המעבדה למערכות ספרתיות טכניון דוח סופי - חלק א’ Analog Telephony Over USB

1. המעבדה למערכות ספרתיותטכניוןדוח סופי - חלק א’Analog TelephonyOver USB

2. פרויקט מס’ 4Analog TelephonyOver USB מבצעים: המבורגר אייל 031836778 בן הרוש פיני 036444545 מנחה : איציקוביץ מיכאל תשס”א 2000/1

3. תיאור כללי • תכנון ובניית מערכת המעבירה אותות חיוג וקול ממכשיר טלפון אנלוגי אל מחשב אישי דרך USB ומנתבת את השיחה על גבי הרשת. • המערכת תטפל בחומרה בהמרת אותות אנלוגיים ממכשיר הטלפון לאותות ספרתיים, שיועברו דרך ה-USBאל המחשב, ואותות ספרתיים מהמחשב לאותות אנלוגיים שיועברו אל הטלפון. • המערכת תכלול תוכנה לפענוח ומיתוג כתובת היעד לשיחה ותעביר את השיחה ברשת.

4. תיאור כללי של מבנה הפרויקט • חלק א’ :חומרהבניית כרטיס ממשק בין מכשיר טלפון לכניסת USB: • תכנון בניית מדמה קו אנלוגי למכשיר טלפון. • המרת אות שמע מאנלוגי לדיגיטלי ומדיגיטלי לאנלוגי. • יישום בקר USB. • רכיב מתוכנת לבקרת הכרטיס. • חלק ב’:תוכנהזיהוי וניתוב יעד השיחה ברשת המחשבים.העברת השיחה על פני הרשת.יצירת ממשק למשתמש.

5. רקע חלק א’ - נקודות עיקריות: • הבעיה : דימוי אותות קיימים בקו טלפון: צליל חיוג, צלצול, צליל תפוס.הפתרון: יצירת צלילי חיוג ברכיב המתכנת ופעמון חיצוני. • הבעיה : דימוי הזנת DCשל קו טלפון (15v) באמצעות מתח מה- USB(5v).הפתרון: שימוש ברכיב ממיר מתח DC to DC • הבעיה : זיהוי הרמת או הורדת שפורפרת הטלפון.הפתרון: שימוש במגבראופרטיבי כמשווה לגילוי שינויים בממתח על כניסת הטלפון. • הבעיה : פענוח המספר המחוייג מטלפון טונים.הפתרון: שימוש במפענח לשיטת קידוד DTMF

6. רקע חלק א’ - נקודות עיקריות : • הבעיה : העברת אות אנלוגי מהטלפון אל המחשב, ואות ספרתי מהמחשב לטלפון.הפתרון: המרת האות האנלוגי לאות ספרתי, ואות ספרתי לאות אנלוגי ע”י Codec Filter • הבעיה : שליטה על העברת המידע דרך ה - USBהפתרון: שימוש ב - USB MicroController • הבעיה : מימוש מכונת מצבים למערכת, ופעולה נכונה של הכרטיס.הפתרון: שימוש ברכיבFPGAשלALTERA

7. סכמת בלוקים כללית 12 Mhz DC to DC Bazzer Clock 2.048 Mhz 12 Mhz Codec Data out ALTERA A/D 8 bit addr/data USB Controller 2 x Clk 8 bit control Data in D/A DTMF Decoder 4 bit digit Valid Line Detect Line Detect

8. רשימת רכיבים עיקריים • DC to DC – MAX743 MAXIM • DTMF Receiver – MT8870D MITEL • Codec Filter - MC14548D MOTOROLA • USB Controller – SL811HS SCAN LOGIC • FPGA – EPF10K20RC240-3 ALTERA

9. Codec Filter • לרכיב מעגל דגימה A/D (COder) ומעגל שחזור D/A (DECoder) • תדרים בקול האדם מעל 3KHzאינם הכרחיים להבנת דיבור ועל מנת לקיים את קצב Nyquistהרכיב דוגם בקצב של 8KHzלאחר העברת האות במסנן LP • הרכיב משתמש ברזולוציית דגימה לא לינארית על מנת לצמצם את מספר הביטים מ-13 ל-8 (A-Law) • בכניסה וביציאה הדיגיטלית לרכיב ישנו רגיסטר הזזה המקבל/מוציא את הביטים באופן טורי.

10. Dual Tone Multiple Frequencies DTMFהינה שיטת הקידוד בה משתמש טלפון טונים עפ"י שיטה זאת כל לחצן במכשיר הטלפון מפיק טון המורכב מסכום של שני סינוסים בתדרים קבועים, המציינים שורה ועמודה במטריצת הלחצנים: 1209Hz 1336Hz 1477Hz 697Hz 1 2 3 770Hz 4 5 6 852Hz 7 8 9 941Hz * 0 #

11. DTMF Receiver • בכניסה לרכיב האות עובר דרך שני מסננים המפרידים את קבוצת התדרים הגבוהים והנמוכים המאפיינים אותות DTMF • האותות מועברים למקודד המפענח את התדרים השונים ובודק האם הם חוקיים ומתרגם אותם לקוד בינארי רגיל. • לרכיב מעגל בקרה המגדיר על ידי רכיבים חיצוניים זמנים מינימליים ומקסימליים ללחיצה על כפתור.

12. USB Controller • לבקר יש ממשק data/addr דו כיווני בעל 8 bit וקווי בקרה • לבקר מצב קידום כתובת אוטומטי המאפשר כתיבת בלוק מידע לאחר מתן הכתובת ההתחלתית. • לבקר ה-USB256 byteזיכרון פנימי • 64 byteעבור הרגיסטרים השונים • 192 byteעבור data • לבקר ה-USBיש 4 EndPoints כל אחד מהם מאפשר העברת מידע בין הבקר למחשב דרך Pipe, המידע מועבר באחת מ-4 סוגי תעבורה מוגדרים: • Control (קונפיגורציה, פקודות, סטטוס) • Isochronous (קצב שידור קבוע, Latency חסום) • Interrupt (כמויות קטנות של מידע) • Bulk (כמויות גדולות של מידע)

13. USB Controller • לכל EndPoint סט בעל 5 רגיסטרים המנהלים את מעבר המידע דרכו: Control, Base Address ,Base Length, Packet Status, Transfer Count. • השתמשנו בשלושה מתוך ארבעת ה-EndPoints: • שניים לעברת מידע קולי, אחד לכל כיוון (Isochronous) • אחד להעברת נתוני בקרה על מצב ההתקשרות (Control) • על מנת לאפשר העברת מידע בשני כיוונים בו זמנית הגדרנו גודל חבילת מידע ל-64 byteפחות ממחצית הזיכרון ל-data את החבילות אנו מייצרים ברכיב המתוכנת.

14. חישובי תזמון • הגורם העיקרי להשהיה בכרטיס (Latency) הוא זמן צבירת הבתים למשלוח בחבילה. • קצב דגימה 8Kbyte/sec (0.125msec) • זמן ליצירת חבילה בת 64 byte: 8msec • קצב העברת החבילה על גבי ה-USBמהיר 12MHzולכן זניח. • זמני ההשהיה בתוך הרכיבים זניחים.

15. Power Consumption Power from USB: 2500 mW

16. סכמת בלוקים לקוד ה-VHDL 8 bit data 8 bit data 1 bit data Codec Interface 64 byte Buffer USB Interface Shift Reg 8 bit control 8 bit data 8 bit data 1 bit data 64 byte Buffer Shift Reg 8 bit addr/data 12MHz 6 bit addr 8KHz Clock Generator 2.048MHz 8 bit register 2.048MHz Main State Machine USB Registers Tone Generator 2 bit control Tone signal Line Detect DTMF StD Ring signal 4 bit DTMF

17. בדיקתיות החומרה • בדיקת החלקים האנלוגיים בכרטיס תעשה באמצעות סקופ ומכשירי מדידה. • בדיקת הממיר A/D ו-D/A על ידי סגירת החוג המתאים בתוך הרכיב המתוכנת ומדידה של האותות המוחזרים. • בדיקת בקר ה-USB תעשה באופן אוטומטי על ידי כתיבה למרחב הזיכרון שלו כולל הרגיסטרים וקריאה מהם בחזרה. • לכל בדיקה אחרת בחלק הדיגיטלי ניתן להוציא מן הרכיב המתוכנת מילה בת 8 bit ל-Test Points שהוגדרו בעריכה.

18. חלק א’ - מצב התקדמות • לימוד הנושא • מציאת פתרון - קדם תכנון חומרה • בחירת רכיבים - רשימת רכיבים מלאה • הזמנת רכיבים קריטיים • תכן מפורט - סכמת Pin To Pin • תכנון LayOut • קיט רכיבים מלא • יציאה לעריכה • כתיבת ספר פרוייקט – חלק א' • סיום כתיבת קוד VHDL

19. לוח זמנים • 30.4 - סיום כתיבת קוד VHDL • 30.4 - סיום תכנון עריכה - יציאה לייצור המעגל • 7.5 - קבלת המעגל – הרכבת רכיבים • 13.5 - קבלת המעגל המורכב • 13.5 - לימוד נושא התוכנה והעברה ברשת • 31.5 - בדיקות חומרה, סימולציות • 31.5 - כתיבת קוד ראשוני • 14.6 - אינטגרציה חומרה תוכנה • 24.6 - דיבוג תוכנה – קוד סופי • 24.6 - כתיבת ספר פרוייקט

20. נספחים • שרטוט Pin To Pin • סכמת Layout

21. Blocks

22. Phone Interface I

23. Phone Interface II

24. USB Interface

25. FPGA Interface

26. Crystal Oscillators

27. Layout