{ phút}$ phát hồi âm chuông mà thuê bao bị gọi không nhấc máy, CPU sẽ ngắt dòng chuông bên bị gọi, ngắt hồi âm chuông và cấp âm báo bận Busy Tone về cho thuê bao chủ gọi.
Kết luận
Đồ án "Thiết Kế và Thi Công Tổng Đài Điện Tử 4 Thuê Bao" của tác giả Trịnh Thanh Trúc đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế một hệ thống tổng đài nhánh nội bộ dung lượng nhỏ kết hợp kết nối trung kế bưu điện. Bằng việc kết hợp vi điều khiển AT89C51, vi mạch giải mã DTMF MT8870 và ma trận chuyển mạch tương tự CD22100, tác giả đã chế tạo thành công phần cứng mô-đun hóa có khả năng hoạt động ổn định và xử lý cuộc gọi tự động, chính xác. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Điện tử – Viễn thông trong việc nghiên cứu giao tiếp đường dây thuê bao và hệ thống nhúng viễn thông.
