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[摘 要]有線通信方式由于具有保密性高、抗干扰能力强在军事通信中倍受青睐，因此，对武警部队有线通信设备的研究和设计具有十分重要的战略意义。与发展迅速的民用程控交换技术相比，目前武警部队使用的小型交换机暴露出技术相对陈旧、分立元件过多、可靠性和保密性不够、体积大、重量大、维修困难等问题。本文通过对小型野战交换机的结构分析和模块设计，以基于CPLD单片机体系结构的集成化设计思路，并结合系统的低功耗需求和优化人机接口设计的原则，重点对集成设计、低功耗设计、人机接口的菜单操作方式等方面进行了研究和实现。
[关键词]有线通信 小型野战交换机 设计
中图分类号：TN916.428 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0096-01
在现代化立体战争中，有线通信方式由于具有保密性好、抗干扰能力强而倍受青睐。相对无线电通信、微波通信、卫星通信等通信方式，有线通信更适合对易用性、保密性及抗干扰能力要求很高的近距离通信作战环境。因此，对武警有线通信设备的研究和设计是军事通信领域研究工作的一个重要组成部分，具有十分重要的战略意义。
提高武警部队专用有线通信设备的可靠性、保密性和抗干扰能力以及降低功耗、实现设备小型化对于武警有线通信技术的发展具有十分重要的战略意义。部队在用野战交换机大部分还是磁石插塞式交换机，能够完成呼叫、监听、强插、组群、电话会议等一系列服务功能。随着电子技术的发展和现代化战场需求的不断提高，原有的磁石交换机显然不能满足通信系统发展和未来战场需求，这类机型显露出设计技术及元器件类型陈旧，功能实现方式繁琐，可靠性、抗干扰能力、保密性不够，维修困难，体积大、重量大、功耗高等不足。
我国中小规模武警警用野战交换机的研制工作起步晚，发展进程比较缓慢。面对瞬息万变的国际政治局面，实现军事通信设备的现代化也迫在眉睫。因此，对野战程控交换机的集成设计顺应了现代军事电子技术发展的趋势，将进一步促进我国小规模武警警用野战交换机实现高性能、低功耗、小型化、标准化和集成化。
随着大规模集成电路技术的迅猛发展，近年来芯片的集成度越来越高，各种高性能、低价格的微型计算机相继问世。目前微处理器、存储器、并串行接口、定时计数器、模数转换器、脉宽调制器以及高级语言的编译程序等已能集成在一块芯片上，且在一块芯片上所集成的功能元件将越来越多。于是，一块大规模集成电路芯片就有了一台计算机的全部功能，这样的集成芯片称为单片微型计算机。由于他们常用于控制装置，因此也叫微控制器。
现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和子系统三大部分组成。数字系统以往是采用传统的搭积木式的方法进行设计，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统，设计的灵活性很差，系统中分立元件的种类多且数目大。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件和技术逐步得到普及，电子系统设计发生了革命性的变化，解决了以往以分立元件为基础的电子系统存在的许多不足。现在，利用可编程逻辑器件和工具，就可以通过设计芯片来实现系统功能，将原来由电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，极大地减少了设计的盲目性，提高了设计效率。可编程是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，和是可编程中极具魅力的可编程器件，它们是现代化系统设计、电路设计和工艺设计紧密结合的产物。
单片机和CPLD/FPGA有很强的互补性，而“单片机+CPLD/FPGA体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以CPLD/FPGA为控制核心的系统的缺点，并且把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在CPLD/FPGA中实现单片机I/O端口扩展，产生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分立元件，大大简化了硬件连线，提高了系统可靠性。另外，由于大多数单片机和CPLD/FPGA都支持在线软件下载，因此这样的设计结构很容易实现功能扩一展、变换及远程功能控制等许多实用功能。结合二者的长处，基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统具备集成度高、功能强、可靠性高、功耗低、保密性好、体积重量小等优点`”，正切合了当前军事通信设备的各项需求。
野战程控交换机的硬件系统可采取模块板卡式设计，主要由、电源、铃流、信号音、交换矩阵、信号解码器、控制信号接口、话务员话音、磁石（中继）终端用户、液晶显示、键盘扫描、指示和告警等电路模块组成，设计结构框图如图1所示：
功能模块设计
从功能模块分析到元件选型，给出系统各功能模块的设计思路和方案。由于野战程控交换机的整机设计十分复杂，本设计在对整机结构分析和设计的基础上，重点对集成化设计、低功耗设计和智能化的人机接口进行重点研究和探讨。
控制单元的集成化设计
基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统集成化设计目前实现的功能包括以下几个部分：
（1）将系统中450HZ和1KHz的信号音、信号音发送过程中计时所需的2Hz，1Hz和0.25Hz三种频率、铃流模块中控制振铃频率的25Hz信号及其保护电路的控制信号，利用CPLD/FPGA中的计数器和基本门电路完成，并直接采用原理图输入方式。
（2）将系统中的译码和各控制信号及数据的锁存、缓冲等电路均在CPLD/FPGA中实现。
（3）控制20路用户状态显示的可寻址锁存器也可集成在中CPLD/FPGA。
低功耗设计
该交换机在野外战备环境下主要以电池供电方式工作，因此低功耗是系统设计追求的主要目标之一。
低功耗设计需要贯穿于系统设计的各个环节，主要考虑的几个方面有设计最佳的休眠方式，使设备在休眠状态时静态功耗被限制在最低程度器件选型过程中，尽量选择低电压工作的芯片在确保可靠性的基础上，尽量简化电路，提高系统集成度。数字逻辑电路部分的功能尽可能在中实现，以减小外围器件种类多数目大给系统带来的负担探讨专用芯片的功能实现方式，以最
少的芯片数量和最佳的实现方式来完成模块功能。
人机接口设计
在本设计中，程控交换机的功能编程由话务员输入编程数据来实现，直接采用中文菜单翻页的方式来设定各项功能，操作非常简便直观，话务员不需要专门的培训即可熟练地使用设备。
小结
可编程逻辑器件CPLD/FPGA和自顶向下的设计方法是现代化系统设计、电路设计和工艺设计紧密结合的产物，可以实时地进行灵活方便的开发，实现了“软”硬件的系统设计。
基于上述对可编程逻辑器件和设计技术的调研，本文提出采用“单片机体系结构”实现对野战程控交换机的集成化设计。在详细分析单片机和结构特点和优缺点的基础上，本设计方案采用单片机担当控制核心，在中实现单片机端口扩展，产生系统所需的数据和各种控制信号，充分发挥“单片机体系结构”的优越性能，使新设备具有功能集成度高、可靠性和保密性好、功耗低、体积和重量小等优点。
作者简介
乐人铭（1991—），男，汉族，湖南永州人，助教，工学硕士，单位：武警士官学校，专业：固定通信技术，研究方向：武警固定通信技术及武警士官教育。
[关键词]有线通信 小型野战交换机 设计
中图分类号：TN916.428 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0096-01
在现代化立体战争中，有线通信方式由于具有保密性好、抗干扰能力强而倍受青睐。相对无线电通信、微波通信、卫星通信等通信方式，有线通信更适合对易用性、保密性及抗干扰能力要求很高的近距离通信作战环境。因此，对武警有线通信设备的研究和设计是军事通信领域研究工作的一个重要组成部分，具有十分重要的战略意义。
提高武警部队专用有线通信设备的可靠性、保密性和抗干扰能力以及降低功耗、实现设备小型化对于武警有线通信技术的发展具有十分重要的战略意义。部队在用野战交换机大部分还是磁石插塞式交换机，能够完成呼叫、监听、强插、组群、电话会议等一系列服务功能。随着电子技术的发展和现代化战场需求的不断提高，原有的磁石交换机显然不能满足通信系统发展和未来战场需求，这类机型显露出设计技术及元器件类型陈旧，功能实现方式繁琐，可靠性、抗干扰能力、保密性不够，维修困难，体积大、重量大、功耗高等不足。
我国中小规模武警警用野战交换机的研制工作起步晚，发展进程比较缓慢。面对瞬息万变的国际政治局面，实现军事通信设备的现代化也迫在眉睫。因此，对野战程控交换机的集成设计顺应了现代军事电子技术发展的趋势，将进一步促进我国小规模武警警用野战交换机实现高性能、低功耗、小型化、标准化和集成化。
随着大规模集成电路技术的迅猛发展，近年来芯片的集成度越来越高，各种高性能、低价格的微型计算机相继问世。目前微处理器、存储器、并串行接口、定时计数器、模数转换器、脉宽调制器以及高级语言的编译程序等已能集成在一块芯片上，且在一块芯片上所集成的功能元件将越来越多。于是，一块大规模集成电路芯片就有了一台计算机的全部功能，这样的集成芯片称为单片微型计算机。由于他们常用于控制装置，因此也叫微控制器。
现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和子系统三大部分组成。数字系统以往是采用传统的搭积木式的方法进行设计，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统，设计的灵活性很差，系统中分立元件的种类多且数目大。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件和技术逐步得到普及，电子系统设计发生了革命性的变化，解决了以往以分立元件为基础的电子系统存在的许多不足。现在，利用可编程逻辑器件和工具，就可以通过设计芯片来实现系统功能，将原来由电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，极大地减少了设计的盲目性，提高了设计效率。可编程是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，和是可编程中极具魅力的可编程器件，它们是现代化系统设计、电路设计和工艺设计紧密结合的产物。
单片机和CPLD/FPGA有很强的互补性，而“单片机+CPLD/FPGA体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以CPLD/FPGA为控制核心的系统的缺点，并且把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在CPLD/FPGA中实现单片机I/O端口扩展，产生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分立元件，大大简化了硬件连线，提高了系统可靠性。另外，由于大多数单片机和CPLD/FPGA都支持在线软件下载，因此这样的设计结构很容易实现功能扩一展、变换及远程功能控制等许多实用功能。结合二者的长处，基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统具备集成度高、功能强、可靠性高、功耗低、保密性好、体积重量小等优点`”，正切合了当前军事通信设备的各项需求。
野战程控交换机的硬件系统可采取模块板卡式设计，主要由、电源、铃流、信号音、交换矩阵、信号解码器、控制信号接口、话务员话音、磁石（中继）终端用户、液晶显示、键盘扫描、指示和告警等电路模块组成，设计结构框图如图1所示：
功能模块设计
从功能模块分析到元件选型，给出系统各功能模块的设计思路和方案。由于野战程控交换机的整机设计十分复杂，本设计在对整机结构分析和设计的基础上，重点对集成化设计、低功耗设计和智能化的人机接口进行重点研究和探讨。
控制单元的集成化设计
基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统集成化设计目前实现的功能包括以下几个部分：
（1）将系统中450HZ和1KHz的信号音、信号音发送过程中计时所需的2Hz，1Hz和0.25Hz三种频率、铃流模块中控制振铃频率的25Hz信号及其保护电路的控制信号，利用CPLD/FPGA中的计数器和基本门电路完成，并直接采用原理图输入方式。
（2）将系统中的译码和各控制信号及数据的锁存、缓冲等电路均在CPLD/FPGA中实现。
（3）控制20路用户状态显示的可寻址锁存器也可集成在中CPLD/FPGA。
低功耗设计
该交换机在野外战备环境下主要以电池供电方式工作，因此低功耗是系统设计追求的主要目标之一。
低功耗设计需要贯穿于系统设计的各个环节，主要考虑的几个方面有设计最佳的休眠方式，使设备在休眠状态时静态功耗被限制在最低程度器件选型过程中，尽量选择低电压工作的芯片在确保可靠性的基础上，尽量简化电路，提高系统集成度。数字逻辑电路部分的功能尽可能在中实现，以减小外围器件种类多数目大给系统带来的负担探讨专用芯片的功能实现方式，以最
少的芯片数量和最佳的实现方式来完成模块功能。
人机接口设计
在本设计中，程控交换机的功能编程由话务员输入编程数据来实现，直接采用中文菜单翻页的方式来设定各项功能，操作非常简便直观，话务员不需要专门的培训即可熟练地使用设备。
小结
可编程逻辑器件CPLD/FPGA和自顶向下的设计方法是现代化系统设计、电路设计和工艺设计紧密结合的产物，可以实时地进行灵活方便的开发，实现了“软”硬件的系统设计。
基于上述对可编程逻辑器件和设计技术的调研，本文提出采用“单片机体系结构”实现对野战程控交换机的集成化设计。在详细分析单片机和结构特点和优缺点的基础上，本设计方案采用单片机担当控制核心，在中实现单片机端口扩展，产生系统所需的数据和各种控制信号，充分发挥“单片机体系结构”的优越性能，使新设备具有功能集成度高、可靠性和保密性好、功耗低、体积和重量小等优点。
作者简介
乐人铭（1991—），男，汉族，湖南永州人，助教，工学硕士，单位：武警士官学校，专业：固定通信技术，研究方向：武警固定通信技术及武警士官教育。