Thiết kế hệ thống điều khiển xa qua đường dây thoại trên cơ sở của chip DTMF

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



PHẠM ĐỨC TRƢỜNG


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XA QUA ĐƢỜNG
DÂY THOẠI TRÊN CƠ SỞ CỦA CHÍP DTMF

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60. 52. 02. 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO
SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC


PGS.TS. ĐỖ XUÂN TIẾN

KHOA ĐIỆN TỬ
TRƢỞNG KHOA

Thái Nguyên - 2014



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Đức Trƣờng.
Học viên lớp: Cao học Kỹ Thuật Điện Tử - Khoá: 14.
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Xin cam đoan luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển xa qua đường dây
thoại trên cơ sở của chíp DTMF” do Thầy giáo PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Học viên


Phạm Đức Trƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô trong Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp -
Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo và
Phòng Đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt muốn cảm ơn
Thầy PGS.TS. Đỗ Xuân Tiến đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian
thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong
thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được
sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!


Tác giả luận văn




Phạm Đức Trƣờng












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

i
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
MỞ ĐẦU 1

Chƣơng 1. TỔ CHỨC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA QUA ĐƢỜNG
ĐIỆN THOẠI 5
1.1. Sơ đồ cấu trúc Hệ thống 5
1.2. Chức năng các khối trong Hệ thống 6
1.2.1. Khối giải mã thu DTMF (Dual Tone Multi Frequency) 6
1.2.2. Khối phát tín hiệu chuông 6
1.2.3. Khối kết nối thuê bao 6
1.2.4. Khối điều khiển thiết bị 6
1.2.5. Khối nút nhấn bên ngoài 6
1.2.6. Khối vi xử lý 6
1.2.7. Khối nguồn 7
1.2.8. Khối phát hiện sự cố và cảnh báo tại chỗ 7
1.2.9. Khối hiển thị 7
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐÀI ĐIỆN TỬ – PHƢƠNG THỨC LÀM VIỆC
CỦA TỔNG ĐÀI VÀ CÁC THUÊ BAO ĐIỆN THOẠI 8
2.1. Tổng quan về Tổng đài điện tử 8
2.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển tổng đài 8
2.1.2. Khái niệm về tổng đài số 9
2.1.3. Các chức năng của hệ thống tổng đài 10
2.2. Phương thức làm việc giữa tổng đài và các thuê bao 10
2.2.1. Đặc tính của điện thoại cố định 10
2.2.2. Hệ thống DTMF (Dual Tone Multi Frequency) 12
2.2.3. Phương thức quay số 13
2.2.4. Phương thức làm việc giữa tổng đài và các thuê bao 16
Chƣơng 3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 18


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ii

3.1. Bộ Vi điều khiển AT89S52 18
3.1.1. Sơ đồ khối bộ Vi điều khiển AT89S52 18
3.1.2. Sơ đồ và chức năng các chân vi điều khiển AT89S52 19
3.2. Chíp Giải mã Thu - Phát DTMF MT8888 21
3.2.1. Sơ đồ khối của MT8888 21
3.2.2. Sơ đồ và chức năng của MT8888 21
3.2.3. Bộ Thu - Phát DTMF 23
3.2.4. Kết nối giao tiếp với vi xử lý 25
3.2.4.1. Mô tả chung 25
3.2.4.2. Cách truy cập thanh ghi 26
3.2.4.3. Các thanh ghi 27
3.3. Thiết kế mạch các khối chức năng 28
3.3.1. Mạch phát hiện tín hiệu chuông, kết nối thuê bao 28
3.3.1.1. Sơ đồ nguyên lý 28
3.3.1.2. Nguyên lý hoạt động 28
3.3.2. Khối thu tín hiệu DTMF 29
3.3.2.1. Sơ đồ nguyên lý 29
3.3.2.2. Nguyên lý hoạt động 30
3.3.3. Khối điều khiển thiết bị 31
3.3.3.1. Sơ đồ nguyên lý 31
3.3.3.2. Nguyên lý hoạt động 31
3.3.4. Khối phát hiện và cảnh báo sự cố 31
3.3.4.1. Sơ đồ nguyên lý 31
3.3.4.2. Nguyên lý hoạt động 32
3.3.5. Khối nguồn 32
3.3.5.1. Sơ đồ nguyên lý 32
3.3.5.2. Nguyên lý hoạt động 33
3.3.6. Khối điều khiển trung tâm 33
3.3.6.1. Sơ đồ nguyên lý 33
3.3.6.2. Nguyên lý hoạt động 33

Chƣơng 4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM VẬN HÀNH HỆ THỐNG 34
4.1. Lưu đồ giải thuật vận hành Hệ thống Điều khiển thiết bị từ xa qua đường dây thoại 35


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iii
4.1.1. Lưu đồ giải thuật 35
4.1.2. Giải thích 35
4.2. Chương trình phần mềm vận hành hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua
đường dây thoại 37
Chƣơng 5. THỰC NGHIỆM 38
5.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển xa qua đường dây thoại 38
5.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống 38
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
PHỤ LỤC 43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ Viết Tắt
Tên Tiếng Anh
Tên Tiếng Việt
AC
Alternating Current
Dòng điện xoay chiều
CMOS
Complementary Metal Oxide -
Semiconductor
Kết hợp ô xít kim loại và chất
bán dẫn
CP
Call Progress
Xử lý cuộc gọi
CPU
Central Processing Unit
Bộ xử lý trung tâm
CRA

Control Register A
Thanh ghi điều khiển A
CRB
Control Register B
Thanh ghi điều khiển B
D/A
Digital/Analog
Bộ biến đổi số - tương tự
DC
Direct Current
Dòng điện một chiều
DTMF
Dual Tone Multi Frequency
Cặp tín hiệu đa tần
I/O
Input/OutPut
Đầu vào/Đầu ra
IC
Integrated circuit
Vi mạch tích hợp
MCS
Microchip Computer Solutions
Máy tính cỡ nhỏ
OPAMP
Operational Amplifier
Mạch khuếch đại thuận toán
PP
Peak To Peak
Giá trị đỉnh – đỉnh
RAM

Random Access Memory
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên
RMS
Root Mean Square
Giá trị hiệu dụng
ROM
Read-Only Memory
Bộ nhớ chỉ đọc
S/N
Signal/Noise
Tín hiệu/Nhiễu
V
Voltage
Đơn vị điện áp


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các cặp tần số DTMF 15
Bảng 3.1. Chức năng riêng các chân Port 3 20
Bảng 3.2. Chức năng các chân của MT8888 22
Bảng 3.3. Bảng giải mã tần số DTMF 24
Bảng 3.4. Cách truy cập thanh ghi 26
Bảng 3.5. Thanh ghi điều khiển CRA 27
Bảng 3.6. Thanh ghi điều khiển CRB 27
Bảng 3.7. Thanh ghi trạng thái 27
Bảng 3.8. Chức năng các chân điều khiển chính 33
Bảng 5.1. Vị trí các khối trong hệ thống điều khiển 38

Bảng 5.2. Mã lệnh điều khiển 39



















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vi
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống giám sát điều khiển từ xa 5
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị từ xa 5
Hình 2.1. Tín hiệu mời quay số 11
Hình 2.2. Tín hiệu báo bận 11
Hình 2.3. Tín hiệu hồi âm chuông 12

Hình 2.4. Tín hiệu chuông 12
Hình 2.5. Tín hiệu đảo cực 12
Hình 2.6. Bàn phím DTMF 13
Hình 2.7. Bàn phím DTMF ma trận vuông 13
Hình 2.8. Dạng sóng quay số kiểu PULSE 15
Hình 3.1. Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52 18
Hình 3.2. Sơ đồ chân của AT89S52 19
Hình 3.3. Cấu trúc của MT8888 21
Hình 3.4. Sơ đồ chân của MT8888 22
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý khối phát hiện tín hiệu chuông và kết nối thuê bao 28
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lí khối thu tín hiệu DTMF 30
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển thiết bị 31
Hình 3.8. Khối phát hiện sự cố xẩy ra 31
Hình 3.9. Khối cảnh báo sự cố xẩy ra 32
Hình 3.10. Khối nguồn 32
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm 33
Hình 4.1. Lưu đồ giải thuật 35
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa 38




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống điều khiển từ xa nắm giữ một vai trò quan trọng trong việc công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Điều khiển từ xa rất đa dạng phong phú: trong
lĩnh vực quân sự được ứng dụng vào điều khiển máy bay không người lái, tên lửa,

tàu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo…trong dân dụng điều khiển từ xa làm tăng tính tiện ích
và tăng giá trị sử dụng cho các thiết bị.
Đối với hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại thì giới hạn về khoảng
cách là yếu điểm của kỹ thuật này, bên cạnh đó mạng internet ngày nay cũng khá
phổ biến nhưng chưa thật sự rộng rãi, ngược lại với mạng điện thoại đã được mở
rộng với quy mô toàn thế giới và rất phổ biến, đã mở ra một hướng mới trong lĩnh
vực tự động điều khiển.
Hiện nay, do nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng, đồng
thời các thiết bị điện thoại ngày càng được phổ biến rộng rãi. Do đó việc sử dụng
mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phương thức thuận tiện nhất cho
công việc, tiết kiệm thời gian, vừa đảm bảo các tính năng tiện ích cho các thiết bị
vừa tiết kiệm được chi phí sử dụng và an toàn cho tính mạng, tài sản của con người
do cháy nổ hoặc do chạm chập điện gây ra.
Ngoài ra, ứng dụng của hệ thống điều khiển xa bằng điện thoại, giúp ta điều
khiển các thiết bị điện ở những môi trường nguy hiểm mà con người không thể làm
việc được hoặc những dây chuyền sản xuất để thay thế con người.
Dựa vào mạng điện thoại có sẵn, có thể thiết kế hệ thống điều khiển các thiết
bị từ xa với sự trợ giúp của kỹ thuật vi điều khiển. Hệ thống này được thiết kế trên
mô hình đóng ngắt các thiết bị, khi có sự cố xẩy ra thiết bị sẽ báo động tại chỗ bằng
các tín hiệu cảnh báo. Ngoài ra, hệ thống chỉ có thể điều khiển được khi nhấn đúng
mã và không thể xảy ra trường hợp người ngoài có thể điều khiển hệ thống do vô
tình quay số ngẫu nhiên.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
Chính vì vậy mà tác giả đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển
xa qua đƣờng dây thoại trên cơ sở của chíp DTMF” cho luận văn của mình.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Ý nghĩa khoa học:
Điều khiển thiết bị từ xa thông qua hệ thống thông tin liên lạc là sự kết hợp
giữa các ngành Điện – Điện tử và Viễn thông. Sự phối hợp ứng dụng vi điều khiển
hiện đại và hệ thống thông tin liên lạc đã hình thành một hướng nghiên cứu và phát
triển trong khoa học kỹ thuật. Điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng điện thoại
khắc phục được nhiều giới hạn trong hệ thống điều khiển từ xa thông thường. Hệ
thống này không phụ thuộc vào khoảng cách, môi trường, đối tượng điều khiển.
Điểm đặc trưng nổi bậc của hệ thống là tính lưu động của tác nhân điều khiển
(người điều khiển) và đối tượng được điều khiển là cố định.
+ Ý nghĩa thực tiễn:
Hình thành ý tưởng từ nhu cầu thực tế xã hội, nhưng để tạo ra được một sản
phẩm có giá trị ứng dụng cao thì đây chính là một điều kiện tốt nhất để người thực
hiện đề tài có thể tự kiểm chứng lại năng lực của mình trong suốt khoá học tích luỹ
từ kiến thức của bản thân và từ trường lớp. Người thực hiện đề tài phải nỗ lực trong
vấn đề hệ thống hoá lại toàn bộ các kiến thức liên quan và ứng dụng nó một cách
hiệu quả trong khi thực hiện đề tài.
Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển xa qua đường dây thoại trên cơ sở của
chíp DTMF” hoàn thành sẽ góp phần vào việc tăng tính đa dạng, giảm thiểu thời
gian và chi phí cho các hệ thống điều khiển… Đồng thời đây là một giải pháp phù
hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại ngày nay.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
+ Đề tài hướng tới một phương thức điều khiển từ xa có sự kết hợp của nhiều
lĩnh vực liên quan như: Tổng đài điện thoại, điện thoại cố định, phương thức làm
việc giữa tổng đài và thuê bao, vi mạch điện tử, vi điều khiển…
+ Tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển từ xa qua đường dây điện thoại
sử dụng tín hiệu DTMF để giao tiếp giữa người điều khiển và thiết bị.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu (sách, báo, tạp chí khoa học,
Internet…), thu thập và lưu trữ dữ liệu liên quan đến hệ thống điều khiển từ xa.
Phương pháp thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm dựa trên các hệ thống
thiết bị hiện có và thiết kế chế tạo sản phẩm mới, với mục đích cải tiến, khắc phục
những nhược điểm mà các hệ thống trước mắc phải.
5. Mục tiêu nghiên cứu
Trong giới hạn thời gian cho phép để hoàn thành đề tài này kết hợp với
những kiến thức tích luỹ được trong suốt khoá học không cho phép người thực hiện
đề tài thực hiện được hoàn chỉnh toàn bộ các yêu cầu tạo ra một sản phẩm ưu việt.
Do đó người thực hiện đề tài chỉ tập trung đi sâu nghiên cứu về tổ chức hệ thống
điều khiển thiết bị từ xa qua đường điện thoại, xây dựng thiết bị đáp ứng được yêu
cầu đặt ra.
Các mục tiêu cụ thể là:
- Xây dựng các khối chức năng của hệ thống điều khiển từ xa qua đường dây
thoại sử dụng chíp DTMF.
- Dùng chíp vi điều khiển AT89S52 để điều khiển chíp MT8888 thu tín hiệu
DTMF.
- Thông qua kết nối bằng đường dây điện thoại, người điều khiển sẽ điều
khiển các thiết bị từ xa.
- Chế tạo thiết bị, kiểm tra đánh giá để tiếp tục phát triển, hoàn thiện và ứng
dụng trong đời sống thực tế.
6. Bố cục của Đề tài
Ngoài các phần Mở đầu, Mục lục, Danh mục các hình vẽ (bảng, biểu…), Kết
luận, Tài liệu tham khảo. Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 05
chương như sau:
Chương 1: Tổ Chức Hệ Thống Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa Qua Đường Dây
Điện Thoại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4
Chương 2: Tổng Quan Về Tổng Đài Điện Tử – Phương Thức Làm Việc Của
Tổng Đài Và Các Thuê Bao Điện Thoại
Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống
Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm Vận Hành Hệ Thống
Chương 5: Thực Nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
NỘI DUNG
Chƣơng 1. TỔ CHỨC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA
QUA ĐƢỜNG ĐIỆN THOẠI
1.1. Sơ đồ cấu trúc Hệ thống
Một hệ thống điều khiển từ xa bao gồm ba thành phần chính: Trung tâm điều
khiển, đường dây truyền dẫn tín hiệu, hệ thống và thiết bị cần điều khiển giám sát từ
xa.

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống giám sát điều khiển từ xa
Từ sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển từ xa, bộ giải mã thu - phát tín
hiệu DTMF được sử dụng là chíp MT8888. Tác giả thiết kế sơ đồ khối hệ thống
điều khiển từ xa qua đường dây thoại:

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị từ xa



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
1.2. Chức năng các khối trong Hệ thống
1.2.1. Khối giải mã thu DTMF (Dual Tone Multi Frequency)
Chức năng chính của khối này là thu và giải mã tín hiệu DTMF cho hệ thống

khi thực hiện nhận cuộc gọi đến (yêu cầu hệ thống thực hiện điều khiển thiết bị).
Khối này sử dụng Chíp giải mã thu phát DTMF MT8888.
1.2.2. Khối phát tín hiệu chuông
Khi có cuộc gọi đến yêu cầu hệ thống điều khiển thiết bị thì hệ thống lúc này
được coi như một thuê bao điện thoại thông thường. Vì vậy, thiết bị vẫn nhận các
cuộc gọi đến bình thường và tổng đài sẽ gửi cho hệ thống tín hiệu chuông báo có
cuộc gọi đến. Khối cảm biến tín hiệu chuông sẽ nhận tín hiệu này và báo cho khối
vi xử lý biết có cuộc gọi đến.
1.2.3. Khối kết nối thuê bao
Khi có cuộc gọi đến yêu cầu điều khiển thiết bị, thì khối vi xử lý nhận được
tín hiệu chuông từ khối cảm biến tín hiệu chuông. Nhưng để hệ thống hoạt động
như một máy điện thoại thông thường, tức là phải nhấc máy thì khối vi xử lý sẽ yêu
cầu khối kết nối thuê bao làm việc này (tương tự như hành động nhấc máy khi có
người gọi tới) để thông thoại và nhận yêu cầu từ người sử dụng. Khối này khi thực
hiện việc kết nối sẽ đóng cho một tải giả (có nội trở tương đương với nội trở của
một máy điện thoại cố định thông thường) kết nối đường dây. Khi đó, tổng đài sẽ
phát hiện mức điện áp sụt giảm trên đường dây (còn khoảng 15V) và sẽ cho máy
điện thoại gọi đến kết nối với hệ thống.
1.2.4. Khối điều khiển thiết bị
Khối này chủ yếu là các mạch Relay, các Relay chấp hành các lệnh từ khối
vi xử lý. Thực chất đây là khối chấp hành thụ động.
1.2.5. Khối nút nhấn bên ngoài
Trong trường hợp hệ thống bị hỏng mất điều khiển từ xa, khối này hỗ trợ cho
hệ thống đóng hoặc ngắt thiết bị tại chỗ bằng phím cứng.
1.2.6. Khối vi xử lý


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7

Đây chính là trái tim của hệ thống, phần quan trọng nhất quyết định đến sự
hoạt động của toàn bộ hệ thống. Tại đây khối vi xử lý sẽ nhận, xử lý và phản hồi
toàn bộ những thông tin từ các khối chức năng. Khối này sử dụng một phần mềm hệ
thống linh hoạt và mềm dẻo để điều khiển mọi hoạt động và đưa ra các lệnh để các
khối khác thi hành. Vi điều khiển được sử dụng cho khối này là vi điều khiển
AT89S52.
1.2.7. Khối nguồn
Khối này sẽ đảm bảo cho đầu ra đủ hai mức điện áp +12V DC và 5V DC
bằng phẳng và ổn định cấp cho toàn hệ thống.
1.2.8. Khối phát hiện sự cố và cảnh báo tại chỗ
Khi hệ thống phát hiện có sự cố thì ngay lúc đó khối cảnh báo sẽ hoạt động,
gửi cảnh báo đến người sử dụng bằng cách đưa ra cảnh báo tại chỗ bằng loa và đèn
nháy. Khối này bao gồm loa báo động, đèn nháy được lắp đặt tại khu vực cần cảnh
báo.
1.2.9. Khối hiển thị
Màn hình LCD có khả năng hiển thị mật khẩu, các câu thông báo và trạng
thái các thiết bị.

Kết luận chƣơng 1: Tác giả đã xây dựng tổ chức hệ thống điều khiển từ xa
qua đường dây điện thoại. Hệ thống điều khiển gồm các khối cơ bản như: khối
trung tâm, khối thu tín hiệu DTMF, khối tải giả, khối điều khiển thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8
Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ TỔNG ĐÀI ĐIỆN TỬ – PHƢƠNG THỨC
LÀM VIỆC CỦA TỔNG ĐÀI VÀ CÁC THUÊ BAO ĐIỆN THOẠI
2.1. Tổng quan về Tổng đài điện tử
2.1.1. Sơ lƣợc lịch sử phát triển tổng đài
Để khắc phục những hạn chế và nhược điểm của các loại tổng đài điện thoại
nhân công, các nhà chế tạo tổng đài điện thoại đã cho ra đời tổng đài tự động cơ
điện và từng bước hoàn thiện chúng. Tổng đài tự động từng nấc đầu tiên điều khiển
trực tiếp đã được chế tạo năm 1892. Mặc dù nó được hoàn thiện trên cơ sở nhiệm
vụ của tổng đài nhân công nhưng nó còn rất nhiều nhược điểm như chứa nhiều các
bộ phận cơ khí, khả năng và tính linh hoạt bị hạn chế kích thước quá cồng kềnh.
Năm 1926 ở Thụy Điển đã xuất hiện một số loại tổng đài ngang dọc đầu tiên,
tổng đài này sản xuất ra dựa trên cơ sở kết quả nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch và
hoàn thiện các bộ phận chức năng của tổng đài từng nấc. Các tổng đài này cũng chỉ
là tổng đài điều khiển trực tiếp.
Sau đó nhiều sự thay đổi có ý nghĩa cách mạng trong lĩnh vực điện tử đã tạo
ra nhiều điều kiện tốt để hoàn thiện các tổng đài ngang dọc. Nhiều khối chức năng
điều khiển như bộ ghi phát, điều khiển đầu nối trước đây được chế tạo bởi relay
cơ điện thì nay được thay thế bằng các máy tính đơn giản chế tạo ở dạng khối. Điều
đó dẫn đến kích thước của tổng đài được thu nhỏ hơn và trọng lượng thiết bị cũng
giảm, tổng đài làm việc nhanh hơn, ít ồn ào, dễ điều hành và bảo dưỡng hơn.
Vào những năm 1965 tổng đài điện thoại điện tử đầu tiên theo nguyên lý
chuyển mạch không gian tương tự đã được đưa vào khai thác ở nước Mỹ. Tổng đài
loại này cần cho mỗi cuộc gọi một tuyến vật lý (một mạch dây) riêng. Vì vậy cũng
không thể chế tạo một tổng đài có khả năng tiếp thông hoàn toàn. Ngay sau đó
người ta đã hướng công việc nghiên cứu vào phương thức chuyển mạch phân kênh
theo thời gian (chuyển mạch thời gian). Theo phương thức này người ta dùng một
mạch dây cho nhiều cuộc gọi trên cơ sở phân chia thời gian sử dụng. Dựa vào

phương thức này có thể thiết lập tổng đài tiếp thông hoàn toàn và không tổn thất.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9
Năm 1970 tổng đài điện thoại số đầu tiên được sản xuất, lắp đặt và đưa vào khai
thác đầu tiên ở nước Pháp.
2.1.2. Khái niệm về tổng đài số
Mạng lưới viễn thông được thiết lập để truyền tải các tín hiệu thông tin từ
nơi này đến nơi khác. Những bộ phận chủ yếu của các mạng lưới này là các nút
hoặc các trung tâm chuyển mạch và các đường truyền dẫn, tính phức tạp của mạng
viễn thông là ở nhiệm vụ truyền tải một số khối lượng lớn thông tin của lưu lượng
thoại, đồng thời truyền với một số thông tin của các dịch vụ khác ở trong mạng.
Chính vì vậy mạng viễn thông đã thay đổi từ chỗ cực kỳ đơn giản đến phức tạp.
Chức năng quan trọng nhất của mạng viễn thông là dịch vụ thoại. Do đó ta đề cập
tới các trung tâm chuyển mạch (tổng đài điện thoại), các đường truyền dẫn trên
mạng thoại và các dịch vụ của nó.
Mạng điện thoại cung cấp các phương tiện thông tin tiếng nói từ ngay khi nó
mới xuất hiện cách đây hàng trăm năm, nó là các mạng nội bộ nhỏ. Ngày nay mạng
điện thoại đã phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật công
nghệ điện tử, bán dẫn, nó đã đem lại những khả năng kết nối đơn giản cho mạng.
Các trung tâm chuyển mạch của mạng (tổng đài điện thoại) là các nút của mạng lưới
viễn thông, chúng làm nhiệm vụ chuyển mạch kết nối các cuộc gọi thuê bao trên
mạng. Đảm bảo các cuộc gọi ở các trung tâm chuyển mạch không bị vướng, tắc nghẽn.
Do nhu cầu ngày càng đòi hỏi lớn về chất lượng, dịch vụ, dung lượng chuyển
mạch của tổng đài. Các trung tâm chuyển mạch cũng được mở rộng và phát triển
đáp ứng nhu cầu đó, phục vụ cho cuộc sống của thế kỷ thông tin. Ngày nay, hệ
thống tổng đài số đã dần thay thế cho các loại tổng đài cũ, nó mở ra một thời kỳ mới
cho ứng dụng viễn thông vào cuộc sống. Khi ta dùng phương pháp truyền dẫn số,

tổng đài số đã mang lại nhiều lợi ích so với truyền dẫn tương tự. Sử dụng tổng đài
số và các đường truyền dẫn số, bộ mã hoá và giải mã cho thoại đơn giản dễ biến đổi
thực hiện các chức năng.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10
2.1.3. Các chức năng của hệ thống tổng đài
Mặc dù các hệ thống tổng đài đã được nâng cấp rất nhiều từ khi nó được phát
minh ra nhưng các chức năng cơ bản vẫn là: Xác định các cuộc gọi của thuê bao,
kết nối với thuê bao bị gọi và sau đó tiến hành việc phục hồi lại các cuộc gọi đã
hoàn thành hầu như vẫn như cũ. Hệ thống tổng đài dùng nhân công tiến hành các
quá trình này bằng tay trong khi hệ thống tổng đài tự động tiến hành các việc này
bằng các thiết bị điện tử.
Đối với hệ tổng đài tự động các cuộc gọi được phát ra và hoàn thành thông
qua các bước sau:
+ Nhận dạng thuê bao chủ gọi.
+ Tiếp nhận số được quay.
+ Kết nối cuộc gọi.
+ Chuyển thông tin điều khiển.
+ Kết nối trung chuyển.
+ Kết nối tại trạm cuối.
+ Truyền tín hiệu chuông.
+ Tính cước.
+ Truyền tín hiệu.
+ Hồi phục hệ thống.
2.2. Phƣơng thức làm việc giữa tổng đài và các thuê bao

Đường dây điện thoại cố định hiện nay gồm có hai dây và thường gọi đó là Tip và
Ring. Tất cả các điện thoại hiện nay đều được cấp nguồn từ tổng đài thông qua hai dây Tip
và Ring. Nhằm hiểu rõ, áp dụng tốt vào việc thiết kế mạch điều khiển thiết bị từ xa
qua điện thoại, ta đi tìm hiểu một vài đặc tính của điện thoại, hoạt động giữa tổng
đài và các thuê bao.
2.2.1. Đặc tính của điện thoại cố định
Thuê bao điện thoại nối với tổng đài bằng đường dây thuê bao.
Cung cấp một chiều cho đường dây thuê bao (48V DC, 35 mA).
Điện áp khi gác máy 48V DC, khi nhấc máy 15V DC.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

11
Băng thông làm việc 300Hz 3400Hz.
Tỉ số S/N > 29,5dB.
Tổng trở DC khi gác máy khoảng 20KΩ.
Tổng trở AC khi gác máy từ 4KΩ đến 10KΩ.
Tổng trở DC khi nhấc máy khoảng 300Ω.
Tổng trở AC khi nhấc máy khoảng 600Ω.
- Hệ thống tín hiệu giao tiếp giữa tổng đài và thuê bao (theo tiêu chuẩn
Châu Âu) :
+ Tín hiệu mời quay số (Dial tone): là tín hiệu sin tần số f = 425 25Hz,
biên độ 2V
RMS
trên nền DC, phát liên tục.

Hình 2.1. Tín hiệu mời quay số
+ Tín hiệu báo bận (Busy tone): là tín hiệu sin tần số f = 425 25Hz, biên độ
2V

RMS
trên nền DC, phát ngắt quãng 0,5s có và 0,5s không.

Hình 2.2. Tín hiệu báo bận
+ Tín hiệu hồi âm chuông (Ringback Tone): là tín hiệu sin tần số f= 425 25Hz, biên
độ 2V
RMS
trên nền 10V DC, phát ngắt quãng 2s có, 4s không.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12

Hình 2.3. Tín hiệu hồi âm chuông
+ Tín hiệu chuông (Ring Tone): là tín hiệu sin tần số f = 25Hz, biên độ V
PP
=
75V trên nền DC 48V, phát ngắt quãng 2s có, 4s không.

Hình 2.4. Tín hiệu chuông
+ Tín hiệu đảo cực

Hình 2.5. Tín hiệu đảo cực
Tín hiệu đảo cực chính là sự đảo cực tính của nguồn tại tổng đài, khi hai thuê
bao bắt đầu cuộc đàm thoại, một tín hiệu đảo cực sẽ xuất hiện. Khi đó hệ thống tính
cước của tổng đài sẽ bắt đầu thực hiện việc tính cước đàm thoại cho thuê bao gọi.
2.2.2. Hệ thống DTMF (Dual Tone Multi Frequency)
Hệ thống DTMF đang phát triển và đã trở thành phổ biến trong hệ thống điện
thoại hiện nay. Hệ thống được hình thành vào những năm 1960 nhưng mãi đến năm

1970 mới được phát triển rộng rãi. Hệ thống DTMF giờ đây trở thành chuẩn thay
thế cho hệ thống xung kiểu cũ. Tín hiệu DTMF là những âm thanh sử dụng trong
điện thoại cho âm thanh quay số. Tín hiệu DTMF là tổng của 2 sóng hình sin tại tần


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13
số cao và thấp nghĩa là khi có một phím được nhấn thì trên đường dây xuất hiện 2
tần số khác nhau thuộc nhóm tần số thấp và tần số cao.
Lợi ích của việc sử dụng tín hiệu DTMF trong điện thoại là chống được
nhiễu tín hiệu, do đó tổng đài có thể biết chính xác được phím nào đã được nhấn.
Ngoài ra nó còn giúp cho người ta sử dụng điện thoại thuận tiện hơn. Ngày nay, hầu
hết hệ thống điện thoại đều sử dụng tín hiệu DTMF. Bàn phím chuẩn của loại điện
thoại này có dạng ma trận chữ nhật gồm có 3 cột và 4 hàng, tạo nên tổng cộng 12
phím nhấn, 10 phím cho chữ số 0 9, hai phím đặc biệt là “*” và “#”. Mỗi một
hàng trên bàn phím được gán cho một tần số Tone thấp, mỗi cột được gán cho tần
số Tone cao (hình 2.6). Mỗi một phím sẽ được một tín hiệu DTMF riêng và được
tổng hợp bởi hai tần số tương ứng với hàng và cột mà phím đó đang đứng.

Hình 2.6. Bàn phím DTMF
Ngày nay, để tăng khả năng sử dụng của điện thoại, người ta phát triển thêm
một cột nữa cho bàn phím điện thoại chuẩn tạo nên bàn phím ma trận 4x4 như hình 2.7

Hình 2.7. Bàn phím DTMF ma trận vuông
2.2.3. Phƣơng thức quay số
Quay số có thể bằng đĩa quay số hay bằng bàn phím.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14
+ Quay số bằng đĩa quay: Đĩa quay số là một cấu kiện cơ khí. Khi quay một
số, tay người làm quận lò xo dụng cụ quay số, khi thả tay ra, đĩa quay số trở về vị trí
tĩnh nhờ lực giãn của lò xo. Nhờ vai trò của một cơ cấu ổn định tốc độ trong đĩa
quay mà tốc độ quay về phía này ổn định, bảo đảm những xung quay số có bề rộng
chuẩn 38ms, cự ly chuẩn 62ms, số xung đúng bằng số được quay (riêng số 0 là 10
xung), từng số quay lại cách nhau một khoảng chuẩn đủ lớn để tránh nhầm lẫn số.
+ Quay số bằng bàn phím: Có thể tạo ra số thuê bao bị gọi bằng bấm phím
trên bàn phím, tuy vậy công việc này vẫn gọi là quay số. Kết quả bấm phím cũng có
thể tạo ra xung quay số như trên, nhờ các mạch tạo xung trong IC. Nhưng bàn phím
được thiết kế là để hướng tới tín hiệu quay số mã đa tần lưỡng âm DTMF.
Hình 2.6 ở trên biểu thị bàn phím DTMF tương quan các đôi tần số tạo ra để
mã hoá số thuê bao. Các con số ghi tương ứng theo hàng và cột là giá trị tần số,
đơn vị Hz, yêu cầu sai số <1,8%, độ dài xung 50ms, khoảng ngắt giữa xung 50ms.
Vậy quay số DTMF rút ngắn thời gian quay số 10 lần so với đĩa quay số. Khi bấm
phím quay số DTMF, hai âm có tần số cột và hàng tương ứng của ma trận như hình
bên được phát đi đồng thời. Tần số các âm DTMF được chọn sao cho xác xuất số
giả do âm gây ra khi quay số là thấp nhất. Mã đa tần lưỡng âm (khác với xung quay
số) còn có thể truyền được đi xa theo mạng điện thoại.
* Phương pháp quay số tone DTMF: Khi có một phím được ấn thì trên
đường dây sẽ xuất hiện 2 tần số khác nhau thuộc nhóm f
thấp
và f
cao
. Phương pháp tần
ghép này chống nhiễu tốt hơn, ngoài ra dùng dạng tone DTMF sẽ tăng được tốc độ
quay nhanh gấp 10 lần so với việc thực hiện quay số PULSE. Mặt khác phương pháp sẽ
sử dụng được một số dịch vụ cộng thêm tổng đài.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

15
Bảng 2.1. Các cặp tần số DTMF
Phím số
Nhóm f
thấp
Nhóm f
cao
1
697Hz 1,8%
1209Hz 1,8%
2
697Hz 1,8%
1336Hz 1,8%
3
697Hz 1,8%
1447Hz 1,8%
4
770Hz 1,8%
1209Hz 1,8%
5
770Hz 1,8%

1336Hz 1,8%
6
770Hz 1,8%
1447Hz 1,8%
7
852Hz 1,8%
1209Hz 1,8%
8
852Hz 1,8%
1336Hz 1,8%
9
852Hz 1,8%
1447Hz 1,8%
*
941Hz 1,8%
1209Hz 1,8%
0
941Hz 1,8%
1336Hz 1,8%
#
941Hz 1,8%
1447Hz 1,8%
A
697Hz 1,8%
1663Hz 1,8%
B
770Hz 1,8%
1663Hz 1,8%
C
852Hz 1,8%

1663Hz 1,8%
D
941Hz 1,8%
1663Hz 1,8%
* Phương pháp quay số Pulse: Tín hiệu quay số là chuỗi xung vuông, tần số
chuỗi = 10Hz, số điện thoại bằng số xung ra, riêng số 0 sẽ là 10 xung, biên độ ở
mức cao là 48v, ở mức thấp là 10v, dạng sóng được cho ở hình dưới:

Hình 2.8. Dạng sóng quay số kiểu PULSE

a: thời gian 10v.
b: thời gian ở 48v.
c: khoảng thời gian giữa 2 lần quay số trong một cuộc gọi.
Số xung trên một giây 10 – 20 pulse/s.
Ngày nay kiểu quay số kiểu Pulse chậm và một số nhược điểm nên ít được
sử dụng. Hệ thống DTMF đang phát triển và phổ biến trong hệ thống điện thoại hiện đại
hiện nay.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

16
2.2.4. Phƣơng thức làm việc giữa tổng đài và các thuê bao
Cuộc gọi nội hạt là cuộc gọi xảy ra giữa hai thuê bao thuộc cùng một tổng
đài. Cuộc gọi ra là cuộc gọi giữa một thuê bao ở tổng đài này gọi đến thuê bao của
tổng đài khác. Cuộc gọi vào là cuộc gọi từ một tổng đài khác gọi đến thuê bao của
tổng đài đang xét. Cuộc gọi chuyển tiếp là cuộc gọi giữa hai thuê bao thuộc hai tổng
đài trên mạng nhưng cuộc gọi đó phải đi qua tổng đài đang xét.
Khi bộ điều khiển trung tâm xác định xong đặc tính của thuê bao chủ gọi và
nhận thấy rằng thuê bao có quyền được thiết lập liên lạc. Bộ điều khiển trung tâm

yêu cầu bộ điều khiển mạch điện thuê bao thiết lập đầu mối giữa thuê bao chủ gọi
với khe thời gian có chứa thông tin âm mời quay số của bộ tạo âm báo, đồng thời
nếu máy điện thoại là máy ở chế độ phát xung đa tần DTMF thì bộ điều khiển mạch
điện thuê bao thực hiện đầu nối thuê bao chủ gọi với bộ thu xung đa tần. Lúc này
thuê bao chủ gọi đã nghe được âm mời quay số còn tổng đài thì sẵn sàng thu xung
đa tần DTMF từ thuê bao chủ gọi đưa tới.
Nhận dạng thuê bao máy gọi: tổng đài nhận dạng trạng thái của thuê bao
thông qua sự biến đổi tổng trở mạch vòng của đường dây. Bình thường khi thuê bao
ở trạng thái gác máy thì tổng trở đường dây thì vô cùng lớn (hở mạch). Khi thuê bao
nhấc máy điện trở mạch vòng còn 150 - 1500 (thường là 600 ) đó là tổng trở
vào của điện thoại. Tổng đài nhận biết được sự thay đổi này thông qua bộ cảm biến
trạng thái đường dây thuê bao.
Khi thuê bao nhấc máy thì tổng đài sẽ cấp tín hiệu Dial Tone trên đường dây
đến thuê bao, chỉ khi nhận được tín hiệu này thì thuê bao mới được quay số, có thể
quay số dưới dạng DTMF và Pulse.
Tổng đài nhận các số do thuê bao gửi đến và kiểm tra, nếu số đầu nằm trong
tập thể số thuê bao của tổng đài thì tổng đài sẽ phục vụ cuộc gọi nội đài. Ngược lại,
nó phục vụ cuộc gọi liên đài thông qua trung kế giữ toàn bộ phần định vị quay số
tổng đài có thuê bao bị gọi, nếu số đầu là mã thì chức năng đặc biệt của tổng đài sẽ
thực hiện các chức năng có thể phục vụ thuê bao.