周胡净，罗明阳，杨 敏

（重庆金美通信有限责任公司，重庆400030）

基于Si32261的FXS接口设计与应用

周胡净，罗明阳，杨 敏

（重庆金美通信有限责任公司，重庆400030）

FXS（外部交换站）通常由变压器、运算放大器、编解码器、馈电馈铃电路和接口保护电路等部分组成，接口电路复杂，不易调试。针对上述原因，提出了一种基于Si32261芯片的FXS接口模块化设计方案，并开展了基础的应用设计，包括完成FXS接口模块的初始化，实现基本呼叫处理流程等。调试和测试结果表明该方案合理可行。

外部交换站；用户线接口电路；VoIP网关；BORSCHT功能；模块化设计；呼叫处理流程

1 引言

FXS（Foreign Exchange Station，外部交换站）是一种话音接口，是数字电话交换系统和POTS电话之间的一个线路端连接。FXS也是VoIP语音网关的一种，是VoIP通话的终端设备，位于VoIP网络末端，通常连接模拟电话机实现通话过程[1]。FXS接口具有BORSCHT功能，即馈电（Battery feed）、过压保护(Over-voltage Protection)、振铃控制(Ringing control)、监视(Supervision)、编解码(CODEC)、混合电路(Hybrid circuit)和测试(Test)[2]，通常由变压器、运算放大器、编解码器、馈电馈铃电路和接口保护电路等部分组成，接口电路复杂，不易调试。

Silicon labs研发的Si3226x系列产品集成了电平转换器/驱动器的FXS解决方案，允许直接连接到DC/DC转换器的功率管上，而不用考虑输入电压。该系列产品在整体FXS系统功耗最小化方面达到了新高度，待机状态下每通道功耗小于55MW[3]。其中，Si32261芯片提供2路FXS接口所需的用户线接口电路（SLIC）、编解码、双音多频检测和信号音产生等功能，实现了全部BORSCHT功能[4]。基于Si32261进行FXS接口的模块化设计，可有效简化FXS接口的设计和调试过程。

2 设计说明

2.1 硬件设计框图

如图1所示，Si32261芯片与外部DC/DC转换器以及过流、过压保护电路组成了FXS接口。Si32261芯片集成了DSP模块、SPI接口、PCM总线接口、DC/DC控制器、编解码器（CODEC）、用户线接口电路（SLIC）及反馈电路等功能模块[4]。其中DSP模块完成阻抗匹配、二/四线变换、DTMF检测和信号音产生、铃流发生、来电显示（Caller ID）、线路状态诊断等功能；SPI接口用于与控制单元通信，实现模块参数的配置和查询；PCM总线接口采用时分复用方式，可用于多个通道语音数据的收发；DC/DC控制器与外部分立器件组成DCDC转换器，实时转换产生电源VBAT，用于直流馈电和交流馈铃；编解码器则完成模数、数模转换和语音编解码，支持A-Law PCM、μ-Law PCM和16-bit线性PCM；用户线接口电路（SLIC）完成用户线上的馈电馈铃控制、摘挂机状态检测等功能。

图1 FXS接口硬件设计框图

2.2 SPI接口操作说明

Si32261芯片通过SPI接口与控制单元通信，实现芯片内部寄存器（REG）或存储器（RAM）的配置和查询操作。SPI是由摩托罗拉公司开发的一种高速、全双工、同步串行通信总线[5]。该接口由时钟信号SCLK、片选信号CS、数据输入信号SDI和数据输出信号SDO等4个信号组成。Si32261芯片额外提供了SDI_THRU信号，支持最多16片芯片（32个通道）实现菊花链操作方式[6]。

SPI接口读写操作时序满足图2和图3所示的时序关系。

图2 SPI总线接口写操作时序图

图3 SPI总线接口读操作时序图

进行SPI接口的读写操作时，首先写入8bit控制字，对操作方式进行说明。如表1所示，SPI控制字有BRDCST、R/W、REG/RAM和CID等四个字段。BRDCST为广播写操作标志，仅在写操作时有效，置‘1’时，本次写操作对所用通道生效，否则仅对CID字段指定的通道生效；R/W为读写标志，置‘1’时本次操作为写操作，置‘0’时本次操作为读操作；REG/RAM字段置为‘1’时进行寄存器（REG）的读写操作，置为‘0’时进行存贮器（RAM）的读写操作；CID为通道ID字段，用来指明本次需要操作FXS接口模块中的哪个物理通道，该字段在BRDCST置‘1’的写操作时无效。

表1 SPI控制字组成

写入8bit控制字后，紧接着写入8bit地址（Address）。对寄存器（REG）进行读写操作时，写入的地址为寄存器地址；对存储器（RAM）进行读写操作时，写入的地址是存储器地址的低8bit，存储器地址的高3bit则应在本次操作前，提前写入RAM_ADDR_HI寄存器（REG5）中。

写入控制字和地址后，若本次操作是写操作，则通过SPI接口继续写入数据；若是读操作，则由Si32261送出数据。Si32261内部寄存器（REG）的数据宽度为8bit，通过SPI接口写入或读出数据时，数据重复出现在SPI总线上两次，构成16bit的数据宽度。Si32261内部存储器（RAM）数据宽度为29bit，通过SPI接口直接写入或读出数据时，仅有存储器数据的高16bit出现在SPI总线上。多数情况下存储器数据的高16bit足以满足参数计算精度要求，特殊情况下需要写入或读取存储器完整数据时，可操作寄存器REG5～REG10，进行存储器（RAM）的间接读写操作，完成完整数据的读写操作。

2.3 PCM总线接口操作说明

Si32261通过PCM总线接口收发话音数据。PCM总线接口可用于传输8bit的PCM编码数据（A-law、A-law）和16bit的线性PCM编码数据。PCM总线接口由时钟信号PCLK、帧定位信号FSYNC、数据发送信号DTX和数据接收信号DRX组成。数据收发在时钟PCLK和帧定位信号FSYNC的控制下完成。PCM总线接口的每一个数据帧可配置为支持8至128个时隙，每个时隙数据宽度为8bit，相应的PCLK频率为512 KHz至8.192 MHz。通过将不同通道的收发数据分配到不同时隙中，可实现多片Si32261芯片共享一条PCM总线[6]（见图4）。

图4 PCM总线接口数据收发时序图

3 应用说明

3.1 硬件连接

图5是FXS接口模块的基本应用框图。FXS接口模块的SPI接口连接到ARM处理器的SPI接口上，用于接受ARM处理器的初始化和控制。PCM总线接口的时钟信号PCLK和帧定位信号FSYNC由外部时钟电路提供了2.048Mbps的时钟信号和8KHz的帧定位信号，同时与PCM总线接口的收发信号连接，工作时通过为不同接口数据分配不同时隙，实现数据交换。FXS接口模块的用户线连接模拟电话机，发起或接受话音呼叫。

图5 FXS接口模块应用框图

3.2 软件设计

3.2.1 初始化流程

FXS接口模块正常工作前，需要通过ARM处理器对FXS接口模块进行初始化。FXS接口模块的初始化流程如图6所示，初始化流程主要包括以下步骤。

（1）SPI总线接口的相关配置和初始化以及FXS复位操作；

（2）FXS初始化，包括查询通道类型及版本号，依据通道类型及版本加载对应的Patch文件并进行校验；完成通用参数加载；完成接口参数计算，启动DC/DC转换；

图6 软件初始化流程

（3）用户参数配置，包括馈电电压、馈电电流参数配置，铃流频率、幅度和波型选择等参数配置，接口阻抗参数配置，信号音频率、通断间隔及幅度等参数配置，PCM编码方式和收发增益配置等；

（4）开启线路的直流馈电和线路状态检测，开启接口状态中断检测，进入工作状态。

3.2.2 呼叫处理流程

用户终端间每一次成功的通信都包括以下三个阶段，如果因网络中无空闲路由或被叫站占线而造成呼叫失败，将不存在后面两个阶段[7]。

（1）呼叫建立

用户摘机表示向交换机发出通信请求信令，交换机向用户送拨号音，用户拨号告知所需被叫号码，如果被叫用户与主叫用户不属于同一台交换机则还应由主叫方交换机通过中继线向被叫方交换机或中转汇接机发电话号码信号，测试被叫忙闲。如果被叫闲，向被叫振铃，向主叫送回铃音，各交换机在相应的主、被叫用户线之间建立（接续）起一条贯通的通信链路。

（2）消息传输

主、被叫终端间通过用户线及交换机内部建立的链路和中继线进行通信。

（3）话音释放

任何一方挂机表示向本地交换机发出终止通信信令，使链路涉及的各交换机释放其内部链路和占用的中继线，供其他呼叫使用。

FXS接口模块进入工作状态后，进行图8所示的基本呼叫处理流程的处理。主要工作过程如下：

a.检测Si32261中断寄存器和状态寄存器，发现有否通道摘机，若某通道摘机，控制向该通道发送拨号音，并检测该通道送入的电话号码。

图8 呼叫处理流程

b.检测到第1个电话号码后，停止向该通道发送拨号音，并继续接收后续号码，在接收完所有电话号码后，对号码进行分析，确定被呼叫的用户通道。

c.若被叫通道空闲，向被叫通道发送铃流；若被叫通道被占用，或者被叫通道在约定时间内没有摘机应答，则向主叫通道发送忙音，主叫用户挂机后，结束本次呼叫。

d.若被叫通道摘机应答，为主叫通道和被叫通道分配PCM收发时隙，在主叫和被叫间建立数据连接，主叫用户和被叫用户进入通话状态。

e.通话结束后，任意一方可先挂机，检测到一方挂机后，控制向另一方发送催挂音，并回收PCM时隙资源，待主被叫双方均挂机后，本次呼叫结束。

4 调试和测试结果

经调试和测试，FXS接口模块设计和应用达到了预期结果：

（1）FXS接口模块在接受ARM处理器初始化后，进入正常工作状态，接口阻抗、馈电、铃流、信号音和编码方式等参数符合设计预期。

（2）呼叫处理过程符合预期，FXS接口模块能够正常检测模拟电话机的摘挂机状态和拨号信息；能在不同呼叫状态控制发送拨号音、回铃音和忙音等信号音；能正常控制被叫用户振铃，并正常完成接口PCM收发时隙的分配。

（3）接入FXS接口模块的模拟电话机能正常完成话音呼叫并通话，话音清晰。

5 结束语

经调试和测试，基于Si32261芯片的FXS接口模块设计和应用达到了预期结果。Si32261因其较高的集成度和灵活的可配置性等优点，有效简化了FXS接口的设计和调试。

随着VoIP(Voice over Internet Protocol)业务的兴起，VoIP技术已成为实现话音及数据通信业务的主要技术之一，在网络IP化演进过程中发挥越来越重要的作用[8]。FXS接口电路的应用也逐渐由传统的程控交换设备转移到了VOIP网关设计上。基于Si32261芯片设计的FXS接口模块同时满足传统程控交换设备和VOIP网关设备的使用需求，具有广泛的应用前景。

[1] 黄学达,林峰.基于CM5000的FXS语音网关的软硬件设计[J].电子器件，2015(4):903-907.HUANG Xueda,LIN Feng.Design of Hardware and Software of FXS voice gateway based on CM5000[J].Chinese Journal of Electron Devices,2015(4):903-907.

[2] 叶敏.程控数字交换与交换网[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.YE Min.Programmed digital switching and switching network[M].Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications press,2003.

[3] Silicon Laboratories.集成电路[J].今日电子,2011(9):62-63.Silicon Laboratories.Integrated circuit[J].Electronic Products,2011(9):62-63.

[4] Silicon Laboratories.SI32260/1 single chip dual RROSLIC datasheet[EB/OL].https://www.silabs.com.2011.11.

[5] 郑毛祥.SPI总线接口扩展与应用[J].自动化技术与应用,2012(9):75-79,95.ZHENG Maoxiang.Extension and Application of SPI Bus Interface[J].Techniques of Automation and Applications,2012(9):75-79,95.

[6] Silicon Laboratories.Si3226x PROSLIC DESIGNER'S GUIDE[EB/OL].https://www.silabs.com.2013.8.

[7] 金惠文，陈建亚，纪红，等.现代交换原理（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2005.JIN Huiwen,CHEN Jianya,JI Hong.Modern switching principle(Second Edition)[M].Beijing:Publishing House of electronics industry,2005.

[8] 李辉.VoIP技术及其发展趋势分析[J].互联网天地,2015(2):77-79.LI Hui.Analysis of VoIP Technology and Its Development Trend[J].China Internet,2015(2):77-79.

Design and Application of FXS Interface Based on Si32261

Zhou Hujing,Luo Mingyang，Yang Min
（Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.,Chongqing 400030,China）

FXS (Foreign Exchange Station)usually consists of transformer，amplifier，codec， line feed and protection circuits.In view of the disadvantages such as complicated circuits and difficult debugging，a modular design of FXS interface based on Si32261 is proposed and a basic application design is carried out，including FXS initialization and basic call processing procedure.Debugging and test results indicate that the design is reasonable and practicable.

FXS；SLIC；VoIP gateway；BORSCHT； Modular design；Call processing procedure

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.03.017

TP368.1；TB51+6

A

1002-2279-（2017）03-0079-04

周胡净（1985-），男，重庆市人，工程师，主研方向：电子技术与应用。

2016-07-15