Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống mạng viễn thông, tổng đài điện thoại đóng vai trò là hạt nhân trung tâm thực hiện việc quản trị mạng và thiết lập các kết nối thông thoại giữa các thiết bị đầu cuối. Sự phát triển của kỹ thuật viễn thông đã trải qua nhiều giai đoạn công nghệ, từ các hệ thống tổng đài nhân công ban đầu (như tổng đài từ thạch, tổng đài nhân công điện) đòi hỏi sự can thiệp trực tiếp của điện thoại viên, chuyển sang tổng đài cơ điện (với các bộ chuyển mạch quay tròn, từng nấc, ngang dọc), và tiến tới các thế hệ tổng đài điện tử hiện đại. Tổng đài cơ điện tuy cải thiện tốc độ so với thao tác thủ công nhưng vẫn bộc lộ các nhược điểm cố hữu như thiết bị cồng kềnh, tiêu tốn năng lượng lớn do điều khiển cơ khí, chi phí bảo trì cao và dung lượng bị giới hạn. Ngược lại, sự ra đời của các linh kiện bán dẫn, mạch tích hợp tương tự (analog switch) và bộ vi xử lý đã tạo điều kiện tối ưu hóa kích thước, giảm thiểu công suất tiêu tán, rút ngắn thời gian thiết lập cuộc gọi và nâng cao độ tin cậy của toàn bộ mạng chuyển mạch.

Đề tài "Tổng Đài Điện Tử 16 Số" được nhóm sinh viên Trần Quốc Cường và Nguyễn Kiết Vinh thực hiện tại Bộ môn Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (năm 2002) dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Hồng Liên. Mục tiêu của đồ án tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết chuyển mạch thoại, tính toán thiết kế phần cứng và lập trình hệ thống điều khiển cho một mô hình tổng đài điện tử nội bộ dung lượng 16 máy lẻ (PBX 16 số).

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc phân cấp mạng viễn thông, nguyên lý hoạt động của máy điện thoại, các tiến trình xử lý cuộc gọi, phương pháp báo hiệu và kỹ thuật chuyển mạch.
  2. Khảo sát nguyên lý điều chế mã xung PCM/PAM và các tiêu chuẩn âm hiệu viễn thông theo khuyến nghị của CCITT.
  3. Lựa chọn cấu trúc phần cứng, thiết kế chi tiết từng khối chức năng: khối giao tiếp đường dây thuê bao (SLIC), khối ma trận chuyển mạch thoại, khối thu giải mã đa tần DTMF, khối điều khiển trung tâm vi xử lý, khối phát âm hiệu, khối tạo dòng chuông và khối cấp nguồn.
  4. Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết chương trình điều khiển thời gian thực cho bộ vi điều khiển nhằm giám sát trạng thái đường dây, giải mã số quay, thiết lập liên kết ma trận và xử lý giải phóng cuộc gọi.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là xây dựng mô hình tổng đài điện tử tương tự điều khiển bằng chương trình lưu trữ (SPC - Stored Program Control) phục vụ 16 thuê bao nội bộ, có khả năng kết nối trung kế và xử lý linh hoạt hai phương thức quay số dạng xung (Pulse) và đa tần (DTMF).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng khung lý thuyết toàn diện về kỹ thuật chuyển mạch thoại và mạng viễn thông kết hợp với phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng - phần mềm nhúng (Hardware/Software Co-design).

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Mô hình phân cấp mạng viễn thông: Đề tài phân tích cấu trúc mạng viễn thông Việt Nam theo 5 cấp tổng đài: Tổng đài cửa ngõ quốc tế (Gateway Exchange - GE), Tổng đài đường dài (Toll Exchange - TE), Tổng đài nội hạt (Local Exchange - LE), Tổng đài địa phương (Rural Exchange - RE) và Tổng đài cơ quan (Private Branch Exchange - PBX).
  • Tiêu chuẩn âm hiệu viễn thông CCITT: Các tín hiệu âm hiệu trong tổng đài được thiết lập theo khuyến nghị chuẩn:
    • Âm hiệu mời quay số (Dial Tone): Tín hiệu sin liên tục, tần số $425 \pm 25\text{ Hz}$, biên độ khoảng $3\text{ V}_{\text{rms}}$.
    • Âm hiệu báo bận (Busy Tone): Tín hiệu sin tần số $425 \pm 25\text{ Hz}$, chu kỳ ngắt nhịp $0{,}5\text{ s}$ có và $0{,}5\text{ s}$ không, biên độ $3\text{ V}_{\text{rms}}$.
    • Âm hiệu hồi âm chuông (Ring Back Tone): Tín hiệu sin tần số $425 \pm 25\text{ Hz}$, chu kỳ ngắt nhịp $2\text{ s}$ có và $4\text{ s}$ không.
    • Tín hiệu đổ chuông (Ringing Current): Điện áp xoay chiều từ $75 \div 110\text{ V}_{\text{rms}}$, tần số $25\text{ Hz}$, chu kỳ $2\text{ s}$ chuông và $4\text{ s}$ nghỉ.
  • Lý thuyết báo hiệu: Phân tích hai hệ thống báo hiệu cơ bản gồm báo hiệu kênh liên kết (CAS - Channel Associated Signalling) và báo hiệu kênh chung (CCS - Common Channel Signalling). Báo hiệu CAS thực hiện việc truyền tín hiệu đường dây (Line Signalling) và tín hiệu chọn tuyến (Selection Signalling) gắn liền với kênh thoại, trong khi báo hiệu CCS (như hệ thống CCS No.7) tách riêng đường dẫn số liệu báo hiệu tốc độ cao dưới dạng các gói tin độc lập với đường truyền tiếng.
  • Kỹ thuật chuyển mạch và điều chế: Nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch phân chia không gian (SDM - Space Division Multiplexing), chuyển mạch phân chia thời gian (TDM - Time Division Multiplexing), lý thuyết điều chế biên độ xung PAM, định lý lấy mẫu Nyquist và điều chế mã xung PCM.

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Hệ thống hóa quy trình 10 bước của một cuộc gọi viễn thông (từ phát hiện nhấc máy Off-Hook, nhận dạng thuê bao, cấp âm mời quay số, thu nhận số quay, phân tích định tuyến, cấp dòng chuông/hồi âm chuông, nhận tín hiệu trả lời, thông thoại đến ngắt kết nối và giải phóng tài nguyên).
  • Phương pháp tính toán mạch điện tử tương tự: Thiết kế nguồn dòng ổn định cấp cho thuê bao khi đàm thoại ($20\text{ mA}$), tính toán các tầng chuyển mạch transistor, phân cực diode Zener và các mạch lọc, mạch cách ly quang Optocoupler bảo vệ hệ thống.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống số và vi điều khiển: Ứng dụng họ vi điều khiển MCS-51 (AT89C51) kết hợp IC ghép nối ngoại vi lập trình được PPI 8255A để mở rộng bus điều khiển I/O; sử dụng IC chuyên dụng MT8870D để giải mã tín hiệu DTMF và IC ma trận CD22100 để đóng/ngắt các điểm nối tương tự.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống tổng đài điện tử 16 số được thiết kế dưới dạng cấu trúc module chức năng liên kết chặt chẽ với nhau thông qua bus dữ liệu và bus điều khiển của vi điều khiển trung tâm.

Kiến trúc phần cứng tổng quát

Sơ đồ khối của tổng đài bao gồm 8 khối chức năng chính:

  1. Khối giao tiếp thuê bao (SLIC - Subscriber Line Interface Circuit): Đảm nhận việc cung cấp nguồn nuôi đàm thoại cho máy điện thoại, phát hiện trạng thái nhấc máy/gác máy (On-Hook/Off-Hook), nhận xung quay số Pulse, đưa dòng chuông vào đường dây và cách ly bảo vệ mạch điều khiển.
  2. Khối giao tiếp trung kế (CO Trunk): Kết nối tổng đài nội bộ với tổng đài bưu điện bên ngoài.
  3. Khối điều khiển trung tâm (CPU & I/O): Sử dụng vi điều khiển AT89C51 làm bộ xử lý trung tâm và IC PPI 8255A để mở rộng cổng xuất/nhập, thực thi toàn bộ logic điều khiển cuộc gọi.
  4. Khối thu và giải mã DTMF: Sử dụng IC MT8870D để tách lọc và chuyển đổi tổ hợp 2 tần số âm thanh từ bàn phím điện thoại thành mã nhị phân 4-bit đưa vào vi điều khiển.
  5. Khối ma trận chuyển mạch thoại: Sử dụng các IC CD22100 (ma trận analog switch $4 \times 4$) để thiết lập các kết nối vật lý thông thoại giữa thuê bao gọi và thuê bao nhận hoặc kết nối vào đường âm hiệu.
  6. Khối tạo âm hiệu: Phát các tín hiệu Dial Tone, Busy Tone và Ring Back Tone ở tần số $425\text{ Hz}$ theo đúng các nhịp ngắt chuẩn.
  7. Khối tạo chuông: Mạch tạo nguồn xoay chiều $25\text{ Hz}$, điện áp $75 \div 110\text{ V}_{\text{rms}}$ để kích rung chuông cơ khí của máy điện thoại.
  8. Khối nguồn: Cung cấp điện áp DC ổn định cho toàn bộ hệ thống, gồm nguồn $+5\text{ V}$ cho các IC số/logic và nguồn $+24\text{ V}$ cho mạch cấp dòng thuê bao.
Thành phần khối Linh kiện / IC chủ đạo Chức năng kỹ thuật chính
Xử lý trung tâm AT89C51 (họ MCS-51) Xử lý ngắt, quét trạng thái đường dây, phân tích số quay, lập trình logic kết nối
Mở rộng I/O PPI 8255A Cung cấp 24 chân I/O (Port A, B, C) điều khiển ma trận và nhận dữ liệu giải mã
Giải mã DTMF MT8870D Lọc và giải mã 16 tổ hợp tần số DTMF thành dữ liệu 4-bit (chân Q1 - Q4)
Ma trận chuyển mạch CD22100 (Harris) Ma trận $4 \times 4$ tiếp điểm analog, điều khiển đóng/ngắt bằng 4 đường địa chỉ và chân Strobe
Cảm biến thuê bao Optocoupler 4N35 Cách ly quang điện thế $1500\text{ V}$, biến đổi dòng mạch vòng thành mức logic $0/1$ (tín hiệu HSO)
Nguồn dòng thoại Transistor A1015, Zener 3V Giữ dòng thông thoại ổn định ở mức $20\text{ mA}$ trên tải danh định $600\ \Omega$
Cắt/cấp dòng chuông Relay, Transistor C1815, Diode D3 Đóng tiếp điểm đưa dòng chuông $25\text{ Hz}$ và tự động ngắt tức thì khi thuê bao nhấc máy

Thiết kế chi tiết khối giao tiếp thuê bao (SLIC)

Khối SLIC được thiết kế với độ chính xác cao về tham số phân cực nhằm đảm bảo chất lượng thoại và bảo vệ thiết bị:

  • Nguyên lý nhận biết trạng thái: Khi thuê bao gác máy, điện trở vòng đường dây lớn ($> 20\text{ k}\Omega$), không có dòng DC chạy qua mạch cảm biến, LED bên trong Opto 4N35 tắt, đầu ra cảm biến HSO ở mức logic 1 ($5\text{ V}$). Khi thuê bao nhấc máy, trở kháng vòng giảm xuống khoảng $600\ \Omega$ ($150 \div 1500\ \Omega$), xuất hiện dòng DC từ nguồn $+24\text{ V}$ qua mạch cảm biến làm LED Opto phát sáng, kích Transistor quang dẫn bão hòa, kéo tín hiệu HSO xuống mức logic 0 ($0\text{ V}$), báo cho CPU biết trạng thái nhấc máy.
  • Xử lý xung Pulse: Khi quay số bằng đĩa quay (Pulse), tiếp điểm cơ khí chập/nhả tạo chuỗi xung ngắt dòng ($100\text{ ms/chu kỳ}$, $33{,}33\text{ ms}$ hở mạch). Tín hiệu HSO đảo nhịp tương ứng giữa mức 1 và mức 0, CPU đếm số xung để xác định chữ số quay.
  • Tính toán thông số mạch nguồn dòng:
    • Điện áp nguồn cấp: Chọn $24\text{ V}$ DC (thay vì mức $-48\text{ V}$ công nghiệp để đơn giản hóa thi công).
    • Dòng thông thoại yêu cầu: $I_{TB} = 20\text{ mA}$.
    • Transistor phân cực $Q_1$ (loại PNP A1015, $P_{c\max} = 400\text{ mW}$, $I_{c\max} = 150\text{ mA}$, $h_{FE} = 70 \div 240$).
    • Diode Zener $DZ_2$ loại $3\text{ V}$ có dòng phân cực tối thiểu $I_{DZ} \approx 6\text{ mA}$.
    • Tính chọn điện trở $R_1$: $$R_1 = \frac{V_{CC} - V_{DZ2}}{I_{DZ} + I_{CQ1}} = \frac{24\text{ V} - 3\text{ V}}{6\text{ mA} + 14\text{ mA}} \approx 180\ \Omega$$
    • Điện trở tải thuê bao giả định $R_{TB} = 600\ \Omega$, sụt áp trên thuê bao là $V_{TB} = 20\text{ mA} \times 600\ \Omega = 12\text{ V}$, tính chọn điện trở hạn dòng $R_2 = 1\text{ k}\Omega$.
    • Công suất tiêu tán cực đại trên Transistor $Q_1$ trong trường hợp ngắn mạch thuê bao: $$P_{\max} = I_{CQ1} \times (V_{CC} - I_{CQ1} R_1) = 14\text{ mA} \times (24\text{ V} - 14\text{ mA} \times 180\ \Omega) \approx 0{,}29\text{ W} = 290\text{ mW} < P_{c\max} (400\text{ mW})$$
  • Mạch bảo vệ và ngắt chuông tự động: Tín hiệu kích chuông từ CPU kích Transistor $Q_2$ đóng relay $K_1$ cấp nguồn chuông $25\text{ Hz}$ vào đường dây. Diode $D_3$ được mắc từ cực B của $Q_2$ tới ngõ HSO. Khi thuê bao nhấc máy trong lúc chuông đang reo, HSO lập tức tụt xuống mức 0, triệt tiêu dòng kích cực B của $Q_2$, làm relay nhả ngay tức khắc, ngăn dòng điện áp cao ($75 \div 110\text{ V}$) gây sốc cho người nghe hoặc phá hỏng ống nghe.

Thiết kế phần mềm và cấu trúc điều khiển

Chương trình điều khiển được viết cho vi điều khiển AT89C51, cấu hình thanh ghi chức năng theo các chế độ:

  • Thanh ghi chế độ Timer TMOD và điều khiển Timer TCON được cấu hình để tạo các khoảng định thời chính xác cho nhịp phát âm hiệu (ngắt nhịp $0{,}5\text{ s}$ báo bận, $2\text{ s}/4\text{ s}$ chuông) và lấy mẫu xung quay số.
  • Thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON được thiết lập để hỗ trợ truyền thông dữ liệu nếu cần mở rộng giám sát.
  • Thanh ghi điều khiển ngắt IE và ưu tiên ngắt IP được thiết lập để quản lý ngắt ngoài từ khối thu DTMF (khi có tín hiệu chân StD của MT8870D báo đã nhận hợp lệ một ký tự số).
  • IC PPI 8255A được điều khiển thông qua từ điều khiển (Control Word): Port A và Port B được cấu hình làm cổng xuất/nhập nối với các đường dữ liệu/địa chỉ của ma trận CD22100 và tín hiệu cảm biến đường dây từ các khối SLIC.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1 - Lý thuyết

Chương 1: Tổng Quan Tổng Đài Điện Thoại

Chương này phân tích các thành phần cấu thành một hệ thống điện thoại gồm thiết bị đầu cuối (DTE), đường nối thuê bao (đôi dây đối xứng), trạm chuyển mạch và thiết bị đường truyền. Tác giả trình bày chi tiết cấu trúc phân cấp mạng viễn thông tại Việt Nam (GE, TE, LE, RE, PBX), lịch sử tiến hóa từ tổng đài nhân công (từ thạch, nhân công điện), tổng đài cơ điện (chuyển mạch quay tròn, từng nấc, ngang dọc) đến tổng đài điện tử hiện đại. Ngoài ra, chương này định nghĩa các chức năng cơ bản của hệ thống tổng đài, phân tích các âm hiệu mạng, tín hiệu quay số xung/đa tần, các loại trung kế (CO, E&M, Digital Trunk), các phương pháp điều khiển tổng đài (điều khiển độc lập, điều khiển chung, điều khiển theo chương trình lưu trữ SPC với các cơ chế điều khiển trực tiếp/gián tiếp) và tổng quan các dịch vụ viễn thông thông dụng (PSTN, CSPDN, PSPDN, ISDN, LAN, Teletex, Videotex).

Loại âm hiệu / Tín hiệu Tần số danh định Điện áp / Biên độ Chu kỳ / Dạng ngắt nhịp
Âm mời quay số (Dial Tone) $425 \pm 25\text{ Hz}$ $3\text{ V}_{\text{rms}}$ Sóng sin liên tục
Âm báo bận (Busy Tone) $425 \pm 25\text{ Hz}$ $3\text{ V}_{\text{rms}}$ $0{,}5\text{ s}$ có — $0{,}5\text{ s}$ ngắt
Hồi âm chuông (Ring Back) $425 \pm 25\text{ Hz}$ $3\text{ V}_{\text{rms}}$ $2\text{ s}$ có — $4\text{ s}$ ngắt
Dòng chuông (Ringing) $25\text{ Hz}$ $75 \div 110\text{ V}_{\text{rms}}$ $2\text{ s}$ có — $4\text{ s}$ ngắt
Quay số Pulse — Mức dòng DC vòng Chu kỳ $100\text{ ms}$ (xung hở $33{,}33\text{ ms}$), nghỉ giữa 2 số $500 \div 900\text{ ms}$
Quay số DTMF Cặp tần số $f_L, f_H$ Tiêu chuẩn đa tần Thời gian phát số $40\text{ ms}$, thời gian nghỉ giữa 2 số $60\text{ ms}$

Chương 2: Chuyển Mạch Cuộc Gọi

Nội dung chương đi sâu vào bản chất kỹ thuật chuyển mạch kênh (Circuit Switching). Tác giả phân tích tường tận 10 bước tiến trình của cuộc gọi nội hạt và cuộc gọi liên đài, ba giai đoạn thiết lập đường truyền (thiết lập mạch, trao đổi thông tin và ngắt mạch). Chương này cũng so sánh chi tiết giữa báo hiệu kênh liên kết (CAS) và báo hiệu kênh chung (CCS), nêu bật ưu thế của CCS trong việc tăng tốc độ thiết lập cuộc gọi, tối ưu hóa dung lượng đường truyền và khả năng phục vụ đa dịch vụ. Phần kỹ thuật chuyển mạch tập trung phân loại chuyển mạch phân chia không gian (SDM) với cấu trúc ma trận tiếp điểm ngang dọc ($n \times m$) và chuyển mạch phân chia thời gian (TDM), cấu trúc tầng chuyển mạch số (S, T, T-S-T, S-T-S).

Chương 3: Điều Mã Xung PCM Và Các Kỹ Thuật Liên Quan Đến PCM

Trình bày cơ sở toán học và kỹ thuật biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số trong hệ thống viễn thông. Nội dung bao gồm kỹ thuật điều chế biên độ xung PAM, định lý lấy mẫu Nyquist ($f_s \ge 2 f_{\max}$), quá trình lượng tử hóa và nén luật $A$ ($\text{A-law}$) / luật $\mu$ ($\mu\text{-law}$), nguyên lý điều chế mã xung PCM, cấu trúc khung ghép kênh số PCM-30/32 theo chuẩn châu Âu (tốc độ $2048\text{ kbps}$, 32 khe thời gian $TS_0 \div TS_{31}$) và hệ thống T1 theo chuẩn Bắc Mỹ ($1544\text{ kbps}$, 24 kênh thoại).

Phần 2 - Thiết kế

Chương 1: Cấu Trúc Tổng Quát Của Tổng Đài Và Phương Án Thiết Kế

Xác định nhiệm vụ của tổng đài nội bộ dung lượng 16 thuê bao, đưa ra sơ đồ khối hệ thống và thuyết minh chức năng của từng khối: khối điều khiển trung tâm, khối ghép nối thuê bao, khối chuyển mạch ma trận, khối giải mã địa chỉ, khối thu nhận báo hiệu và khối nguồn.

Chương 2: Giới Thiệu Các IC Sử Dụng

Khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân, giản đồ định thời và tập lệnh của các vi mạch được lựa chọn trong thiết kế:

  • IC MT8870D: Cấu trúc bộ lọc dải thông bằng tụ chuyển mạch, bộ giải mã logic nhận diện 16 mã DTMF và bảng chân trị ngõ ra nhị phân $Q_1 \div Q_4$.
  • Vi điều khiển AT89C51: Kiến trúc 8-bit họ MCS-51, bộ nhớ Flash $4\text{ KB}$, $128\text{ bytes}$ RAM, 32 chân I/O, hệ thống thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (TCON, TMOD, SCON, IE, IP), cơ chế xử lý ngắt và chế độ làm việc của các Timer/Counter, Port nối tiếp.
  • IC PPI 8255A: Vi mạch ghép nối ngoại vi lập trình được với 24 chân I/O chia thành 3 Port (A, B, C), cấu trúc từ điều khiển cấu hình các Mode 0 (Basic I/O), Mode 1 (Strobe I/O), Mode 2 (Bi-directional Bus) và chế độ BSR (Bit Set/Reset).
  • IC CD22100: Ma trận chuyển mạch tương tự $4 \times 4$ tiếp điểm Crosspoint của hãng Harris, cơ chế chốt trạng thái đóng/ngắt độc lập điều khiển thông qua 4 bit địa chỉ giải mã, ngõ vào Data In và chân xung chốt Strobe.

Chương 3: Thiết Kế Chi Tiết

Đây là chương trọng tâm của phần thiết kế phần cứng, trình bày các tính toán cụ thể cho từng mạch điện:

  • Khối giao tiếp thuê bao (SLIC): Thiết kế chi tiết mạch cấp dòng $20\text{ mA}$ dùng Transistor PNP A1015 và Zener $3\text{ V}$; mạch cảm biến trạng thái đường dây dùng Optocoupler 4N35; mạch phối hợp trở kháng $600\ \Omega$; biến áp cách ly tín hiệu âm tần; mạch đóng/ngắt chuông dùng relay kết hợp diode $D_3$ chống sốc điện áp cao.
  • Khối giao tiếp trung kế (CO Trunk): Mạch giao tiếp 2 dây kết nối với đường dây bưu điện, mô phỏng chức năng như một máy điện thoại độc lập.
  • Khối điều khiển trung tâm và ghép nối: Thiết kế mạch dao động thạch anh, mạch tự động Reset khi bật nguồn cho AT89C51, mạch giải mã địa chỉ ghép nối bus giữa AT89C51 với PPI 8255A và khối thu DTMF MT8870D.
  • Khối ma trận chuyển mạch: Sơ đồ ghép nối các IC CD22100 tạo thành ma trận chuyển mạch analog kết nối 16 đường thuê bao với các kênh đàm thoại và các kênh âm hiệu.
  • Khối tạo âm hiệu và khối chuông: Mạch dao động tạo sóng sin $425\text{ Hz}$ và bộ biến đổi tạo điện áp chuông $75 \div 110\text{ V}_{\text{rms}} / 25\text{ Hz}$.

Phần 3 - Chương trình điều khiển

Nội dung phần này bao gồm:

  • Nguyên lý hoạt động của phần mềm: Mô tả cơ chế quét tuần tự trạng thái các đường dây thuê bao thông qua cổng I/O của 8255A, cơ chế phục vụ ngắt khi có tín hiệu quay số DTMF từ MT8870D, quy trình phân tích bảng số đích và thuật toán phân phối đường dẫn ma trận CD22100.
  • Lưu đồ xử lý tổng quát: Xây dựng thuật toán cho các tiến trình: quét nhấc máy $\rightarrow$ gửi Dial Tone $\rightarrow$ nhận và lưu số quay $\rightarrow$ kiểm tra trạng thái bận/rỗi của thuê bao bị gọi $\rightarrow$ kích Ringing / Ring Back Tone $\rightarrow$ ngắt chuông và nối thông thoại khi thuê bao nhấc máy $\rightarrow$ giám sát gác máy và giải phóng ma trận chuyển mạch.
  • Chương trình điều khiển: Mã nguồn lập trình hoàn chỉnh cho vi điều khiển AT89C51 thực thi toàn bộ logic điều khiển của tổng đài.

Phần 4 - Kết luận & Hướng phát triển đề tài

Đánh giá toàn diện kết quả thử nghiệm mô hình thực tế, khẳng định khả năng thông thoại ổn định giữa 16 thuê bao, chỉ ra các hạn chế về công nghệ chuyển mạch analog và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Đã thiết kế, lắp ráp và cân chỉnh thành công mô hình tổng đài điện tử 16 thuê bao nội bộ. Các khối chức năng hoạt động đồng bộ, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ bản của mạng điện thoại analog.
  2. Khả năng tương thích tín hiệu quay số: Hệ thống nhận dạng và xử lý chính xác cả hai hình thức quay số:
    • Quay số xung (Pulse): Nhận diện đúng số lượng xung và ngắt nhịp tương ứng thông qua mạch cảm biến quang Opto 4N35.
    • Quay số đa tần (DTMF): Tách lọc và giải mã chính xác 16 tổ hợp tần số từ IC MT8870D với thời gian nhận diện nhanh ($40\text{ ms/số}$).
  3. Chỉ tiêu âm hiệu và an toàn đường dây:
    • Hệ thống phát đúng các âm hiệu tiêu chuẩn (Dial Tone, Busy Tone, Ring Back Tone) ở tần số $425\text{ Hz}$.
    • Mạch tự động ngắt dòng chuông hoạt động tin cậy: Nhờ cấu trúc phân cực Diode $D_3$ nối từ điểm HSO về chân điều khiển relay, dòng chuông cao áp ($75 \div 110\text{ V}_{\text{rms}}$) được cắt lập tức ngay khi người nhận nhấc máy, triệt tiêu nguy cơ phóng điện hoặc gây tiếng nổ lớn trên tai nghe.
  4. Hiệu năng chuyển mạch: Ma trận analog CD22100 thực hiện kết nối đường truyền thoại với độ suy hao thấp, chất lượng âm thanh đàm thoại trong trẻo, không bị méo tiếng hay xuyên âm đáng kể.

Đóng góp học thuật và thực tiễn

  • Đồ án cung cấp một tài liệu thiết kế chi tiết, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết viễn thông tiêu chuẩn CCITT với kỹ thuật vi điều khiển và mạch điện tử ứng dụng.
  • Đưa ra giải pháp thiết kế mạch nguồn dòng ổn định ($20\text{ mA}$) cho khối SLIC sử dụng linh kiện rời phổ biến (A1015, Zener, 4N35), giúp hạ giá thành sản xuất mà vẫn đảm bảo tiêu chuẩn truyền dẫn tín hiệu thoại nội bộ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Cấp nguồn đường dây: Nguồn nuôi cho mạch thuê bao được chọn là $+24\text{ V}$ DC (để đơn giản trong thi công và an toàn trong phòng thí nghiệm) thay vì mức $-48\text{ V}$ DC như tiêu chuẩn của mạng viễn thông công cộng/bưu điện, điều này làm giảm cự ly kết nối dây thuê bao tối đa.
  • Dung lượng và công nghệ chuyển mạch: Hệ thống sử dụng công nghệ chuyển mạch phân chia không gian analog (SDM) với IC CD22100 nên dung lượng chuyển mạch bị giới hạn ở quy mô nhỏ (16 số); việc mở rộng dung lượng lên hàng trăm số theo phương pháp này sẽ làm tăng độ phức tạp của ma trận tiếp điểm.
  • Tính năng mở rộng: Đồ án chưa tích hợp bộ nhớ lưu trữ cước chi tiết (CDR), chưa có giao diện phần mềm kết nối máy tính để quản trị từ xa và chưa hỗ trợ trung kế số (Digital Trunk).

Hướng phát triển đề tài

  • Chuyển đổi sang chuyển mạch số TDM: Nghiên cứu số hóa toàn bộ tín hiệu thoại từ khối SLIC bằng các bộ Codec PCM, sau đó đưa vào khối chuyển mạch phân chia thời gian (Time Stage / Time-Space-Time Switch) để mở rộng dung lượng tổng đài lên quy mô lớn mà không làm tăng kích thước mạch phần cứng.
  • Tích hợp trung kế số và báo hiệu hiện đại: Bổ sung giao tiếp trung kế luồng số E1 ($2048\text{ kbps}$) và triển khai ngăn xếp giao thức báo hiệu kênh chung CCS số 7 (SS7) hoặc kết nối qua mạng ISDN.
  • Nâng cấp tính năng quản trị: Bổ sung vi mạch đồng hồ thời gian thực (RTC) và giao tiếp máy tính (RS-232/UART) để xây dựng hệ thống tính cước tự động, hiển thị số gọi đến (Caller ID) và các dịch vụ giá trị gia tăng như hộp thư thoại, hội nghị truyền hình.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp "Tổng Đài Điện Tử 16 Số" có giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng cao cho:

  1. Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp tích hợp hệ thống phần cứng (phân tích mạch tương tự, ghép nối vi điều khiển 8051, mở rộng bus I/O qua 8255A) và kỹ thuật lập trình điều khiển thiết bị thời gian thực.
  2. Kỹ sư và người nghiên cứu thiết bị viễn thông analog/nhúng: Cung cấp chi tiết các công thức tính toán thiết kế khối giao tiếp thuê bao (SLIC), nguyên lý phối hợp trở kháng đường dây thoại $600\ \Omega$, kỹ thuật giải mã DTMF và thiết kế ma trận analog switch.
  3. Phục vụ công tác giảng dạy thực hành: Cung cấp mô hình thực nghiệm trực quan để minh họa các khái niệm viễn thông kinh điển như chu trình cuộc gọi, báo hiệu đường dây, âm hiệu mạng và cấu trúc PBX.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống sử dụng nguồn cấp 24V DC cho khối thuê bao thay vì nguồn -48V DC như tổng đài bưu điện?

Trong thiết kế tổng đài bưu điện công cộng, nguồn điện áp âm $-48\text{ V}$ DC được sử dụng nhằm mục đích chống ăn mòn điện hóa đường dây cáp đồng dài ngoài trời và đảm bảo cung cấp đủ dòng cho các thuê bao ở khoảng cách xa hàng kilomet. Tuy nhiên, trong phạm vi mô hình tổng đài nội bộ (PBX) 16 số phục vụ khoảng cách ngắn trong cơ quan/phòng thí nghiệm, tác giả lựa chọn nguồn $+24\text{ V}$ DC để đơn giản hóa việc thiết kế bộ nguồn, đảm bảo an toàn thao tác và giảm chi phí linh kiện nhưng vẫn duy trì dòng thông thoại tiêu chuẩn $20\text{ mA}$.

2. Mạch cảm biến trạng thái đường dây nhận diện trạng thái nhấc máy và gác máy của thuê bao như thế nào?

Mạch cảm biến sử dụng một bộ cách ly quang (Optocoupler 4N35) mắc nối tiếp trên đường cấp nguồn của thuê bao. Khi thuê bao gác máy, điện trở cách điện của máy điện thoại rất lớn ($> 20\text{ k}\Omega$), dòng rò không đáng kể nên LED bên trong Opto không sáng, đầu ra HSO giữ ở mức logic 1 ($5\text{ V}$). Khi thuê bao nhấc máy (Off-Hook), trở kháng máy giảm về khoảng $600\ \Omega$, xuất hiện dòng thông thoại xấp xỉ $20\text{ mA}$ chạy qua LED Opto, kích Transistor quang dẫn bão hòa và kéo tín hiệu HSO xuống mức logic 0 ($0\text{ V}$), báo trạng thái cho CPU.

3. Cơ chế tự động ngắt dòng chuông khi người nhận nhấc máy hoạt động dựa trên linh kiện nào?

Quá trình ngắt dòng chuông tự động được thực hiện thông qua Diode $D_3$ mắc từ cực B của Transistor điều khiển relay $Q_2$ nối tới điểm cảm biến HSO. Khi đang có chuông reo mà người nhận nhấc máy, mạch cảm biến lập tức phát hiện dòng điện tăng và kéo HSO xuống mức 0. Khi HSO ở mức 0, Diode $D_3$ dẫn và ghim điện áp cực B của $Q_2$ xuống mức thấp, làm $Q_2$ tắt ngay lập tức và cuộn dây relay nhả tiếp điểm cắt dòng chuông $25\text{ Hz}$, bảo vệ thính giác người nghe và an toàn thiết bị.

4. IC MT8870D đóng vai trò gì và có ưu điểm gì so với phương pháp quay số xung?

IC MT8870D là vi mạch thu và giải mã đa tần DTMF chuyên dụng. Nó chứa các bộ lọc dải thông bằng tụ chuyển mạch để tách tín hiệu thoại thành hai nhóm tần số thấp ($697 \div 941\text{ Hz}$) và cao ($1209 \div 1633\text{ Hz}$), sau đó giải mã thành số nhị phân 4-bit đưa vào vi điều khiển. So với quay số xung Pulse (mất khoảng $8\text{ s}$ cho chuỗi 7 chữ số do phải chờ các khoảng ngắt nghỉ $100\text{ ms}$ và $500 \div 900\text{ ms}$), quay số DTMF chỉ mất khoảng $40\text{ ms}$ phát số và $60\text{ ms}$ nghỉ (tổng cộng khoảng $1\text{ s}$ cho 7 số), tốc độ xử lý nhanh hơn vượt trội và khả năng chống nhiễu/nhận nhầm số cực thấp.

5. Vai trò của IC PPI 8255A trong khối điều khiển trung tâm là gì?

Vi điều khiển AT89C51 có số lượng chân I/O hạn chế (32 chân), không đủ để vừa quét 16 đường trạng thái thuê bao, vừa điều khiển các IC ma trận CD22100, vừa nhận dữ liệu từ MT8870D và điều khiển mạch tạo âm hiệu/chuông. IC PPI 8255A được ghép nối vào bus địa chỉ/dữ liệu của vi điều khiển để mở rộng thêm 24 chân I/O lập trình được (chia thành Port A, Port B và Port C), giúp CPU quản lý việc quét tín hiệu và xuất lệnh điều khiển đóng/ngắt ma trận một cách có cấu trúc và linh hoạt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tổng Đài Điện Tử 16 Số" của tác giả Trần Quốc Cường và Nguyễn Kiết Vinh đã nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết chuyển mạch viễn thông và hiện thực hóa thành công một mô hình tổng đài nhánh nội bộ PBX 16 thuê bao hoạt động ổn định. Công trình giải quyết triệt để các bài toán kỹ thuật từ thiết kế mạch nguồn dòng đàm thoại, cảm biến quang cách ly đường dây, mạch tự động ngắt chuông an toàn đến ghép nối vi điều khiển AT89C51, mở rộng I/O qua PPI 8255A, giải mã đa tần DTMF qua MT8870D và chuyển mạch ma trận qua CD22100. Đồ án là một tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị cao về mặt lý thuyết lẫn thực hành cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Điện tử - Viễn thông.