Tổng Đài Điện Tử 16 Số: Nghiên Cứu và Thiết Kế

• Đề tài: Tổng Đài Điện Tử 16 Số: Nghiên Cứu và Thiết Kế

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TỔNG ĐÀI ĐIỆN THOẠI
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Cấu trúc của hệ thống tổng đài
• 1.3. Các loại tổng đài
• 1.4. Các chức năng của hệ thống tổng đài
• 1.5. Các âm hiệu và tín hiệu quay số
• 1.6. Các loại trung kế
• 1.7. Các phương pháp điều khiển tổng đài
• 1.8. Máy điện thoại
• 1.9. Các dịch vụ cơ bản
• 1.10. Các mạng hệ thống viễn thông thông dụng
• 2. CHƯƠNG 2: CHUYỂN MẠCH CUỘC GỌI
• 2.1. Khái quát hệ thống chuyển mạch
• 2.2. Phân tích cuộc gọi
• 2.3. Các quá trình chuyển mạch - mạch
• 2.4. Các chức năng của hệ chuyển mạch
• 2.5. Kỹ thuật chuyển mạch - mạch
• 2.6. Chuyển mạch phân chia không gian
• 2.7. Chuyển mạch phân chia thời gian
• 2.8. Cấu trúc của khối chuyển mạch số
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU MÃ XUNG PCM VÀ CÁC KỸ THUẬT LIÊN QUAN ĐẾN PCM
• 3.1. Điều biến xung PAM
• 3.2. Tín hiệu PAM
• 3.3. Định lý lấy mẫu
• 3.4. Điều chế xung mã PCM
• 3.5. Hệ thống truyền dẫn số PCM
• 3.6. Các cách ghép kênh
• 3.7. Các hệ thống PCM cơ bản
• PHẦN 2 - THIẾT KẾ
• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA TỔNG ĐÀI VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 1.1. Nhiệm vụ của tổng đài
• 1.2. Sơ đồ khối tổng đài điện tử
• 1.3. Nhiệm vụ của từng khối
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC IC SỬ DỤNG
• 2.1. IC MT 8870D
• 2.2. IC AT 89C51
• 2.3. IC PPI 8255A
• 2.4. IC CD22100
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT
• 3.1. Khối giao tiếp thuê bao, khối giao tiếp trung kế
• 3.2. Khối điều khiển trung tâm
• 3.3. Khối tạo âm hiệu
• 3.4. Khối ma trận chuyển mạch
• 3.5. Khối thu DTMF
• 3.6. Khối tạo chuông
• 3.7. Khối nguồn
• PHẦN 3 - CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 1. Nguyên lý hoạt động của phần mềm
• 1.1. Lưu đồ xử lý tổng quát
• 2. Chương trình điều khiển
• PHẦN 4 - KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• PHẦN PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• TÀI LIỆU ĐÍNH KÈM

I. Khám Phá Nguyên Lý Cốt Lõi Của Tổng Đài Điện Tử 16 Số

Nghiên cứu và thiết kế tổng đài điện tử 16 số là một đề tài kinh điển trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, đóng vai trò nền tảng cho việc tìm hiểu các hệ thống chuyển mạch hiện đại. Mục tiêu chính của một đồ án tổng đài điện tử là xây dựng một hệ thống có khả năng kết nối và quản lý các cuộc gọi nội bộ một cách tự động, hiệu quả và tin cậy. Theo tài liệu nghiên cứu của Trần Quốc Cường và Nguyễn Kiết Vinh (2002), tầm quan trọng của thông tin liên lạc được nhấn mạnh là “một trong những vấn đề quan trọng nhất trong xã hội”, là công cụ thiết yếu cho sự phát triển. Tổng đài, về bản chất, là trái tim của mọi hệ thống liên lạc, từ quy mô nhỏ trong một văn phòng (tổng đài PABX) đến các mạng lưới viễn thông quốc gia và quốc tế. Một hệ thống tổng đài hoàn chỉnh không chỉ thực hiện chức năng kết nối mà còn phải quản lý trạng thái thuê bao, cung cấp các tín hiệu âm hiệu cần thiết như tín hiệu mời quay số (dial tone), tín hiệu báo bận, và tín hiệu chuông (ringing signal). Việc nghiên cứu đề tài này giúp sinh viên và kỹ sư nắm vững kiến thức từ cơ sở lý thuyết về chuyển mạch, xử lý tín hiệu đến kỹ năng thiết kế mạch tổng đài và lập trình C cho vi điều khiển.

1.1. Vai trò của tổng đài PABX trong hệ thống viễn thông

Tổng đài nội bộ, hay tổng đài PABX (Private Branch Exchange), là một hệ thống chuyển mạch điện thoại được sử dụng trong phạm vi một tổ chức, doanh nghiệp. Chức năng chính của PABX là chia sẻ một số lượng giới hạn các đường dây điện thoại công cộng (trung kế) cho một số lượng lớn hơn các máy điện thoại nội bộ. Điều này giúp tối ưu hóa chi phí viễn thông và cho phép thực hiện các cuộc gọi nội bộ hoàn toàn miễn phí. Một tổng đài PABX 16 số có khả năng quản lý 16 thuê bao, cho phép bất kỳ hai thuê bao nào cũng có thể kết nối với nhau. Hơn nữa, hệ thống còn cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng cơ bản như chuyển cuộc gọi, chờ cuộc gọi và hội nghị ba bên, tạo nên một mạng lưới liên lạc khép kín, hiệu quả và bảo mật cho tổ chức.

1.2. Phân loại và cấu trúc cơ bản của một hệ thống tổng đài

Hệ thống tổng đài được phân loại dựa trên công nghệ và phương pháp điều khiển. Tài liệu gốc phân loại thành tổng đài nhân công, tổng đài cơ điện và tổng đài điện tử. Tổng đài điện tử 16 số thuộc loại hiện đại nhất, sử dụng linh kiện bán dẫn và vi mạch để thực hiện chuyển mạch, thay thế hoàn toàn các cơ cấu cơ khí cồng kềnh. Cấu trúc của một đồ án tổng đài điện tử thường bao gồm các khối chức năng chính: Khối điều khiển trung tâm (CPU), mạch giao diện đường dây thuê bao (SLIC), ma trận chuyển mạch, khối giải mã tín hiệu DTMF, khối tạo âm hiệu và khối nguồn. Mỗi khối đảm nhận một nhiệm vụ chuyên biệt, phối hợp nhịp nhàng dưới sự điều khiển của CPU để hoàn thành một quy trình xử lý cuộc gọi hoàn chỉnh.

II. Phân Tích Kỹ Thuật Chuyển Mạch Cho Tổng Đài Điện Tử

Nền tảng của việc nghiên cứu và thiết kế tổng đài điện tử 16 số nằm ở kỹ thuật chuyển mạch. Kỹ thuật này quyết định cách thức các đường truyền được thiết lập, duy trì và giải phóng. Có hai phương pháp chính là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Đối với ứng dụng thoại thời gian thực như tổng đài, chuyển mạch kênh là phương pháp truyền thống và phù hợp nhất. Nó thiết lập một đường truyền vật lý hoặc logic dành riêng cho cuộc gọi trong suốt thời gian đàm thoại. Trong phạm vi một tổng đài điện tử, kỹ thuật này được hiện thực hóa qua hai dạng chính: chuyển mạch phân chia không gian (Space Division Switching) và chuyển mạch phân chia thời gian (Time Division Switching). Việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào dung lượng, độ phức tạp và chi phí của hệ thống. Đối với một hệ thống quy mô nhỏ như tổng đài 16 số, chuyển mạch không gian thường là lựa chọn tối ưu vì sự đơn giản và chất lượng tín hiệu cao. Phân tích một cuộc gọi cho thấy các quá trình phức tạp từ nhận dạng nhấc máy, phân tích chữ số, thiết lập đường dẫn, cấp tín hiệu đến giám sát và giải phóng cuộc gọi. Tất cả các bước này đều cần được quản lý bởi một lưu đồ giải thuật tổng đài chặt chẽ.

2.1. Quá trình xử lý và phân tích một cuộc gọi nội bộ

Một cuộc gọi nội bộ trong tổng đài điện tử 16 số trải qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên là nhận dạng tín hiệu nhấc máy (Off-Hook) từ thuê bao gọi, sau đó hệ thống phân phối tài nguyên và cấp tín hiệu mời quay số (dial tone). Khi thuê bao quay số, các tín hiệu (xung hoặc DTMF) được gửi đến khối điều khiển. Hệ thống phải phân tích các chữ số này để xác định thuê bao bị gọi. Tiếp theo, tổng đài kiểm tra trạng thái của thuê bao bị gọi. Nếu rảnh, nó sẽ thiết lập đường dẫn thông qua ma trận chuyển mạch, cấp dòng tạo tín hiệu chuông cho thuê bao bị gọi và hồi âm chuông cho thuê bao gọi. Khi thuê bao bị gọi nhấc máy, tín hiệu trả lời được ghi nhận, chuông bị ngắt và cuộc đàm thoại chính thức bắt đầu. Quá trình giám sát diễn ra liên tục để phát hiện tín hiệu gác máy và giải phóng kênh nối.

2.2. So sánh chuyển mạch không gian và chuyển mạch thời gian

Chuyển mạch phân chia không gian (SDM) tạo ra một đường dẫn vật lý riêng biệt cho mỗi cuộc gọi thông qua các điểm nối trong một ma trận. Ưu điểm của phương pháp này là độ trễ gần như bằng không và chất lượng tín hiệu tốt, phù hợp cho đồ án tổng đài điện tử dung lượng nhỏ. Tuy nhiên, nó kém hiệu quả về mặt sử dụng tài nguyên và chi phí tăng nhanh theo dung lượng. Ngược lại, chuyển mạch phân chia thời gian (TDM) cho phép nhiều cuộc gọi chia sẻ chung một đường truyền vật lý bằng cách phân chia thời gian thành các khe (timeslot). Kỹ thuật này hiệu quả hơn, gọn nhẹ hơn nhưng đòi hỏi quá trình số hóa tín hiệu (PCM) và có độ trễ nhất định. Với yêu cầu của đề tài Tổng Đài Điện Tử 16 Số, phương án sử dụng relay chuyển mạch hoặc IC analog switch theo cấu trúc SDM là một lựa chọn hợp lý.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế Phần Cứng Tổng Đài Điện Tử 16 Số

Phần cứng là xương sống của hệ thống tổng đài điện tử 16 số, quyết định sự ổn định và hiệu năng hoạt động. Quá trình thiết kế mạch tổng đài đòi hỏi sự tính toán cẩn thận và lựa chọn linh kiện phù hợp cho từng khối chức năng. Sơ đồ khối tổng quát, như được trình bày trong tài liệu nghiên cứu, là điểm khởi đầu quan trọng. Nó định hình mối quan hệ tương tác giữa các thành phần chính. Trái tim của hệ thống là khối điều khiển trung tâm, thường sử dụng một vi điều khiển 8051 hoặc vi điều khiển PIC do tính phổ biến và khả năng đáp ứng tốt. Khối này giao tiếp với tất cả các khối còn lại, từ mạch giao diện đường dây thuê bao (SLIC) đến ma trận chuyển mạch và khối giải mã tín hiệu DTMF. Việc thiết kế mạch tổng đài chi tiết bao gồm việc vẽ sơ đồ nguyên lý, lựa chọn IC chuyên dụng như IC MT8870 cho việc giải mã DTMF, và thiết kế mạch nguồn ổn định để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Mô phỏng Proteus là một công cụ hữu ích để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế trước khi thi công mạch thực tế. Mỗi khối phải được thiết kế độc lập và kiểm tra kỹ lưỡng trước khi tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh.

3.1. Thiết kế khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển 8051

Khối điều khiển trung tâm đóng vai trò bộ não, điều phối mọi hoạt động. Việc lựa chọn vi điều khiển 8051 (cụ thể là AT89C51 trong tài liệu gốc) là một lựa chọn phổ biến cho các đồ án tổng đài điện tử nhờ kiến trúc đơn giản, tập lệnh mạnh mẽ và chi phí thấp. CPU có nhiệm vụ quét liên tục trạng thái của 16 thuê bao, nhận tín hiệu quay số, xử lý logic cuộc gọi, và ra lệnh điều khiển các khối khác. Ví dụ, khi phát hiện một thuê bao nhấc máy, CPU sẽ ra lệnh cho khối âm hiệu cấp tín hiệu mời quay số, sau đó kích hoạt khối thu DTMF để sẵn sàng nhận số. Sau khi nhận đủ số, CPU sẽ tra cứu trạng thái thuê bao bị gọi và ra lệnh cho ma trận chuyển mạch thiết lập kết nối. Lập trình C cho vi điều khiển là phương pháp hiệu quả để xây dựng phần mềm điều khiển phức tạp này.

3.2. Xây dựng mạch giao diện thuê bao mạch SLIC hiệu quả

Mạch giao diện đường dây thuê bao, hay mạch SLIC (Subscriber Line Interface Circuit), là thành phần quan trọng kết nối trực tiếp tổng đài với máy điện thoại. Nhiệm vụ của nó rất đa dạng, bao gồm: cấp nguồn dòng DC cho điện thoại hoạt động, giám sát trạng thái nhấc/gác máy (on-hook/off-hook), cấp tín hiệu chuông, và truyền tín hiệu thoại hai chiều. Một mạch SLIC tốt phải đảm bảo cách ly điện áp cao (tín hiệu chuông) khỏi các mạch logic điện áp thấp của CPU, đồng thời cung cấp trở kháng phù hợp cho đường dây. Thiết kế trong tài liệu gốc sử dụng các transistor, optocoupler và relay để thực hiện các chức năng này một cách hiệu quả và tin cậy.

3.3. Lựa chọn IC và thiết kế ma trận chuyển mạch tối ưu

Ma trận chuyển mạch là nơi thực hiện việc kết nối vật lý giữa các thuê bao. Đối với một tổng đài 16 số, một ma trận 16x16 là cần thiết. Có thể sử dụng các relay chuyển mạch cơ điện hoặc các IC chuyển mạch analog chuyên dụng (analog switch/crosspoint switch) như CD22100 được đề cập trong tài liệu. Sử dụng IC chuyên dụng có ưu điểm là tốc độ chuyển mạch nhanh, kích thước nhỏ gọn và độ bền cao hơn so với relay. CPU sẽ gửi địa chỉ của thuê bao gọi và thuê bao bị gọi đến IC để đóng các điểm nối (crosspoint) tương ứng, tạo thành một đường thông thoại hoàn chỉnh. Việc thiết kế khối này đòi hỏi sự chính xác để tránh nhiễu xuyên âm (crosstalk) và đảm bảo chất lượng tín hiệu thoại.

IV. Xây Dựng Thuật Toán Điều Khiển Cho Tổng Đài Điện Tử

Phần mềm điều khiển quyết định “trí thông minh” và sự linh hoạt của tổng đài điện tử 16 số. Nếu phần cứng là cơ thể, thì phần mềm chính là linh hồn. Việc xây dựng chương trình điều khiển bắt đầu bằng việc thiết kế một lưu đồ giải thuật tổng đài chi tiết và logic. Lưu đồ này mô tả tất cả các trạng thái có thể xảy ra của một thuê bao (rảnh, nhấc máy, quay số, đàm thoại, bị gọi) và các sự kiện chuyển đổi giữa các trạng thái đó. Dựa trên lưu đồ, lập trình viên sẽ tiến hành lập trình C cho vi điều khiển, biến các logic điều khiển thành mã máy mà vi điều khiển 8051 có thể thực thi. Chương trình phải xử lý đa nhiệm, liên tục quét trạng thái của 16 thuê bao, xử lý các ngắt (interrupt) khi có sự kiện xảy ra, và quản lý các bộ định thời (timer) để tạo ra các khoảng thời gian chính xác cho các âm hiệu. Một trong những nhiệm vụ quan trọng là giải mã tín hiệu DTMF từ thuê bao, sử dụng IC MT8870 để chuyển đổi cặp tần số âm thanh thành mã nhị phân 4-bit, giúp CPU nhận diện số mà người dùng đã bấm.

4.1. Phân tích lưu đồ xử lý tổng quát cho một cuộc gọi

Lưu đồ giải thuật tổng đài được trình bày trong Phần 3 của tài liệu gốc là một ví dụ điển hình. Nó bắt đầu bằng một vòng lặp vô tận để quét trạng thái của tất cả các thuê bao. Khi phát hiện một thuê bao chuyển từ gác máy sang nhấc máy, chương trình sẽ chuyển sang nhánh xử lý cuộc gọi đi. Tại đây, nó cấp tín hiệu mời quay số và chờ nhận số từ bộ giải mã tín hiệu DTMF. Sau khi nhận đủ số, chương trình kiểm tra xem số bị gọi có hợp lệ và có đang rảnh không. Nếu có, nó sẽ thiết lập kết nối qua ma trận chuyển mạch và chuyển cả hai thuê bao sang trạng thái đàm thoại. Chương trình cũng phải xử lý các trường hợp ngoại lệ như số không hợp lệ, máy bận, hoặc người gọi không quay số trong một khoảng thời gian nhất định.

4.2. Kỹ thuật giải mã tín hiệu DTMF với IC MT8870

Giải mã tín hiệu DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency) là một chức năng cốt lõi. Tài liệu nghiên cứu đề xuất sử dụng IC MT8870, một bộ giải mã DTMF tích hợp cao. Tín hiệu âm thanh từ thuê bao được đưa vào ngõ vào của IC. Bên trong, IC MT8870 sử dụng các bộ lọc để tách tín hiệu thành hai nhóm tần số cao và thấp. Sau đó, nó xác định chính xác tần số trong mỗi nhóm và xuất ra một mã nhị phân 4-bit tương ứng với phím được nhấn. Vi điều khiển 8051 sẽ đọc mã 4-bit này thông qua các cổng I/O để xác định số người dùng đã quay. Kỹ thuật này nhanh và chính xác hơn nhiều so với phương pháp đếm xung truyền thống.

V. Đánh Giá Đồ Án Tổng Đài Điện Tử và Hướng Phát Triển

Việc hoàn thành một đồ án tổng đài điện tử 16 số là một thành tựu quan trọng, thể hiện sự tổng hợp kiến thức từ lý thuyết mạch, kỹ thuật số, vi xử lý đến lập trình nhúng. Kết quả của dự án không chỉ là một sản phẩm phần cứng hoạt động mà còn là một báo cáo nghiên cứu và thiết kế chi tiết. Quá trình này giúp người thực hiện hiểu sâu sắc về nguyên lý hoạt động của các hệ thống chuyển mạch, một thành phần không thể thiếu trong mạng viễn thông. Đánh giá một dự án như vậy cần dựa trên các tiêu chí về tính ổn định, độ tin cậy của phần cứng, tính đúng đắn của logic phần mềm, và chất lượng cuộc gọi. Mặc dù hệ thống 16 số có thể đáp ứng tốt nhu cầu cơ bản, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng để nâng cao chức năng và hiệu suất. Các cải tiến có thể bao gồm việc tích hợp các tính năng hiện đại hơn, tối ưu hóa thiết kế để giảm chi phí và kích thước, hoặc mở rộng dung lượng hệ thống. Đây là nền tảng vững chắc để tiếp tục nghiên cứu các công nghệ viễn thông tiên tiến hơn trong tương lai.

5.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu và thiết kế đã đạt được

Đề tài Tổng Đài Điện Tử 16 Số đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, đáp ứng các nhiệm vụ cơ bản của một tổng đài PABX. Hệ thống đã hiện thực hóa được các chức năng cốt lõi: nhận dạng trạng thái thuê bao, cấp phát các âm hiệu chuẩn, xử lý quay số DTMF, thiết lập và giải phóng cuộc gọi nội bộ một cách tự động. Việc sử dụng vi điều khiển 8051 kết hợp với các IC chuyên dụng như MT8870 và CD22100 (hoặc relay) đã chứng tỏ là một phương án thiết kế hiệu quả, cân bằng giữa chi phí và hiệu năng cho một hệ thống quy mô nhỏ.

5.2. Những hạn chế và đề xuất hướng phát triển trong tương lai

Mặc dù đã hoàn thành mục tiêu, hệ thống vẫn tồn tại một số hạn chế như chưa có khả năng kết nối với đường trung kế bên ngoài, chưa có tính năng hiển thị số gọi đến (Caller ID), hoặc các dịch vụ nâng cao như hộp thư thoại. Hướng phát triển trong tương lai cho đồ án tổng đài điện tử này rất rộng mở. Có thể nâng cấp hệ thống bằng cách sử dụng các vi điều khiển mạnh hơn như vi điều khiển PIC, AVR hoặc ARM để xử lý nhiều tác vụ phức tạp hơn. Một hướng khác là tích hợp thêm các module giao tiếp trung kế (CO Trunk) để cho phép gọi ra ngoài mạng công cộng. Ngoài ra, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ VoIP (Voice over IP) để số hóa hoàn toàn và kết nối qua mạng máy tính cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn, biến tổng đài analog truyền thống thành một hệ thống liên lạc hiện đại hơn.