杨少帅，李欣
（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100）
摘要：基于固定电话管理系统的需求，设计一种能够及时获取并线固话通话明细的监测终端，作为管理考核该话机的一种信息来源。该终端以ATmega16单片机为核心，通过解码芯片和外围电路获得FSK/DTMF制式来电显示、组合按键及摘挂机信息，并利用低成本嵌入式UART-ETH-WiFi模块与服务器实现网络通信。实际应用表明，该终端监测准确、稳定，值得在各种固话管理系统中推广，现已成功应用到挂机短信系统中。
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关键词 ：固定电话；ATmega16；FSK/DTMF；挂机短信
中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0044-03
收稿日期：2014-11-25
基金项目：国家科技支撑计划课题：基于自动识别（AIS）技术的个人海上搜救系统的研制（2014BAK12B06）
在商用固定电话管理领域，电话的拥有者需要对其电话的使用进行管理，特别是能够及时获取并查询主叫号码、被叫号码的通话明细[1]。同时使用者还可以通过组合键的方式，向服务器汇报通话的性质和信息等要素。
由于服务器不能直接从固定电话上获取所需的信息，因此基于以上需求设计了一种以ATmega16为控制器的固话监测终端。该终端与被监测电话并联，其工作的同时不影响话机的正常使用，并能够识别FSK/DTMF制式来电显示[2]，然后通过检测到的摘挂机动作和软件逻辑判断来去电和按键信息，最终通过网络把监测到的信息汇总到服务器，使管理者或服务器及时获得固话信息做近一步的功能扩展。该监测终端的出现极大地扩展了基于固定电话开发的商业市场，同时也使固话管理系统根据其用途具有更好的自主性和多样性。
1 总体设计
此终端设备主要由MCU模块、监听模块、通信模块三部分组成，整体结构框图如图1所示。
MCU模块采用的是AVR单片机ATmega16，其具有自动上电复位、看门狗、低电压检测（BOD）、低功耗等优点，使设备运行更加稳定可靠。监听模块包括对FSK/DTMF两种制式来电信息检测，按键检测及摘挂机检测电路。通信模块采用的是一种低成本嵌入式UART-ETH-WiFi（串口-以太网-无线网）模块，能够实现用户串口、以太网、无线网3 个接口之间的转换。其具体工作方式大体分为2种：一种是当终端检测到来电后，先存储来电显示信息，再检测是否有摘机动作判断接通还是未接，如果接通后在判断通话中途是否有组合按键，最后组成来电包通过网络发送给服务器端；另一种是当检测到主动摘机后，记录按键信息，组成拨号包发送出去，这样可实现对固话各种状态的信息监测。
2 硬件设
2.1 信号解码电路设计
在中国地区，来电显示（CID）传送方式主要分为2 种，一种是频移键控（FSK）制式；另一种是双音多频（DTMF）制式。不同城市和地区的来电显示制式各不统一。本终端采用了双制式解码电路，然后根据FSK/DTMF信号方式的传送协议[3]，通过软件解析来电信息，其适应性强，误码率低。
2.1.1 FSK信号解码模块
本文采用的是Holtek 公司的HT9032C 解码芯片，HT9032C信号输入端满足1 200 b/s的FSK 数据传输标准[4]。当检测到振铃到来时，其RDET引脚拉低，触发单片机中断。在第一次与第二次振铃之间，逻辑“1”=（1 200+12）Hz，“2”=（2 200+12）Hz，传输速率为1 200 b/s 的FSK 来显信号通过HT9032C 解调成异步串行数据从DOUTC 引脚输出，输出波特率为1 200 b/s。由于ATmega16只有一个串行接口，此接口要与通信模块连接，为节约开发成本，选用I/O接口作为模拟串口[5-6]接收端，通过软件模拟串口时序来接收HT9032C 解调出来的主叫识别信息。HT9032C的外围电路如图2所示。
2.1.2 DTMF信号解码模块
DTMF是指通过2个特定的单音频信号组合来代表数字信号和功能的一种编码技术[7]。2个不同频率的单音频信号代表不同数字和功能。8 种不同频率的单音频组合出16种数字信号。
DTMF 信号解码模块采用的是Holtek 公司的HT9172 芯片。HT9172 通过滤波和解码电路将16 种DTMF 输入信号转换成代表不同数字的4 位BCD 码输出。电话往外拨号也采用的是DTMF编码，与DTMF制式的来电显示相同。该设备与电话并联，能够同时检测到按键信息和DTMF制式的主叫信息。HT9172解码电路如图3所示。当检测到有效的输入信号时，其DV 引脚置为高电平，同时将DTMF信号送至内部电路进行解码，将OE引脚置为高电平后，D0~D3输出解码信号并将其锁存。因此单片机可通过外部中断读取D0~D3电平来识别解码信息。
2.2 摘挂机状态检测模块
摘挂机状态的检测由电话线路两端的电压高低变化来确定。正常情况下，电话线路的馈电电压为48 V直流电压，当为摘机状态时话机线端电压为9 V左右，但当来振铃时，交换机送出的振铃信号是75 Vrms，25 Hz的正弦交流信号[8]，振铃波形如图4（a）所示。为了消除振铃信号对检测线路两端直流电压的影响，采用整流滤波电路，先通过整流桥整流，再利用电解电容充放电作用，经过电阻电容配比，使电容两端电压趋于平滑，振铃整流后电压波形如图4（b）所示。电容两端电压再通过光耦隔离加反相器，把模拟信号转变成单片机可识别的数字信号，实现了对摘挂机状态的检测。检测电路如图5所示，当电话为挂机状态时，线路电压为高电压，光耦导通，I/O端为高电平，即使有振铃到来，正弦信号通过整流稳压电路后电容两端电压浮动也不会影响光耦的导通，I/O端仍为高电平；当为摘机状态时，光耦不导通，I/O端为低电平。再通过软件消抖，查询I/O引脚电平，可以准确地检测到电话的摘挂机状态。
2.3 通信模块
单片机通过RS 232串口与其通信。它是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，有4种工作模式可供配置：默认模式、串口转以太网、串口转WiFi CLINT、串口转WiFi AP。通过Web页面对其进行参数配置，包括工作模式、串口波特率、IP地址等。由于要求服务器可以同时与一个或多个电话监测终端通信，每个终端都应设置为客户端，并选用UDP协议通信[9]。该终端通过网络通信，使信息传输更加实时、稳定、可靠。
3 软件设计
话机振铃间隔为4~5 s，来电后振铃标志置1，当超过5 s后标志清零，振铃后5 s内如果没有摘机判断为未接。摘机后按键间隔如果超过3 s 就不在接受按键信息，检测挂机后发送数据包。根据监测终端的两种工作方式，程序流程图如图6所示。为了增强软件运行以及和服务器通信的稳定性，在程序中增加了看门狗和心跳机制，每隔固定时间段发送心跳包，以便服务器能够统计当前挂载量和挂载的每个监测终端网络通信是否正常，增加了设备与服务器之间通信的可靠性。
4 在商业挂机短信系统中的应用
挂机短信系统是一款能够帮商家在固定电话上开发新业务的来电管理系统。当手机客户拨打商家固定电话，通话结束后，将收到商家在Web页面预先设置好的短信内容，其内容可以是企业介绍、节日祝福、产品活动等信息[10]。目前各运营商都有推广，但都仅限于自己网络下的固话用户，具有局限性、且实时性不高。而该终端的应用可以不受各运营商的限制，针对不同制式、不同网络下的电话机都能成功实时监测其话机信息。整个挂机短信系统工作流程大体为当检测终端检测到话机信息后，通过网络组包发送给服务器后台，然后由后台存入数据库并触发短信平台，发送商家在Web 页面设定好的短信内容。此终端的应用使该系统更具有商业性，其客户应用面更加广泛，易于统一管理。
该终端可扩展性强，应用面广，不仅可以应用到挂机短信系统中，也可应用到电话营销及客户服务行业中，通过把监测信息存入数据库能够让管理者很方便的知道每个业务员的通话明细；同时还可应用到电话预定服务行业，前台人员接通电话后通过组合键的方式告知上位机系统预定内容等。
5 结语
本文基于商业需求设计了一款实用的固话监测终端，介绍了其硬件组成以及软件设计等，通过监测并联电话的来电信息及按键和摘挂机动作，能够成功获得服务器所需的各种话机状态，为后一步的固定电话业务扩展奠定了基础，并已在商业挂机短信系统中得到了很好的应用。该终端成本低，体积小，安装方便，可靠性强，具有很好的应用前景。
作者简介：杨少帅（1989—），男，河北衡水人，硕士研究生。主要研究方向为水下探测系统。
李欣（1959—），男，湖南长沙人，教授。主要研究方向为嵌入式系统。
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参考文献
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