Proyecto fin de carrera

UNIVERSIDAD DE SEVILLA
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS
INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE CARRERA
Diseño e implementación de una
centralita telefónica analógica
Departamento de Ingeniería Electrónica
Autor: Rodrigo Gozalo Díaz
Director: Jonathan Tombs
Julio 2005
A mis padres
Agradecer a mi tutor
Jonathan Tombs por el enorme
apoyo que me ha ofrecido para la
elaboración de este proyecto.
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
INDICE
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
1
2. OBJETIVO DEL PROYECTO
4
3. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA LÍNEA
TELEFÓNICA ANALÓGICA
6
3.1 CONCEPTOS GENERALES.
6
3.2 CONDICIONES DE ALIMENTACIÓN DE CONTINUA
7
3.2.1Tensión de alimentación en reposo
7
3.2.2 Corriente de línea en estado de línea tomada
8
3.2.3 Polaridad
9
3.2.4 Condiciones de aparcamiento de línea
9
3.3 CRITERIOS DE ESTADO DE LA LÍNEA
10
3.4 CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN
11
3.4.1 Niveles relativos en el bucle local de usuario
12
3.4.2 Banda de frecuencias
12
3.4.3 Frecuencia de referencia para los niveles de potencia
13
3.4.4 Nivel de ruido
13
3.5 NIVEL MÁXIMO A LA ENTRADA DEL PTR
13
3.6 TONOS DE SEÑALIZACIÓN Y SUPERVISIÓN
14
3.7 TIPOS DE MARCACIÓN
16
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INDICE
3.7.1 Marcación dedática
16
3.7.2 Marcación multifrecuencia
17
3.8 SEÑAL (CORRIENTE) DE LLAMADA ENTRANTE
20
3.9 TONO DE FINALIZACIÓN DE LLAMADA
21
23
4. DISEÑO DE LA CENTRALITA
4.1 MEDIDAS PREVIAS REALIZADAS
23
4.1.1 Medida de tensión de alimentación de la línea
24
4.1.2 Medida de la señalización de llamada entrante
25
4.2 ESQUEMA FUNCIONAL
27
4.2.1 Funcionamiento ante una llamada entrante
28
4.2.2 Proceso de establecimiento de una llamada
30
4.3 ESQUEMA CIRCUITAL
33
4.3.1 Circuito de detección de llamada entrante
38
4.3.2 Circuito de ocupación de la línea telefónica
42
4.3.3 Circuito demodulador de tonos DTMF
45
4.3.4 Circuito reproductor y grabador de voz
51
4.3.4.1 Proceso de grabación
53
4.3.4.2 Proceso de reproducción
57
4.3.4.3 Circuito amplificador
64
4.3.5 Circuito generador de tono de señalización
66
4.3.6 Circuito de alimentación del terminal
73
4.3.7 Circuito de monitorización del estado del terminal
78
4.3.8 Circuito microcontrolador
85
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4.3.9 Circuito de conmutación
INDICE
94
4.4 ESQUEMA GLOBAL DEL PROYECTO
100
5. IMPLEMENTACIÓN DE LA CENTRALITA
103
6. CONCLUSIONES
108
ANEXO I : CÓDIGO FUENTE DEL PROYECTO
ANEXO II: ESQUEMÁTICOS DEL PROYECTO
ANEXO III: PRESUPUESTO ORIENTATIVO
BIBLIOGRAFÍA
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1
INTRODUCCIÓN
Actualmente en nuestro entorno cotidiano: familia, colegios, centros de trabajo
etc. Se hace imprescindible un buen sistema de telecomunicaciones, tanto a nivel
telefónico a través de la RTB (Red Telefónica Básica), como al nivel de red de datos
(Internet, fax), y cada vez más la telefonía móvil.
Pero el sin duda mas necesario y casi imprescindible es el acceso a la RTB, que
en el sistema mas elemental, consiste en un terminal telefónico conectado a una línea de
la Red Telefónica Conmutada (RTC) que a través de las distintas centrales telefónicas
de conmutación nos permite comunicarnos con cualquier otro terminal telefónico en
otro lugar del mundo conectado a su vez a la RTC.
Pero a medida que el número de personas de un mismo entorno aumenta la
necesidad de líneas y terminales telefónicos aumenta para cubrir las necesidades de
comunicación en los diversos entornos.
Este aumento provoca un aumento en el gasto considerable y además
únicamente se aprovecha los servicios de un tanto por cierto muy reducido, puesto que
la gran parte del tiempo solo se encuentran cursando llamadas con la RTC porcentaje
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muy reducido de las líneas contratadas, además de que parte de ellas únicamente se
realizan entre usuarios del mismo ámbito local.
Por tanto, se puede calcular, que el porcentaje de tiempo en el que
simultáneamente se utilizan varias líneas contratadas es muy pequeño, provocando un
claro caso de ineficiencia y con ello un gasto innecesario.
El sistema actual de comunicación telefónica en el que se encuentra algunos de
los despachos de los profesores de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla consiste
en líneas de extensiones de la red Ibercom (MD-110) de la Universidad de Sevilla. Este
es el caso de los ubicados en el Departamento de Ingeniería Electrónica, como ejemplo.
Pero esta situación posee la particularidad de que, con el fin de disminuir costes,
a una única extensión Ibercom están conectados los terminales telefónicos de varios
profesores, localizados en cada uno en despachos diferentes. Por lo que a continuación,
estudiaremos los inconvenientes, molestias y pérdidas de tiempo causadas por dicha
situación:
a) Recepción de un llamada externa
Cuando se recibe una llamada en una extensión compartida por varios profesores
(como ejemplo 3 despachos compartidos) suena simultáneamente los tres terminales
telefónicos y es imposible saber sin descolgar a que profesor iba específicamente
destinada la llamada.
Por tanto el profesor que descuelga tiene únicamente un 33% de posibilidades de
que la llamada sea dirigida hacia él.
En el caso que la llamada entrante no sea dirigida hacia su persona, lo mas
probable, la única opción que le queda es la de advertir de forma auditiva al profesor
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destino de la llamada sin conocer en un principio si, en ese preciso instante, se
encuentra en su despacho, infructuándose entonces la llamada.
b) Establecimiento de un llamada
Cuando un profesor desea realizar una llamada telefónica debe inicialmente
descolgar el terminal y escuchar en la línea previamente si la extensión se encuentra
disponible en ese momento.
Por tanto existe bastante riesgo de que otro profesor este utilizando o a su vez
valla a utilizar también el teléfono, con lo que se violaría una ley ó norma fundamental
de las comunicaciones “la privacidad de las mismas”.
Estos inconvenientes mencionados son los que han fomentado el desarrollo de
este proyecto, con el fin de obtener una solución para todos ellos mediante una
aplicación que económicamente sea viable.
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4
OBJETIVOS DEL PROYECTO
Con este proyecto se pretende conseguir, como su título bien indica, “Diseñar e
implementar una centralita telefónica analógica” que permita mejorar el acceso a la
Red Telefónica Básica de los miembros del Departamento de Ingeniería Electrónica de
la universidad de Sevilla.
Como ha sido indicado en la introducción, su objetivo fundamental es poder
solucionar todos los inconvenientes provocados por la situación actual de la instalación
telefónica instalada en el departamento.
Las características principales que debe cumplir el diseño a realizar, deben ser
las siguientes:
•
Debe permitir la ejecución de llamadas por parte de los usuarios hacia el
exterior, sin que por ello estos últimos deban realizar ningún proceso
diferente al realizado normalmente.
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•
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Tiene que reaccionar ante una comunicación externa de forma
automática, intercomunicándose con ella y conmutando esta hacia la
extensión destino elegida por el usuario llamante.
•
Una obligación muy importante es la de que debe preservar la privacidad
en las comunicaciones establecidas, es decir, no debe permitir que ningún
usuario sea capaz de escuchar ninguna conversación que él no realice.
•
Se tiene que poder programar de forma sencilla, para así conseguir
personalizar el diseño según sean sus usuarios.
•
Debe cumplir con la normativa existente para elementos conectados a la
Red Telefónica Básica.
•
Igualmente es imperativo que sea compatible con cualquier equipo
telefónico terminal, para poder aplicar su diseño en cualquier ámbito.
•
Es necesario que el sistema este protegido contra posibles sobretensiones
en la línea telefónica, es decir se debe aislar los elementos de la centralita
de la línea exterior como método de protección.
•
Tiene que ser un diseño lo mas simple posible, capaz de implementarse
como un elemento independiente para así lograr efectuar su ubicación
fácilmente.
•
Su implementación debe ser económicamente viable.
Al final de este documento se comprobará si todos los requerimientos aquí
expuestos son cumplidos por el proyecto desarrollado.
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CARACTERÍSTICAS DE LA
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LÍNEA
TELEFÓNICA ANALÓGICA
A continuación se expondrá el funcionamiento y los parámetros técnicos de la
Red Telefónica Pública con Conmutación de Telefónica de España S.A.U.
correspondientes a la interfaz de línea analógica básica se usuario, para la provisión de
servicios en banda vocal, en el punto de Terminación de Red; sobre el cual se ha
adecuado toda la realización del proyecto.
A su vez, este funcionamiento se fundamenta tanto en las normativas impuestas
por la ETSI como en las recomendaciones realizadas por la ITU-T, incluidas en la
bibliografía final de este documento.
3.1 CONCEPTOS GENERALES
Los parámetros detallados en esta especificación son aplicables en el Punto de
Terminación de Red, en los terminales o hilos a y b.
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Los dos hilos de la línea local de usuario (analógica) de la red se presentan en el
PTR mediante dos elementos de conexión, destinados para la prolongación de la línea
hacia la Red interior de usuario.
El máximo número de terminales soportados en el Punto de Terminación de Red
es función del factor de carga de cada uno de ellos, calculado según se indica en el
documento EG 201 120 del ETSI
3.2 CONDICIONES DE ALIMENTACIÓN DE
CONTINUA
La alimentación de corriente continua desde la red consiste en un generador de
tensión o de corriente que, a trabes de una determinada impedancia y de un par
simétrico de hilos de cobre, o disposición equivalente, se aplica transversalmente entre
los dos terminales de la línea en el PTR (punto de terminación de red).
Las condiciones de alimentación de usuario pueden ofrecerse mediante dos
sistemas: con puente convencional de baja resistencia ó con limitación de corriente.
3.2.1 Tensión de alimentación en reposo
La tensión de alimentación con la línea en estado de reposo (es decir con los
teléfonos colgados) entre terminales de la línea en el PTR se caracteriza como un valor
nominal de 48 V c.c. Estando estos en circuito abierto (tensión del generador
equivalente thevenin), las fluctuaciones del valor real de esta tensión estarán
comprendidas en el margen de 42 a 57 voltios.
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El máximo consumo de corriente permitido extraer del Punto de Terminación de
Red en estado de reposo, es de 1mA. Valores superiores al indicado, no garantizan el
correcto funcionamiento del equipo o equipos conectados en un mismo PTR.
3.2.2 Corriente de línea en estado de línea tomada
En este apartado existen dos posibilidades según sean las condiciones de
alimentación.
Si el método de alimentación es mediante puente convencional de baja
resistencia, no se imponen limitaciones al consumo de corriente y por tanto la corriente
de bucle será la resultante de aplicar la ley de Ohm. Teniendo en cuenta que el valor de
la resistencia está determinado por las resistencias correspondientes al puente de
alimentación de la red, por la resistencia del bucle local del usuario, y por la propia
resistencia del Equipo Terminal junto con la de la instalación de usuario.
Si por el contrario el método de alimentación es mediante limitación de
corriente, como bien su nombre indica, la corriente continua a trabes del PTR durante el
estado de línea tomada es limitada. La limitación de corriente se realiza en un valor
comprendido entre 36 mA y 49,5 mA dependiendo del tipo y condiciones de cada línea.
En el caso de que el equipo terminal demande una corriente superior al intervalo
antes mencionado de intensidades, solamente recibirán en dicho PTR un valor límite
superior dentro del citado intervalo.
Cuando el equipo terminal conectado al PTR, demande una corriente inferior al
intervalo mencionado, esta coincidirá con la resultante de aplicar la fórmula
correspondiente a la ley de Ohm.
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3.2.3 Polaridad
La polaridad que se proporciona entre los dos terminales del Punto de
Terminación de Red no está predeterminada. Considerando la polaridad del estado de
reposo como situación de polaridad “normal”, la siguiente tabla presenta las diversas
situaciones de polaridad, en función de los distintos estados de la llamada.
Llamante (A)
Llamado (B)
Reposo
Normal
Normal
Descuelgue
Normal
Normal
Marcación
Normal
Normal
Llamada
Normal
Invertida
Comunicación
Invertida
Invertida
(A) cuelga primero
Normal
Normal
(B) cuelga primero
Normal
Invertida
Tabla 1: Polaridad en la línea telefónica
Cabe comentar que cuando el usuario llamante cuelga en la fase de
comunicación (línea A cuelga primero) el cambio a polaridad normal, puede ir
acompañado de una apertura de dicho bucle de duración comprendida entre 20 ms y 100
ms.
3.2.4 Condiciones de aparcamiento de línea
La condición de aparcamiento de línea es el estado que la red presenta en el PTR
en cualquiera de las siguientes situaciones:
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a) Cuando estando establecida una comunicación, una línea A cambia al estado
de reposo y señalizada por la red dicha circunstancia la línea B durante un periodo
comprendido entre 30 y 60 s por aplicación del tono de congestión, esta última
permanece en estado de línea tomada concluido el mismo.
b) Cuando una línea A permanece en condición de descolgado tras concluir la
temporización de marcación del primer dígito o tiempo interdígito máximo sin
producirse dicha marcación, y aplicar la red durante un periodo comprendido entre 30s
y 60 s el tono de congestión.
c) Cuando estando establecida una comunicación, una línea b cambia al estado
de reposo y finalizado el periodo de reposición diferida de ésta (60 s ± 10 %) y
señalizado a la línea a el tono de congestión por la red durante un periodo de entre 30 s
y 60 s, dicha línea a permanece en estado de línea tomada concluido el mismo.
En condición de aparcamiento de línea, la red aplica una corriente mínima de
supervisión a la con valor superior a 6 mA, suficiente para detectar el cambio del equipo
terminal al estado de reposo cuando este se produzca.
3.3 CRITERIOS DE ESTADO DE LA LÍNEA
Las corrientes de bucle determinantes de la toma y liberación de la línea en el
PTR, se fijan de acuerdo con los siguientes criterios:
1. En situación de bucle abierto la red nunca interpreta que se ha producido
cierre de bucle cuando la corriente se mantiene por debajo de 6 mA.
2. En situación de bucle abierto la red siempre interpreta que se ha
producido cierre del bucle cuando la corriente recibida supera los 15 mA.
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3. En situación de bucle cerrado la red nunca interpreta que se ha producido
una apertura del bucle cuando la corriente se mantiene por encima de 15 mA.
4. En situación de bucle cerrado la red siempre interpreta que se ha
producido una apertura del bucle cuando la corriente disminuye de 6 mA.
A partir de estos parámetros, los estados de toma y liberación de línea están de
terminados por los siguientes criterios:
a) En el lado de usuario llamante, todo cierre de bucle de duración superior
a 80 ms es interpretado como descuelgue, por el contrario los cierres de
duración inferior a 40 ms nunca son interpretados como descuelgues.
b) En el lado del usuario llamado es interpretado como descuelgue un cierre
de duración superior a 40 ms.
c) Tanto para el usuario llamante como para el usuario llamado y en estado
de línea tomada, la red ignora aperturas de bucle de duración inferior a 40
ms. El cuelgue se reconoce cuando se produce una apertura de duración
superior a 150 ms.
3.4 CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN
Las características de transmisión fijan los objetivos de calidad mínimos, que
soslayan los factores que la condicionan en un circuito (niveles relativas, impedancia de
entrada, ruido…).
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3.4.1 Niveles relativos en el bucle local de usuario
A continuación se indican en el gráfico los niveles relativos de entrada y salida
en el PTR. Dichos niveles tienen en cuenta la atenuación en el bucle de usuario.
Figura 1: Niveles de potencia en el PTR
3.4.2 Banda de frecuencias
Definida como la porción del espectro de frecuencias utilizado en un medio de
transmisión, en líneas básicas analógicas de usuario la banda de frecuencias en el Punto
de Terminación de Red está comprendida en el intervalo de 300 Hz a 3400 Hz.
La atenuación en esta banda de frecuencias para el bucle local de usuario es ≤ 8
dB.
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3.4.3 Frecuencia de referencia para los niveles de potencia relativos
Los niveles relativos de potencia indicados en el apartado 3.4.1, están
considerados a la frecuencia de referencia 1020 Hz.
3.4.4 Nivel de ruido
El ruido puede expresarse como la señal presente en un circuito que no ha sido
generado expresamente.
En el origen del bucle de usuario, el ruido es inferior a -60 dBm (sobre la
impedancia nominal de 600 Ω resistivos). Aunque el nivel de ruido en el PTR puede
alcanzar valores mayores debido a las características por las que puede verse afectado el
bucle local de usuario.
3.5 NIVEL MÁXIMO A LA ENTRADA DEL PTR
El nivel medio máximo de potencia activa generado a la entrada del PTR desde
la red interior de usuario debe ser inferior a -10 dBm respecto a la impedancia de
referencia, durante cualquier periodo de 10 s.
El nivel de pico máximo a la entrada del PTR generado desde la red interior de
usuario, debe ser inferior a 1,5 Voltios, medido sobre la resistencia de 600 Ω conectada
a los terminales de línea.
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3.6 TONOS DE SEÑALIZACIÓN Y SUPERVISIÓN
En la siguiente tabla se indica la relación de tonos que pueden presentarse en las
diferentes fases de una comunicación en el Punto de Terminación de Red, así como sus
principales características (frecuencias, niveles de emisión y cadencia).
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
DEL TONO
Señal audible que indica al
Ocupado
FRECUENCIA
NIVEL
CADENCIA
Hz
dBm
ms
425 ± 15
-10 ± 2
llamante que el usuario llamado
Off: 200 ± 20
no se encuentra en reposo
Repetido
Señal que indica en la línea
Llamada
On: 200 ± 20
425 ± 15
-10 ± 2
On: 1500 ± 150
llamante que se está enviando la
Off: 3000 ± 300
señal de llamada a la línea
Repetido
llamada.
Señal que indica en la línea
425 ± 15
-10 ± 2
On: continuo
425 ± 15
-10 ± 2
On: 1000 ± 100
Invitación a llamante que la central está
marcar
preparada
para
analizar
los
pulsos o tonos DTMF.
Señal que sustituye a la anterior
Invitación a cuando en la línea está activo un
marcar
especial
de
llamadas
muerta
Repetido
previamente
programado
Señal que indica en la línea
línea
Off: 100 ± 10
servicio suplementario de desvío
425 ± 15
-10 ± 2
On: 2x(200±20)
llamante que la llamada no puede
Off: (200± 20)
ser completada por no estar en
+(600±60)
servicio la numeración marcada
Repetido
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Señal que indica en una línea
Congestión
llamante que la
puede
ser
425 ± 15
-10 ± 2
llamada no
completada
15
On: 200 ± 20
Off: 200± 20
por
Repetido
encontrarse sobrecargado algún
elemento de la red necesario para
la conexión.
Señal que indica en la línea
950 ± 25
Especial de llamante que la línea llamada no
1400 ± 50
Off: 200± 20
1800 ± 50
Repetido
información
puede ser alcanzada por razones
distintas a la de “ocupado” o
-10 ± 2
On: 200 ± 20
“congestión”
Señal enviada a las líneas que
Intrusión
(aviso)
1400 ± 50
-20 ± 5
On: 200 ± 20
participan en una llamada cuando
Off: 200± 20
en la misma línea se introduce
Repetido
una
operadora
u
otra
línea
autorizada a realizar intrusión
Señal
enviada
a
una
línea
425 ± 15
-20 ± 5
On: 175 ± 10
Indicación de
llamada, en la cual está activo el
Off: 175± 10
llamada
servicio de llamada en espera,
On: 175 ± 10
en
espera
cuando se encuentra con la línea
Off:3500± 100
ocupada y se recibe una nueva
Repetido
llamada entrante
Tabla 2: Tonos de señalización y supervisión
Cabe tener en cuenta que el nivel de de los tonos indicados, puede estar atenuado
en hasta 8dB, en función de la impedancia impuesta por la longitud del bucle local de
usuario.
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3.7 TIPOS DE MARCACION
3.7.1 Marcación dedática
La red recibe y detecta correctamente en el PTR la señalización consistente en
aperturas y cierres de bucle local de usuario de las siguientes características:
CARACTERÍSTICAS
Codificación
REQUISISTOS
El numero de impulsos de apertura de
cada serie, se corresponderá con el valor
del dígito marcado entre el 1 al 9 y 10
para el número 0
Rango de impulsos por segundo (i.p.s.)
Relación apertura / cierre (%)
Resistencia máxima permitida durante el
Entre 7 y 17
Entre 50 /50 y 70 / 30
400 Ω
periodo de cierre
Corriente máxima permitida durante el
1mA
periodo de apertura
Tiempo interdígito mínimo
200 ms
Tiempo interdígito máximo
20s
Tabla 3: Características de la marcación dedática
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3.7.2 Marcación multifrecuencia
Las características de la señalización multifrecuencia (DTMF Dual Tone Multi
Frecuency) están basadas en las especificaciones de la ETSI en el documento ETR 206
que complementa a la recomendación ITU-T Q-23. A continuación se describirán las
características básicas de estas señales, debido a que una parte muy importante del
proyecto se basará en la decodificación de este tipo de señalización.
Una señal DTMF válida es la suma de dos tonos, uno de un grupo bajo y el otro
de un grupo alto, con cada grupo conteniendo cuatro tonos individuales. Las frecuencias
de los tonos fueron cuidadosamente seleccionadas de tal forma que sus armónicos no se
encuentran relacionados y que los productos de su intermodulación produzcan un
deterioro mínimo en la señalización.
Este esquema permite 16 combinaciones únicas. Diez de estos códigos
representan los números del cero al nueve, los seis restantes (*, #, A, B, C, D) son
reservados para señalización especial. La mayoría de los teclados en los teléfonos
contienen diez interruptores de presión numéricos mas el asterisco (*) y el símbolo de
numeral (#).
Los interruptores se encuentran organizados en una matriz, cada uno selecciona
el tono del grupo bajo de su fila respectiva y el tono del grupo alto de su columna
correspondiente.
El esquema de codificación DTMF asegura que cada señal contienen uno y solo
un componente de cada uno de los grupos de tonos alto y bajo. Esto simplifica de
manera significativa la decodificación, por que la señal compuesta DTMF puede ser
separada con filtros pasa banda en sus dos componentes de frecuencia simples cada uno
de los cuales puede ser manipulado de forma individual.
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A continuación se muestra un gráfico con las frecuencias correspondientes para
cada dígito, una primera localizada en la parte superior y la segunda localizada a su lado
izquierdo.
1209 Hz
1336 Hz
1477 Hz
1633 Hz
1
2
3
A
770 Hz
4
ABC
5
DEF
6
B
852 Hz
GHI
7
JKL
8
MNO
9
C
941 Hz
PRS
*
TUV
0
WXYZ
#
D
697 Hz
Tabla 4: Correspondencia de frecuencias DTMF.
Las teclas de función A, B, C y D son extensiones de las teclas (0-9, *, #) y
fueron diseñadas con los teléfonos militares norteamericanos Autovon. Los nombres
originales de estas teclas fueron FO (Flash Override), F (Flash), I (Inmediate) y P
(Priority) los cuales representaban niveles de prioridad y que podían establecer
comunicación
telefónica
con
varios
grados
de
prioridad,
eliminando
otras
conversaciones en la red si era necesario, con la función FO siendo la de mayor
prioridad hasta P la de menor prioridad. Estos tonos son más comúnmente referidos
como A, B, C y D respectivamente, todos ellos tienen en común 1633 Hz como su tono
alto.
En estos días, estas teclas de función son empleados principalmente en
aplicaciones especiales tales como repetidores de radioaficionados para sus protocolos
de comunicación, los módem y circuitos de tonos al tacto (touch tone) también tienen
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tendencia a incluir los pares de tonos A, B, C, y D. Estos no han sido usados para el
servicio público en general, y podría tomar años antes de que pudieran ser incluidas en
aplicaciones tales como líneas de información al cliente.
El estándar DTMF fue diseñado originalmente por los Laboratorios Bell para su
uso en los sistemas telefónicos de AT&T.
Existen varias especificaciones que han sido resultado de el estándar original las
cuales parten de los estándares de AT&T, CEPT, NTT, CCITT y la ITU, etc. Las
variaciones de un estándar a otro son típicamente tolerancias en las desviaciones de
frecuencia, niveles de energía, diferencia de atenuación entre dos tonos e inmunidad al
habla.
En conclusión, DTMF es el sistema de señales transmitido en los teléfonos para
la marcación por tonos, la relación de teclas con su correspondiente par de frecuencias
se muestran en la tabla anterior.
El sistema de señales DTMF son generadas por un codificador, y son la suma
algebraica en tiempo real de dos tonos; uno de baja frecuencia y otro de alta, el tono alto
normalmente es de + 1.5 % (2db) con respecto del tono de baja frecuencia para
compensar perdidas de señal en las largas líneas de conexión con la central telefónica.
Volviendo a las características aplicadas en la red de conmutación telefónica
española, cabe mencionar que de las dieciséis combinaciones asignadas a los dígitos ó
caracteres especiales de señalización, la red admite actualmente del Equipo Terminal las
correspondientes a los diez caracteres numéricos1 a 0, en lo que a encaminamiento de
llamadas se refiere, y las correspondientes a los dos caracteres no numéricos * y #, en lo
que a procedimientos de control de servicios suplementarios se refiere.
Los caracteres correspondientes a A, B, C y D normalizados, no se utilizan por
el momento en la red de Telefónica de España S.A.U.
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En la siguiente tabla se indican las mencionadas características:
CARACTERÍSTICAS
Codificación
REQUISITOS
Según ETSI ETR 206
Nota: No se utilizan los caracteres especiales A, B,
C y D.
Nivel de entrada
Grupo bajo: -11dBV ( + 2,5/2) dB
Grupo Alto: -9 dBV ( + 2/2,5)dB
Tiempo mínimo de aplicación de la señal
60 ms
en el PTR para su reconocimiento por la
red
Tiempo mínimo de duración de la pausa
60 ms
interdígito
Tiempo interdígito máximo
20 s
Tabla 5: Especificaciones de los tonos DTMF.
3.8 SEÑAL DE LLAMADA ENTRANTE
Es la señal alterna sinusoidal que la red presenta en el PTR de la línea llamada
como indicación del ofrecimiento o presentación de una comunicación entrante.
Como método de aplicación, la corriente de llamada se presenta en el PTR
superpuesta a la tensión de telealimentación de corriente continua de la red indicada en
el apartado 3.2.
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Las características de la señal de llamada que, de modo general, la red presenta
por defecto, medidas en circuito abierto en el PTR, se detallan en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS
Frecuencia
REQUISITOS
25 Hz ± 3 Hz
Forma de onda
sinusoidal
Tensión alterna( valor eficaz)
75V ± 10%
Resistencia interna del generador de señal
200Ω
de llamada
Tiempo máximo de aplicación
Cadencia de la señal de llamada
60 sg
On: 1500 ms ± 10 %
Off: 3000 ms ± 10 %
Repetición
Distorsión
≤5%
Tabla 6: Características de la señalización de llamada entrante.
3.9 TONO DE FINALIZACIÓN DE LLAMADA
Cuando una llamada es liberada por la red, ésta presenta sucesivamente en el
PTR dos conjuntos de señales:
1. Una inversión de polaridad
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2. Tonos de línea muerta, congestión, o especial de información de entre los
detallados en el apartado X.5.
La normativa posee mas apartados relacionados con las características técnicas
de la línea al llevar a cabo servicios suplementarios. Estos apartados no son de interés
para la realización del diseño de este proyecto por lo que no han sido incluidos en esta
memoria. De todas formas se puede acceder a ellos observando la bibliografía incluida
en este documento.
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DISEÑO DE LA CENTRALITA
A continuación será expuesto en este apartado el diseño realizado en el
desarrollo de este proyecto para la elaboración de la centralita, el cual se fundamenta en
los conceptos teóricos anteriormente comentados y cuyo fin es el de conseguir los
objetivos impuestos al principio de este documento.
4.1 MEDIDAS PRÉVIAS REALIZADAS
Antes de la realización física de la centralita, se realizaron las medidas que a
continuación se van a exponer.
Su motivo es de poder precisar con exactitud los niveles de señal, tanto de
alimentación como de señalización, en la conexión analógica del bucle local de
abonado; puesto que en la documentación facilitada por la compañía Telefónica de
España S.A.U. no se precisan con exactitud algunos parámetros, sino que se le asignan
tolerancias, necesarios para la realización del proyecto.
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4.1.1 Medida de tensión de alimentación de la línea
Mediante el uso de un osciloscopio, se realizó la medida de la tensión de
continua existente entre los dos cables de la línea en dos situaciones diferenciadas; la
primera en la que el terminal telefónico conectado a la línea se encuentra colgado y por
tanto en estado de reposo, y la segunda en la que el terminal telefónico se encuentra
descolgado y activo.
En el primero de los casos según la compañía telefónica la tolerancia para esta
tensión varía entre 42 y 57 voltios idealmente, sin contar las perdidas en el bucle local
de usuario propio.
El voltaje obtenido en la medición fue de 40 voltios, lógico si pensamos que
existen pérdidas en el bucle propio del usuario, debido principalmente a la longitud que
puede presentar.
Esta medida es diferencial entre los dos hilos de la línea, mientras que si se
miden cada conexión por separado se observa que un terminal se encuentra a una
tensión de 0 voltios mientras que el segundo se encuentra como es normal a una tensión
de 40 voltios.
Además idealmente se supone que un equipo telefónico terminal se comporta
como un circuito abierto en estado de reposo, mientras que realmente presenta una
impedancia hacia la línea, a pesar de que esta sea muy elevada; lo cual hace disminuir el
voltaje de continua presente entre las dos conexiones finales del bucle local de abonado.
La segunda medida ha sido realizada en la línea telefónica en la situación en la
que la línea se secuestra ocupada, es decir en aquella situación en la que algún equipo
terminal del bucle local de abonado se encuentra descolgado.
La tensión de alimentación diferencial encontrada en la línea ha sido de 10
voltios entre los dos hilos que implementan la conexión.
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Por el contrario los datos obtenidos de la realización de la medida de cada hilo
de la línea por separado han sido que mientras que el terminal que en reposo se
encontraba a potencial cero, en este momento posee 15 voltios de tensión; Por el
contrario el terminal que anteriormente poseía 40 voltios de tensión, ahora como es
normal ha disminuido su voltaje en igual proporción que el aumento en el otro hilo, es
decir posee ahora un voltaje de 25 voltios.
En las especificaciones aportadas por la compañía Telefónica de España S.A.U.
no se indicaba valor alguno de tensión en esta situación, sino que únicamente se
comentaba que se debería cumplir la ley de Ohm.
Por tanto, y debido a que la resistencia aproximada de un equipo telefónico es de
unos 600Ω, se corresponden los valores obtenidos a que la intensidad que circula por el
bucle de abonado es de unos 17 mA.
Este nivel de intensidad condiciona la ocupación de la línea telefónica, para la
cual, según las especificaciones antes mencionadas, era necesario la circulación de
cómo mínimo 6mA, cumpliéndose así las especificaciones teóricas antes comentadas en
esta memoria.
4.1.2 Medidas de la señalización de llamada entrante
Según las especificaciones de la misma, la señal de indicación de llamada
entrante se caracteriza principalmente por tener una amplitud de 75 voltios eficaces y
una frecuencia de 25 Hz.
La medida realizada a los dos hilos que forman la conexión de la línea telefónica
analógica, ha mostrado inicialmente que en uno de ellos se localiza una señal sinusoidal
cuya frecuencia es la indicada anteriormente y cuyo voltaje es de aproximadamente
unos 180 voltios pico-pico.
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Por el contrario en el segundo terminal de la línea se muestra una señal de igual
frecuencia a la anterior pero cuyo voltaje es sensiblemente inferior, aproximadamente
unos 30 voltios pico-pico.
Además se debe indicar que ambas señales posee un desfase entre si de
aproximadamente unos 90º, conformando así mediante la suma de ambas señales la
señalización recibida por el equipo telefónico terminal.
Igualmente en este proceso de medición previo al diseño de la centralita, ha sido
comprobado el grado de ajuste necesario para que la señal de indicación de llamada
entrante cause el efecto requerido en un equipo telefónico.
Mediante esta acción se ha comprobado que tanto la frecuencia como el nivel de
amplitud de la señal aportada al equipo terminal poseen un ancho margen de
variabilidad, con respecto a sus especificaciones iniciales, para obtener una correcta
funcionalidad.
La frecuencia central en la que se puede ubicar la señal de indicación de llamada
entrante puede variar de entre los 15 Hz hasta los 400 Hz aproximadamente
manteniéndose la correcta detección de la señal por parte del equipo terminal,
únicamente varia en este rango el tono en que el equipo telefónico realiza la indicación
sonora hacia el usuario de la presencia de una comunicación entrante.
Otra especificación que puede variar es la amplitud de la señal, la cual posee un
margen que se extiende desde los 50 voltios pico-pico como mínima tensión de la
misma hasta los 140 voltios pico-pico.
Estas medidas realizadas del rango de variabilidad, serán de suma utilidad para
el desarrollo del proyecto, como posteriormente se indicará en esta memoria.
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4.2 ESQUEMA FUNCIONAL
Inicialmente, con el fin de poder explicar más fácilmente el diseño del proyecto
desarrollado, se va a esquematizar a continuación el funcionamiento general a nivel de
bloques independientes de la centralita diseñada.
Esta primera explicación del funcionamiento a nivel lógico o de bloques del
proyecto facilitará una comprensión general del mismo, lo cual ayudará a
posteriormente detallar más específicamente cada parte del esquema global con mayor
facilidad.
El funcionamiento que se ha implementado de la centralita es igual al ofrecido
por productos similares existentes en el mercado, el cual cumple con todas las
especificaciones impuestas inicialmente al proyecto como objetivo del mismo, e
indicadas al comienzo de esta memoria.
El modo de operación se puede dividir en dos ramas principalmente, el primero
es aquel en el que la centralita actúa como respuesta a una llamada entrante al sistema,
mientras que el segundo se ejecuta en el momento que un usuario de la centralita desea
establecer una comunicación hacia el exterior.
4.2.1 Funcionamiento ante una llamada entrante
A continuación se explica las acciones realizadas por el sistema diseñado ante la
recepción de una comunicación externa.
•
La primera acción que realiza la centralita ante una llamada entrante al
sistema, es detectar la misma. Para ello se ha diseñado un circuito capaz
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28
de interpretar automáticamente la existencia de un tono de llamada
entrante transmitido desde la Red Telefónica Básica.
•
Este circuito le indica al microcontrolador del sistema la existencia del
mismo, y a continuación este acciona un relé conectado a la línea
telefónica que al conmutar conecta esta a un circuito capaz de responder
al tono recibido, indicando que se ha recibido la llamada entrante y
estableciendo así la comunicación.
•
Una vez establecida la comunicación, la centralita reproduce
automáticamente una locución de voz pregrabada en la que indicará al
usuario llamante a quien corresponden las diversas extensiones que posee
el sistema, requiriéndole que marque un dígito en correspondencia con el
usuario destino con quien desee hablar.
•
Una vez el usuario llamante escuche la grabación, este pulsará algún
dígito según sea el destino de su comunicación y el sistema demodulará
dicho dígito, el cual corresponde a un tono DTMF.
•
Una vez se halla demodulado el dígito marcado, este le será indicado al
microcontrolador, el cual reconocerá el usuario destino.
•
Una vez se conoce el usuario destino, el sistema reproduce en el equipo
terminal del mismo, un tono telefónico de llamada entrante reconocible
por el teléfono.
•
A la vez de dicha reproducción el sistema controlará si el usuario destino
descuelga el teléfono, y si esto se produce interconecta a este, con el
usuario llamante, produciéndose así la comunicación telefónica entre
ambos.
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•
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Por último, una vez se halla realizado la comunicación telefónica, el
usuario de la centralita colgará de nuevo el teléfono, acción monitorizada
por el sistema y que accionará que se desconecte la conexión con línea
telefónica exterior, produciéndose el fin de la comunicación.
•
Una vez realizado este proceso la centralita retornará al estado de reposo
en espera de otra llamada.
Este proceso es realizado gracias a la actuación de todos los subsistemas en los
que se ha dividido el proyecto y controlados en todo momento, como se ha podido
apreciar, por el dispositivo microcontrolador.
Como se puede observar, todo el proceso se realiza de forma automática,
consiguiendo así que se cumpla uno de los requisitos indispensables impuesto como
objetivo de este proyecto, siendo este que el usuario de la centralita no realice ninguna
acción adicional, a las realizadas con normalidad, con el fin de establecer o recibir una
comunicación telefónica.
Durante el proceso de recepción de una llamada entrante por parte de un usuario
del sistema, ningún otro usuario podrá realizar otra llamada, puesto que la línea se
encuentra ocupada.
De igual forma ningún otro usuario podrá observar la comunicación que está
siendo establecida por otro usurario, cumpliendo así otro importante objetivo marcado
para este proyecto, el cual es el de preservar la privacidad en las comunicaciones.
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4.2.2 Proceso para el establecimiento de una llamada
Este proceso es mucho más sencillo que el explicado anteriormente y en el
mismo no intervienen muchos de los circuitos diseñados para este proyecto.
Esto es así debido a que no es necesaria en este caso una intercomunicación con
el usuario destino, sino que es la propia Red Telefónica Básica la que se ocupa de
establecer dicha comunicación.
Los pasos que se realizan por tanto para lograr la realización de una llamada
telefónica por parte de un usuario de la centralita son los siguientes:
•
En primer lugar, el microcontrolador del sistema que se encuentra
monitorizando el estado en el que se encuentran las extensiones de la
centralita, detecta que un usuario de la misma ha levantado el auricular
de su teléfono.
•
A continuación se le conecta con la línea telefónica externa de la misma
manera que se realizaba en el proceso de recepción de una llamada
entrante.
•
A partir de este momento el sistema permanece en reposo a la espera que
se concluya la comunicación telefónica, la cual se detecta al observar que
se ha vuelto a cortar el terminal por el usuario.
•
Por último se desacopla la línea telefónica con el usuario llamante y se
vuelve al estado inicial de reposo.
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Cabe mencionar que la comunicación, ya sea en el proceso de recepción de una
llamada entrante o mediante el proceso de realización de una comunicación propia hacia
el exterior, posee en todo momento un total aislamiento de todas las extensiones
existentes en la centralita, con lo que se consigue un máximo grado de intimidad en toda
comunicación.
Con el fin de obtener una mayor claridad de las explicaciones sobre el modo de
funcionamiento de la centralita, se muestra en la página posterior un diagrama de flujo
sobre el mismo.
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Figura 2: Diagrama de funcionamiento de la centralita.
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4.3 ESQUEMA CIRCUITAL
Una de las principales características del proyecto diseñado, es que ha sido
estructurado en varios circuitos independientes entre si, que son capaces de actuar de
forma independiente y que a su vez se encuentran controlados todos ellos por el
dispositivos microcontrolador utilizado, el cual es que elemento mas importante del
proyecto puesto que gobierna a todo el proyecto en su conjunto.
Esta división del proyecto es pequeños sistemas se ha realizado principalmente
con el fin de facilitar el proceso de depuración del mismo. Esto es así por que ha sido
posible probar cada subsistema por separado, a la vez de ir escalando el proyecto en
magnitud del mismo comprobando en todo momento que el diseño era el apropiado.
Como se ha indicado anteriormente todo el proyecto se ha basado en el uso de
un dispositivo microcontrolador, en este caso el PIC 16F877, que controla todas las
partes de la centralita diseñada y que por tanto gobierna todo su funcionamiento.
Una vez comentado el modo de funcionamiento del proyecto ante las dos
situaciones que debe hacer frente, a continuación se expondrán brevemente los distintos
subsistemas en los que ha sido dividido este, al igual que la funcionalidad que poseen
dentro del proceso de actuación antes comentado.
a)
Circuito de detección de llamada entrante.
Como bien indica su nombre, su funcionalidad es la de detectar el instante en el
que la centralita recibe un tono de señalización de comunicación entrante por parte de la
Red Telefónica Conmutada (RTC).
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Se encuentra conectado a la línea telefónica exterior, de la que detecta el tono
entrante, y se comunica con el microcontrolador del sistema una vez se detecte dicho
tono de señalización.
b)
Circuito de ocupación de la línea telefónica.
Este circuito será el encargado de ocupar la línea, descolgar para la compañía, en
el momento que se reciba una llamada entrante.
Otra funcionalidad que posee, no comentada en el apartado anterior pero
necesaria, es la de aislar eléctricamente la línea telefónica de la circuitería desarrollada
para este proyecto, con el fin de proteger esta ante posibles sobretensiones exteriores.
c)
Circuito de grabación y reproducción de voz.
Posee una doble funcionalidad dentro del proyecto, la primera ya comentada
anteriormente es la de reproducir en la línea telefónica el mensaje de respuesta en el
momento que se reciba una llamada entrante al sistema.
Y como es normal su otra función es la de permitir la grabación de dicho
mensaje de forma sencilla por parte de los usuarios de la centralita.
d)
Circuito de demodulación de tonos DTMF.
Será el encargado de interpretar los tonos DTMF recibidos en la centralita por
parte del usuario llamante, como respuesta a la grabación reproducida con anterioridad.
Una vez remodulado el tono recibido se comunicará con el microcontrolador del sistema
para indicarle el dígito correspondiente con dicha señal de señalización.
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e)
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Circuito de alimentación del terminal telefónico.
Este circuito se encarga de extraer de la línea telefónica una tensión de
alimentación capaz de alimentar a un teléfono ubicado en una extensión de la centralita
diseñada.
Esto es así puesto que la imposibilidad de conectar directamente los equipos
terminales a la línea de entrada imposibilita la monitorización de los mismos con el fin
de observar su estado.
f)
Circuito de monitorización del estado del terminal.
Como se ha indicado anteriormente, se debe monitorizar la situación de los
equipos terminales ubicados en las extensiones de la centralita tanto para detectar que se
desea realizar una llamada como para determinar que responde ante una llamada
entrante.
Este es el circuito encargado de ello, ayudado por el sistema anterior de
alimentación telefónica. Una vez se detecte alguna modificación en su estado, este es
comunicado al microcontrolador, el cual se encargará en cada situación de realizar las
acciones pertinentes.
g)
Circuito de generación de señalización telefónica.
Este circuito, que esta en todo momento gobernado por el microcontrolador del
sistema, será el encargado de generar la señalización de comunicación entrante
necesaria para advertir al equipo terminal destino de una llamada entrante al sistema,
que él es con quien desea hablar el usuario llamante exterior.
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h)
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Circuito microcontrolador.
Como ya se ha indicado en varias ocasiones es el encargado de controlar todo el
funcionamiento del sistema; recibe indicaciones de los subsistemas descritos con
anterioridad y actúa sobre estos mismos según proceda.
i)
Circuito de conmutación.
Este circuito esta encargado de la conmutación, necesaria en varios apartados del
proyecto, de la línea telefónica sobre las diversas conexiones que puede poseer dentro
de la centralita.
Será de utilidad dentro del proceso de ocupación de la línea telefónica antes
mencionado, al igual que en el proceso de conectar una llamada entrante hacia una de
las extensiones de la centralita.
De la misma forma será necesario su uso para lograr conectar una de las
extensiones de la centralita con la línea telefónica exterior, para la realización de una
comunicación por parte de un usuario
Para poder comprender con mayor facilidad la funcionalidad de cada circuito en
los que se ha dividido el proyecto, a continuación se expone un esquema de la
conectividad y ubicación de cada uno de los subsistemas diseñados.
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Figura 3: Diagrama de conectividad de la centralita
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A continuación, una vez comentados todos los circuitos el los que se ha dividido
el diseño de la centralita telefónica, se explican mas detalladamente los elementos que
componen a cada uno de ellos, al igual que su funcionamiento interno.
4.3.1 Circuito de detección de llamada entrante
La función principal de este circuito es la de indicarle al microcontrolador el
momento en el que se produce una llamada entrante al sistema.
La principal prioridad en el diseño de este circuito es la del aislamiento eléctrico
entre los dos extremos entre los que se encuentra este sistema, siendo estos la línea
telefónica analógica del bucle de abonado y el circuito microcontrolador de la centralita.
Esto es debido a que el microcontrolador usado, el PIC 16F877, podría dañarse
fácilmente si se conectara directamente a la línea, pues se pueden producir en dicha
línea altos picos de tensión o intensidad.
Debido a lo comentado anteriormente, se ha utilizado para conseguir dicho
aislamiento eléctrico un optoacoplador integrado. El modelo usado es el optoacoplador
4N35, de fácil adquisición por su elevado uso en el mercado electrónico.
Este dispositivo posee un encapsulado plástico de 6 pines. Entre sus dos
primeros lleva conectado un diodo LED de infrarrojos de AsGa. Asimismo entre sus
pines 4,5 y 6 lleva conectado un transistor de silicio. El pin restante no es usado.
En el diseño, el ánodo del diodo LED (pin 1) va conectado al cátodo del segundo
diodo zener utilizado, mientras que su cátodo va conectado a la línea externa.
Por su parte el colector del transistor se conecta mediante Pull-up al bit 1 del
puerto C del microcontrolador. Su emisor se conecta a tierra, para así hacer conmutar la
salida entre este voltaje cero, en el momento que el transistor se encuentra activo, o a 5
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voltios (a través de la resistencia de Pull-up) si el transistor se encuentra en estado de
corte.
El esquema interno del optoacoplador 4N35 utilizado, es el siguiente:
Figura 3: Optoacoplador 4N35
Puesto que el acoplamiento entre el bucle de abonado y el circuito
microcontrolador es únicamente óptico, evitamos de esta forma cualquier posible daño
en nuestro sistema de alteraciones en el exterior.
Como se comento en las características técnicas inicialmente explicadas en este
proyecto, la señal recibida por un usuario en el Punto de Terminación de Red (PTR) por
parte de la operadora indicándole la existencia de un intento de llamada entrante por
parte de otro usuario, se caracteriza principalmente por ser una señal sinusoidal de 25
Hz y una amplitud de 75 voltios eficaces, aplicándose esta de forma superpuesta a la
tensión de telealimentación de corriente continua de la red.
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Debido a que la señal a detectar por parte del circuito posee un muy elevado
nivel de potencial, se han utilizado dos diodos zener con una tensión umbral de 15
Voltios colocados ambos en serie y con opuesto sentido, montaje back-to-back, de
orientación con el fin de obtener dos objetivos principalmente.
El primero consiste en recortar el nivel de potencial de la señal de entrada en 30
Voltios evitando así que se pueda dañar el optoacoplador localizado a continuación.
El segundo objetivo es el de conseguir filtrar posibles ruidos que se produzcan
desde la red, siendo todos ellos suprimidos si su voltaje es menos de la tensión umbral
de los diodos zener.
Como ya se indicó en la introducción teórica en este documento, el máximo
consumo de corriente permitido extraer del Punto de Terminación de Red en estado de
reposo, es de 1mA.
Es por ello y por que este circuito se encuentra directamente conectado al PTR
por lo que se ha utilizado la capacidad inicial. Tiene una función muy importante y es la
evitar el paso de la corriente continua; conseguimos así no extraer del bucle de abonado
corriente continua evitando así que la operadora entienda que se ha descolgado un
equipo terminal.
El resto de los elementos de los que esta compuesto este subcircuito son los
siguientes:
La resistencia R1 es requerida para presentar una impedancia de 10 KΩ a señales
de audio, evitando así una disminución de calidad en las comunicaciones establecidas, y
por otro lado limita la corriente del tono de llamada hacia el optoacoplador hacia valores
que no sean peligrosos.
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El diodo D3 protege al optoacoplador de corrientes inversas elevadas que
pudieran dañar al integrado.
Por último la resistencia última R2 es utilizada para formar la estructura pull-up
requerida por el diseño interno del optoacoplador, su bajo valor permite obtener una
rápida variación en la señal que se presenta hacia el microcontrolador.
A continuación se expone el esquema, anteriormente explicado, del subcircuito
de detección de llamada entrante:
Figura 4: Circuito indicador de llamada entrante
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4.3.2 Circuito de ocupación de línea telefónica
La funcionalidad de este circuito es la de aislar el bucle de abonado local con el
subcircuito de grabación y reproducción de voz y con el subcircuito de detección de
tonos DTMF; es decir, aísla del exterior los circuitos encargados de la
intercomunicación automática con el usuario llamante al sistema.
Igualmente posee otra funcionalidad dentro del diseño del sistema, y es la de
conseguir que, una vez se detecte la existencia de una llamada entrante hacia el sistema,
se consiga realizar el acto de posesión o toma de la línea telefónica, llamado
vulgarmente descolgar, con el fin de que la operadora establezca la definitiva
comunicación entre el usuario llamante y la centralita.
El esquema del subcircuito es el siguiente:
Figura 5: Circuito de ocupación de línea telefónica.
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Los elementos que componen el circuito son los siguientes:
El relé RL1 conmutará cuando se detecte una llamada entrante, en estado de
reposo del sistema este relé no conecta la línea exterior hacia ningún componente,
aislando al sistema de posibles perturbaciones exteriores.
En el momento que se detecte una llamada entrante este relé conectará la línea
telefónica exterior hacia la resistencia R2, la capacidad C2 y el transformador T1; su
función es por tanto la de aislar el circuito del exterior en estado de reposo.
Una vez el relé halla conmutado la resistencia R2 toma suficiente corriente
continua de la línea como para ocupar la línea telefónica, para la operadora simulamos
que se ha descolgado un teléfono.
Este valor fue elegido tomando como promedio la impedancia de los aparatos
telefónicos, que es del orden de los 400 a 600 Ω.
Se puede comprobar teóricamente que el valor de la resistencia es apropiado
mediante el cálculo de la corriente consumida por el mismo.
Para ello tendremos en cuenta, como se comento en la introducción teórica de
esta memoria, que la tensión de alimentación de la línea es de aproximadamente 40
Voltios, variando según sea la resistencia residual existente en el bucle de abonado, y
que la compañía telefónica interpreta que se ha producido un cierre del bucle telefónico
siempre que la corriente supere los 15 mA durante un periodo superior a 40 ms.
Aplicando los valores que poseemos obtenemos la siguiente corriente consumida
por la resistencia R2.
40V
= 71mA
560Ω
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Se comprueba que la intensidad consumida es suficiente para lograr el cierre del
bucle de abonado.
El condensador C2 situado en paralelo evita la pérdida innecesaria de potencia
para las señales de audio superiores a 300 Hz. Con ello conseguimos que la locución
que realicemos se escuche con un nivel de potencia aceptable y que los tonos DTMF
que reciba el sistema no pierdan potencia y sea posible su reconocimiento posterior por
el propio sistema.
El transformador T1 es un transformador que presenta una impedancia de 600 Ω
a 400 Hz y relación 1:1, ello sastiface las normas telefónicas que especifican
aislamiento eléctrico del aparato conectado a la línea telefónica y adaptación de
impedancias para señal de 600 Ω a 400 Hz.
TF1 es un transformador Húmedo, ello significa que permita el paso de corriente
continua a través de su bobinado, y no produzca saturación o distorsión cuando la señal
alterna también pase por su bobinado. Este tipo de transformadores son ligeramente más
caros, pero simplifican el resto del circuito asociado encargado de ocupar la línea
telefónica.
Por último Comentar que aunque se podría haber conectado las dos salidas del
secundario del transformador hacia el resto del sistema en modo diferencial, se ha
optado por conectar una de dichas conexiones a tierra y trabajar en modo simple, puesto
que la mejora introducida en potencia no era necesaria para el correcto funcionamiento
y en cambio complicaba el diseño de posteriores etapas del sistema.
Por último el diodo zener evita que la señal de audio que sale del transformador
este limpia de picos de tensión superiores a su tensión umbral necesario para proteger al
resto de circuitos conectados.
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Como se puede observar, en este subcircuito y otros comentados, se ha hecho un
especial hincapié en proteger de posibles perturbaciones exteriores en la línea telefónica
a los elementos mas sensibles del sistema, evitando posibles futuras averías por sobre
tensiones.
4.3.3 Circuito demodulador de tonos DTMF
Una de las acciones mas importantes de la centralita es la de automáticamente
establecer una interrelación con un usuario llamante a el sistema. Para ello se utiliza en
este proyecto dos funciones principalmente, la locución de una voz pregrabada en el
sistema que escucha el usuario llamante y la recepción por parte de la centralita de tonos
DTMF pulsados por dicho usuario.
Los tonos DTMF (Dual Tone Multi Frecuency), como bien indica su nombre,
son señales multifrecuencia, exactamente se transmite la suma algebraica de dos señales
sinusoidales una del conjunto de tonos bajos y otra del conjunto de tonos altos, de
acuerdo a la tabla indicada en el apartado teórico de esta memoria.
Los tonos fueron diseñados de forma que no sean armónicos de frecuencias muy
usadas como de 60 Hz, siendo más inmunes al ruido.
Por su elevada robustez y simplicidad se eligió la marcación de dichos tonos por
parte del usuario llamante en la comunicación con la centralita, siendo además la técnica
usada en otras muchas aplicaciones cotidianas.
Este subcircuito es por tanto el encargado de decodificar los tonos DTMF
provenientes de la línea telefónica a un código digital indicativo del tono recibido.
Dicho código digital se le comunicará a el microcontrolador del sistema y este
decidirá las siguientes acciones a realizar en el proceso.
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Debido a su funcionalidad este circuito solo será necesario en el momento en el
que el sistema esté procesando una llamada entrante, además para evitar posibles
sobretensiones en el integrado utilizado, este subcircuito se comunicará con la línea
telefónica a trabes del circuito anteriormente comentado de aislamiento y ocupación
telefónica.
Entre las diversas posibilidades de diseño para la realización de la
decodificación de los tonos DTMF se ha optado por aquella que resulta mas simple
aunque no por ello menos eficiente, se ha escogido para realizar dicha decodificación el
uso del integrado MT8870D de la compañía ZARLINK SEMICONDUCTOR, siendo el
resto de componentes del subcircuito elementos necesarios para el buen funcionamiento
del integrado.
Dicho integrado ha sido elegido por su elevada documentación y a la vez
elevado uso en aplicaciones electrónicas, apreciándose su correcto funcionamiento en
otros proyectos similares al que nos encontramos.
Se caracteriza por ser un completo receptor integrado DTMF de bajo consumo y
altas prestaciones.
Su arquitectura interna se caracteriza por usar dos filtros paso banda de sexto
orden implementados con capacidades conmutadas que separan los tonos en sus dos
frecuencias fundamentales, una del grupo bajo comprendido entre los 697 y los 941 Hz
y otra del grupo alto comprendida entre los 1209 y los 1633 Hz, como se puede
observar el siguiente gráfico.
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Figura 6: Filtros del integrado MT8870D
A continuación de los filtros el integrado posee un algoritmo digital de
identificación de los tonos, por el cual determina la frecuencia de cada tono y lo asocia a
una frecuencia estándar DTMF. Dicho sistema de identificación posee una muy alta
inmunidad a frecuencias interferentes y ruido.
Además minimiza el número de componentes externos necesarios para su uso al
llevar integrado un amplificador diferencial de entrada encargado de la amplificación de
la señal.
Por último comentar su interfaz digital de salida con latches en triestado,
facilitando su conexión con el microcontrolador.
De las diversas configuraciones que se aconsejan para su montaje en la hoja de
catálogo del circuito integrado, se ha escogido una modificación de la configuración en
entrada simple.
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Esta elección se ha basado principalmente en optimizar el número de elementos
externos a utilizar, que dificultarían el diseño de la placa, mientras que por el contrario
no afectan para el correcto funcionamiento del circuito.
Además, debido a numerosas pruebas y medidas realizadas en el circuito se ha
llegado a la conclusión que el factor que limita el funcionamiento en la detección del
integrado es la potencia que poseen los tonos a la entrada del mismo. Este factor no se
mejora con el otro montaje aconsejado en la hoja de catálogo, un montaje diferencial,
por lo que este último fue descartado, eligiendo el montaje más simple.
Como se dijo anteriormente se ha realizado una modificación del montaje
aconsejado en el datasheet del integrado. Se ha comentado que el principal factor que
limita el funcionamiento es la potencia de la señal de entrada. Según la hoja de catálogo
la potencia mínima de entrada necesaria en un tono para que sea reconocible debe ser de
-29 dBm, pero después de realizar diversas pruebas con el integrado se ha comprobado
que es necesario un nivel algo mayor de potencia para un perfecto funcionamiento.
Por ello y debido a que el nivel de señal medido aportado por la línea telefónica
es levemente superior a los -29 dBm necesarios, se ha amplificado la señal para obtener
un nivel de potencia aceptable.
Esta amplificación se ha realizado variando las resistencias de entrada al
integrado, puesto que a la entrada, el integrado posee un amplificador operacional en
montaje inversor, con lo cual variando el valor de dichas resistencias obtenemos la
amplificación deseada.
Se han escogido unos valores de R4 de 22 KΩ y R5 100 KΩ, obteniendo así
amplificar la señal cinco veces su nivel inicial.
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El esquema del montaje utilizado para la detección de tonos DTMF es el
siguiente.
Figura 7: Circuito demodulador de tonos DTMF
Como se observa en la figura, otros elementos utilizados son un cristal de cuarzo
con una frecuencia de 3,5795 Mhz, elemento elevadamente comercializado, usado para
el funcionamiento de la circuitería digital del integrado, al igual que la resistencia R3 y
la capacidad C2 los cuales indican la constante de tiempo usada por el integrado para
evaluar como valido un tono.
A continuación se va a explicar el cronograma con la comunicación que se
realiza entre el microcontrolador y el integrado en el proceso de detección de un tono
válido DTMF.
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Como se puede observar en el gráfico siguiente, el proceso de variación en las
señales de salidas del integrado MT8870D cuando se detecta un tono valido es bastante
complejo, pero para simplificar el diseño de la centralita únicamente se han utilizado las
líneas StD junto con los pines Q1- Q3 en la conexión con el microcontrolador. El resto
de señales no se usan al no ser estrictamente necesarias.
Como se observa en el cronograma en la programación del microcontrolador
inicialmente lo que se monitoriza es la señal StD , a través del pin 3 del puerto A del
mismo, puesto que es la que indica, poniéndose a nivel alto, el momento en el que existe
un dato válido en el bus Qi. Por tanto una vez se observe la activación de la señal StD se
muestrea el bus Q donde se indica el tono recibido, mediante los pines 0, 1 y 2 del
mismo puerto A del microcontrolador.
Figura 8: Cronograma de la recepción de un tono DTMF
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Por último indicar que la codificación de los tonos en el bus es directa, indicando
el dígito marcado. En este proyecto al ser necesario únicamente discernir entre los
dígitos 1, 2 y 3, únicamente se han conectado las líneas Q1-Q3 del bus al
microcontrolador, consiguiendo así simplificar el diseño de la placa final.
4.3.4 Circuito de Reproducción y grabación de voz
A continuación se explicará el diseño y funcionamiento del subcircuito
encargado de la grabación y reproducción de la locución de voz de la centralita.
Como se ha indicado la funcionalidad de este circuito es doble, la primera
función a realizar será la de poder grabar una locución de voz de manera simple, que
posteriormente se escuchará como mensaje hacia un usuario llamante al sistema. Y la
segunda labor a realizar es obviamente reproducir dicha locución hacia la línea
telefónica exterior en el momento que un usuario acceda al sistema.
Como en el diseño del subcircuito receptor de tonos DTMF en esta ocasión se ha
escogido el diseño que se ha considerado más simple para realizar la doble
funcionalidad antes mencionada. Existían diversas posibilidades de diseño, como la de
almacenar la voz pregrabada en una memoria EEPROM direccionable por el
microcontrolador, pero todas ellas poseían una mayor dificultad y no mejor
funcionamiento que la opción escogida la cual es el uso de un integrado específico para
la grabación y reproducción de voz.
Por ello se escogió como elemento principal del subcircuito de voz el integrado
ISD2590, circuito integrado específico para aplicaciones como la que se ha desarrollado
en este proyecto.
Dicho integrado es capaz de almacenar y reproducir mensajes de hasta 90
segundos de duración. Además posee muy alta calidad gracias a que incluye en su
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interior un preamplificador para el micrófono, control automático de ganancia, un filtro
antialiasing y un muy fácil modo de control y direccionamiento por parte del
microcontrolador.
Una cualidad importante del integrado es que la señal de audio se carga
directamente in células de memoria no volátiles en su forma natural, aportando una alta
calidad en la posterior reproducción de la misma.
Dentro de los diversos modelos que la compañía desarrolla se escogió el modelo
ISD2590 puesto que es capaz de grabar una longitud de mensaje muy aceptable, 90
segundos en concreto, suficiente para incluir la locución necesaria en una centralita
telefónica, además de poseer una frecuencia de muestreo bastante aceptable, siendo esta
de 5,3 KHz.
El subcircuito diseñado posee dos modos de funcionamiento, uno específico para
cada aplicación a desarrollar. En el modo normal en circuito integrado ISD2590 se
encuentra gobernado por el microcontrolador, el cual le indicará el instante en el que
debe de reproducir el audio grabado previamente, es decir en el instante en el que se
detecte una llamada entrante al sistema. Esta es la situación en la que se encuentra el
sistema normalmente.
La otra posibilidad o modo de funcionamiento, es aquella en la que se desee
grabar el mensaje a reproducir cuando se detecte una llamada entrante. Esta situación es
muy esporádica, incluso una sola vez en todo el periodo de funcionamiento de la
centralita, por ello para pasar a este modo de funcionamiento el proceso a realizar es
manual y no automático, puesto que es imposible conocer o forzar el momento de
grabación del mensaje.
A continuación se explicarán por separado las dos acciones principales que
realiza el dispositivo, el motivo de esto es su gran variabilidad entre ellas.
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4.3.4.1 Proceso de grabación de voz
El proceso que debe seguir el usuario para realizar la grabación del mensaje es el
siguiente:
1.
Inicialmente desconectar la centralita del sistema de alimentación.
2.
Situar el jumper número 1 en la posición RECORD.
3.
Situar el jumper número 2 en la posición MANUAL.
4.
Conectar de nuevo el sistema a la alimentación eléctrica.
5.
Presionar el botón de GRABACIÓN mientras que en sentido al
micrófono se indica por el usuario el mensaje a reproducir.
6.
Una vez se desee acabar con la grabación del mensaje dejar de
presionar el botón de GRABACIÓN acabándose así el proceso
del mismo.
7.
Por último situar de nuevo los jumpers números 1 y 2 en la
posición PLAY y NORMAL respectivamente previa desconexión
de la señal de alimentación.
Un pequeño esquema de la situación física tanto de los jumpers como del botón
de GRABACIÓN en la placa realizada es el siguiente:
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Figura 8: Ubicación de los jumpers
Hay que destacar la presencia de un tercer jumper que inicialmente no parece
presentar ninguna funcionalidad en el proceso de grabación de la locución de voz.
Este jumper controla el pin Power Down Input del integrado, y su función es la
de situar al integrado en modo de bajo consumo.
Esta situación no ha sido controlada mediante el microcontrolador debida a que
la potencia consumida en modo normal por el integrado es perfectamente asumible por
el diseño generado, y por tanto el jumper número 3 debe estar en todo momento
conectado a modo normal. Así conseguimos reducir el número de pines del
microcontrolador usados, facilitando la implementación final del sistema.
A pesar de que se ha indicado anteriormente que el pin PD debe estar en todo
momento conectado a modo normal, concretamente a tierra, se ha situado el jumper
número 3 en la placa con otra finalidad excepcional, y es la de resetear internamente el
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puntero al comienzo de la voz pregrabada, pero únicamente en caso en el que en el
transcurso de la grabación se halla producido una situación de overflow interna del
dispositivo, es decir se halla sobrepasado los 90 segundos de la longitud del mensaje a
grabar.
Por ello y solo de modo excepcional, en el caso que se observe que escuchando
la locución de voz no comienza al principio del mensaje y este a su vez se encuentra
cortado en algún momento del mismo, síntoma inequívoco que se ha producido
situación de overflow en el proceso de grabación, el proceso a realizar es modificar la
situación del jumper número 3 durante un breve instante de tiempo.
Así conseguimos resetear así el puntero interno a comienzo de la locución, y
volver a realizar el proceso de grabación antes mencionado desde su inicio, para así
conseguir que el mensaje quede perfectamente almacenado en la memoria interne del
dispositivo.
Como se puede observar se cumple secuencia de tiempos necesaria teniendo en
cuenta que:
-
El jumper número 1 corresponde con el pin P / R (Playback/Record), siendo
la posición normal o PLAY el momento en el que se encuentra a nivel alto, y
la posición de grabación el momento en el que se sitúe a nivel de potencial
bajo. Esta señal de entrada al dispositivo es muestreada en el momento que
se produzca un flaco de bajada de la señal C E .
-
El jumper número 2 no corresponde exactamente con ningún pin específico
del dispositivo, sino que su función es la de conectar el pin C E ( Chip
Enable) en un caso al microcontrolador, llamado modo NORMAL, o en su
defecto conectarlo al modo MANUAL, usado en el proceso de grabación y
mediante el cual se conecta a un botón que presionándolo aplica a el pin un
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nivel de potencial bajo, conectándolo a tierra, por el contrario siempre estará
a nivel “1” por la colocación de la resistencia R19 en formación pull-up.
-
El jumper numero 3 como se indico anteriormente no se usa en el proceso de
grabación y su colocación normal es a nivel de potencial bajo, como se
indica en el cronograma.
Cabe mencionar la presencia en el dispositivo de un bus de direccionamiento de
amplitud 9 bits.
Este Bus posee la utilidad de poder direccionar diversos mensajes pregrabados
en la memoria interna, pero debido a que para la aplicación que nos encontramos solo es
necesario el almacenamiento de una única locución de voz, todo los bits del bus se han
situado a nivel de potencial de tierra, por lo que siempre se apuntará al comienzo de la
memoria en el proceso de reproducción del mensaje.
Como último dato a resaltar del proceso de grabación del integrado, ilustrado en
el cronograma posterior, debe mencionarse que los tiempos mínimos impuestos para el
correcto funcionamiento son sobradamente cumplimentados.
Debido a que mencionados periodos no son comparables a tiempos de reacción
humanos, mucho mas extensos, y que son los que en realidad se aplican puesto que
como se ha relatado, este es un proceso manual.
A continuación se muestra el cronograma del proceso de grabación mencionado
del dispositivo ISD2590.
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Figura 9: Cronograma del proceso de grabación
Una vez comentado el modo de funcionamiento manual, necesario para la
pregrabación del mensaje a reproducir, a continuación se expone el método de
funcionamiento normal del mismo, y en el que se encontrará la gran mayoría del
tiempo.
4.3.4.2 Proceso de reproducción del mensaje
Como se ha indicado anteriormente el proceso de reproducción del mensaje
pregrabado se realiza de forma totalmente automatizada y controlado en todo momento
por el microcontrolador del sistema, de forma totalmente lógica al tener que ser la
centralita automáticamente la que de respuesta ante una llamada entrante.
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La colocación apropiada de los jumpers para que este proceso se reproduzca, a la
vez comentar que debe ser la posición normal de los mismos, es:
-
El jumper número 1 el cual controla el pin P / R del dispositivo debe estar
colocado en la situación PLAYBACK.
-
El jumper número 2 el cual controla el pin C E del integrado debe estar
situado como es lógico en la posición NORMAL.
-
Al igual que el jumper número 3 que debe estar en la misma situación,
NORMAL.
Debe mencionarse que en este proceso de reproducción, una vez el mensaje este
grabado correctamente, el pin Power Down Input no posee ninguna funcionalidad,
puesto que no se producirá en ningún caso situación de overflow.
Una vez se detecte una llamada entrante al sistema y se halla activado el circuito
de aislamiento y ocupación telefónica mediante la conmutación del relé 1, el
microcontrolador generará un pulso a nivel bajo en el pin C E del dispositivo,
activando la reproducción del mensaje.
Una de las pocas peculiaridades de este proceso es que el tiempo que debe durar
el pulso en el pin C E , TCE, debe ser superior a 100 nanosegundos, lo cual ha sido
previsto en la programación del microcontrolador.
Con el fin de explicar con mayor claridad el proceso de reproducción de la voz
pregrabada, se muestra a continuación el cronograma de dicho proceso, el cual ha sido
recapitulado del datasheet del dispositivo utilizado, en este caso el integrado ISD2590.
Como se podrá observar el proceso antes mencionado cumple perfectamente con las
especificaciones impuestas por el fabricante.
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Figura 10: Cronograma del proceso de reproducción
Al igual que se dijo en el proceso anterior de grabación cabe destacar que el bus
de direccionamiento que posee el dispositivo esta constantemente apuntando a la
dirección inicial de la memoria, lugar donde comienza el mensaje pregrabado con
anterioridad puesto que dicho bus nunca es modificado en el proceso de funcionamiento
del sistema.
El resto de las señales que aparecen en el cronograma del dispositivo no son
tomadas en cuenta en el proyecto por no ser necesarias para el correcto funcionamiento
del mismo, poseyendo estas, una funcionalidad solo aplicable para aplicaciones de
mayor complejidad a la que nos encontramos.
Como se puede observar se ha logrado un perfecto funcionamiento del sistema
encargado de la voz de la centralita utilizando una única conexión con el
microcontrolador del sistema, siendo esta la unión entre el pin C E del dispositivo y el
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bit número 5 del puerto A del micro, facilitando el montaje físico de la placa, y
simplificando en enorme medida la programación del mismo.
Este ha sido uno de los motivos fundamentales en la elección de entre las
distintas posibilidades existentes para el diseño de este apartado del proyecto.
Una vez explicado los dos modos de funcionamiento del subsistema de voz, a
continuación se explicará el montaje realizado para el buen funcionamiento del mismo.
En el montaje se advierte la presencia de dos circuitos que se podría decir que
son entre ellos independientes.
El primero es aquel que engloba al dispositivo ISD2590, encargado de todas las
funciones relacionadas con la grabación y reproducción del mensaje de la centralita, y al
resto de la circuitería necesaria para el correcto funcionamiento del mismo.
El segundo circuito es el encargado de amplificar la voz que reproduce el
dispositivo antes mencionado, hasta obtener unos niveles de audición aceptables y a la
vez no sobrepasar la normativa de máxima potencia insertada en la línea telefónica.
Consiguiendo además independizar, un poco mas de lo que ya lo estaba, al
integrado ISD2590 de la línea exterior, la cual podría provocar algún perjuicio para el
mismo en el caso de que se produjera alguna sobre tensión.
El esquema global del circuito diseñado para la grabación y posterior
reproducción de la locución de la centralita es el siguiente:
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Figura 11: Circuito de grabación y reproducción de voz
Sobre el montaje realizado cabe mencionar que, salvo la circuitería encargada de
la amplificación de la señal de audio hacia la línea telefónica, se ha seguido el diseño
aconsejado en el datasheet del dispositivo ISD2590, parte fundamental del montaje.
Una de las características a resaltar del diseño son la existencia tanto de
terminales de tierra como de terminales de alimentación separados para la parte
analógica y digital del dispositivo utilizado, ello es así con el fin de minimizar el ruido
que se podría producir en el audio.
Para el proceso de grabación se ha utilizado un micrófono diferencial que es
acoplado al integrado por los pines MIC (Microphone Input) y MIC REF (Microphone
Referente) a trabes de dos capacidades serie. Con la utilización de una entrada
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diferencial conseguimos cancelar todo el ruido de modo común que se produce en el
micrófono.
Una vez la señal proveniente del micrófono llega al integrado por los pines
anteriormente comentados, esta señal es preamplificada internamente mediante un
amplificador con control automático de ganancia, compensando los diversos niveles de
entrada y consiguiendo disminuir al máximo la distorsión antes de ser almacenado el
audio. Esta amplificación puede darse de entre -15 y 24 dB según las especificaciones.
Para compensar esta amplificación se utiliza el pin AGC (Automatic Gain
Control) al cual mediante los valores de la resistencia R18 y la capacidad C13
ajustamos la constante de tiempo después utilizada en el ajuste.
Una vez la señal de audio es amplificada consiguiendo un ajuste óptimo de su
nivel, esta atraviesa un filtro antialiasing de cinco polos antes de almacenarse en la
memoria interna del dispositivo.
En el proceso de reproducción del audio, la señal a su vez pasa por un nuevo
filtro, esta vez de suavizado de igualmente cinco polos previo a una amplificación
interna final, que consigue junto a la preamplificación antes comentada una
amplificación total de la señal desde la entrada al dispositivo hasta su final reproducción
de entre 21 y 26 dB según las especificaciones.
La única modificación con respecto a lo impuesto en el datasheet a sido
introducida en la conexión del pin
C E ; en el montaje aconsejado se indicaba la
presencia de una resistencia en situación de pull-up unido a un pulsador que conectara a
tierra dicho pin, generando así, en el momento que fuera pulsado, el pulso de inicio
tanto del proceso de grabación como el de reproducción.
La modificación aportada consiste en la introducción de un jumper, en este caso
se le ha nombrado con el número 3, para poder conmutar la secuencia introducida en el
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pin C E del dispositivo de entre los dos modos de operación ya comentados en este
proyecto; siendo estos, el modo MANUAL utilizado en el proceso de grabación y
explicado en el párrafo anterior y el modo NORMAL en el cual dicho pin del integrado
queda conectado directamente con el microcontrolador del sistema, situación necesaria
para generar la reproducción del mensaje y por tanto la situación mas usual del sistema.
La señal de audio que es extraída del dispositivo ISD2590 en el proceso de
reproducción posee una potencia de aproximadamente 12,2 mW medida sobre una
resistencia externa de 16 Ohmios.
Esto es así debido a que únicamente utilizamos en nuestro sistema un único pin
de salida de audio, SP + (Speaker Output +), y no usamos la salida en modo diferencial
que posee el dispositivo, la cual aportaría una mayor potencia, llegando esta a los 50
mW.
Pero en detrimento de esta opción diferencial hay que comentar que no es
potencia aun suficiente la que es capaz de aportar como para que el nivel de audición en
la línea telefónica sea aceptable, por lo que se debería amplificar posteriormente.
Por ello, debido a que para ambas situaciones es necesario una amplificación
externa de la señal de audio aportada por el dispositivo, se ha elegido utilizar la salida
en modo simple con el fin de simplificar la circuitería a utilizar en el diseño. Sin que por
ello se disminuya el nivel de calidad del audio, pues la amplificación externa es
suficientemente grande como para obtener un nivel aceptable de potencia introducida en
la línea telefónica.
Por tanto, como se ha explicado anteriormente, debido a que la potencia
suministrada por el dispositivo ISD2590 no es suficiente para obtener un nivel de
audición aceptable para el usuario llamante a nuestro sistema, se ha diseñado una etapa
de amplificación de la señal de salida mediante la utilización de un amplificador
operacional al cual se le ha aplicado un montaje inversor.
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4.3.4.3 Circuito amplificador
El amplificado operacional utilizado es el modelo OPA548T de la compañía
Burr – Brown, y ha sido escogido principalmente debido a la alta corriente que es capaz
de proporcionar a su salida, siendo su máximo 3 Amperios como corriente continua y 5
Amperios su corriente de pico máxima, con la cual se obtiene potencia suficiente para
que se escuche bien la grabación en la línea telefónica del llamante.
Además el amplificador utilizado posee características como la de poder
deshabilitar la salida del mismo mediante el pin Enable / Status (E/S) del mismo, o la de
poder ajustar la corriente máxima que sea capaz de aportar. Ambas funciones no han
sido llevadas a cabo en el diseño debido a que no presentan una utilidad aplicable a una
centralita de teléfonos.
El montaje que se le ha aplicado al operacional es el de inversor, en el que se ha
utilizado como resistencia de entrada, nombrada como R13 en el esquema circuital
antes mostrado, una cuyo valor es de 4,7 KΩ. Como resistencia utilizada entre el
terminal positivo del amplificador y la salida del mismo se ha utilizado un
potenciómetro de valor 10 KΩ.
Por tanto variando el valor del potenciómetro podemos aumentar o disminuir en
su caso el volumen del mensaje que se escuchará en el caso de una llamada entrante.
Obteniendo como máximo una amplificación aproximada del doble de la señal inicial.
Inicialmente no parece una excesiva amplificación pero hay que tener en cuenta
que lo que verdaderamente importa es que la corriente de salida va a ser muy alta con lo
cual la potencia aplicada en la línea si va a ser alta.
Además se presenta otro problema y es el de la obligatoriedad impuesta por la
compañía Telefónica de España S.A.U, y comentada en el apartado previo de este
proyecto, de no poder sobrepasar un nivel de pico máximo a la entrada del PTR
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generado desde la red interior del usuario de 1, 5 Voltios medido sobre una resistencia
de 600 Ω.
Esta normativa se cumple en todo momento gracias a que la amplificación
máxima esta controlada para no sobrepasar este límite.
Comentar brevemente que a la entrada negativa del operacional al igual que la
positiva se le han situado dos resistencias de 100 KΩ, conectadas entre alimentación y
tierra, con el fin de polarizar el nivel de continua de entrada y poder así amplificar la
señal de audio en todo su rango sin que se produzca distorsión por parte del operacional,
puesto que inicialmente la alimentación del amplificador operacional es diferencial
mientras que nosotros utilizamos una alimentación simple para el mismo.
Por tanto debido a que la tensión con que es alimentado el operacional no es
diferencial, sino que posee un valor unitario con respecto a tierra, ha sido necesaria la
colocación de resistencias de igual valor como divisor de tensión con el fin obtener en
ambos terminales un valor de continua que corresponde con el nivel medio de la
alimentación suministrada al amplificador, obteniendo así el máximo de rango dinámico
disponible para la señal de entrada.
Por último comentar la dificultad que presenta este montaje y es el de que el
amplificador operacional debe poseer una alimentación de con un mínimo de 8 Voltios,
siendo la alimentación del resto del diseño de 5 Voltios.
Esto se ha solucionado conectándolo directamente a la alimentación de la placa
de desarrollo del microcontrolador utilizado la cual percibe una alimentación de 12
Voltios y la cual posteriormente es estabilizada mediante el integrado LM7805 a 5
Voltios, de los cuales se alimenta el resto del circuito.
El problema de esta conexión directa desde el transformador de continua es que
no presenta una alta estabilidad dicho voltaje de 12 Voltios, lo cual introduce distorsión
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en el audio generado al alimentar con ella el amplificador operacional. Por ello se ha
utilizado la capacidad C16 de un muy alto valor, comprobando la eliminación de la
mencionada distorsión en el mensaje de audio generado.
4.3.5 CIRCUITO GENERADOR DE TONO DE SEÑALIZACIÓN
Como se indicó al comienzo de esta memoria, en el proceso de recepción de una
llamada externa una vez se halla detectado esta, reproducido el mensaje de voz
pregrabado y reconocido el dígito correspondiente con una de las extensiones de la
centralita, el siguiente paso lógicamente es el de generar en el teléfono una señal interna
capaz de hacer al usuario destino de la llamada darse cuenta de que posee una
comunicación entrante hacia él.
Debido a que en el proyecto en el que nos encontramos no se tiene en cuenta el
diseño del equipo telefónico final, el cual se podría hacer específico para este
simplificando en gran medida el diseño, la única señal reconocible capaz de ser
detectada por un teléfono estandarizado es la de una llamada convencional.
Por ello se ha diseñado este subcircuito, cuyo fin es el de generar en el teléfono
destino una respuesta sonora que le indique al usuario que posee una comunicación
entrante.
El tono que se desea generar es el que a su vez el sistema recibe inicialmente al
recibir una llamada y está predefinido en las características indicadas por la operadora
telefónica, el cual posee las siguientes características indicadas al comienzo de esta
memoria:
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CARACTERÍSTICAS
Frecuencia
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REQUISITOS
25 Hz ± 3 Hz
Forma de onda
sinusoidal
Tensión alterna( valor eficaz)
75V ± 10%
Tiempo máximo de aplicación
60 sg
Cadencia de la señal de llamada
On: 1500 ms ± 10 %
Off: 3000 ms ± 10 %
Repetición
Distorsión
≤5%
Tabla 6: Características del tono de señalización de llamada entrante
Como se puede observar en la tabla anterior la principal dificultad de esta señal
es su muy alto voltaje, lo cual dificulta en gran medida la integración de este subcircuito
en el diseño final del proyecto.
Por tanto se debe generar una señal a muy baja frecuencia, 25 Hz únicamente,
pero cuya amplitud en mas de diez veces superior a la alimentación del sistema que es
de 5 Voltios.
Previamente hay que comentar que después de realizar diversas pruebas sobre
varios equipos telefónicos, principalmente introduciéndoles diversas señales extraídas
de un generador de ondas con variadas formas, amplitudes y frecuencias, se ha llegado a
la conclusión que no es preciso obtener una perfecta exactitud con lo que se encuentra
estipulado en la norma.
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Sino que a pequeñas o medianas variaciones sobre los valores nominales antes
comentados los equipos telefónicos respondían perfectamente hacia los estímulos
introducidos.
Por ejemplo cabe destacar que el rango de frecuencias en el que se localiza un
buen funcionamiento del equipo terminal, se extiende de entre los 20 Hz hasta los 400
Hz.
Igualmente el rango de amplitudes de la señal de entrada posee un amplio
abanico, siendo este de entre 50 y 100 Voltios aproximadamente.
Pero teniendo en cuenta que el volumen con que posteriormente suena el equipo
terminal varía de forma proporcional con la amplitud. Fuera del rango indicado o no es
suficiente amplitud para hacer sonar el equipo terminal o por el contrario es excesivo en
sonido generado en el teléfono.
Por último se comprobó la posible utilización de otras formas de onda que no
fueran las estipuladas en la norma, comprobándose que el comportamiento del terminal
hacia formas de onda triangulares o rectangulares es similar al realizado ante una forma
de onda sinusoidal.
Concretando, se llegó a la conclusión que no era estrictamente necesario la
obtención de una forma de onda exactamente igual a la estipulada en la norma,
facilitando en gran medida el diseño de este apartado del proyecto.
Una vez resueltas las consideraciones previas, se diseñó un sistema capaz de
generar una señal de tan alto voltaje como la mencionada, partiendo de una
alimentación de únicamente 5 voltios.
Para ello se utilizó un transformador utilizado para la conversión de corriente
eléctrica alterna en corriente continua. Exactamente la función inicial para la que el
transformador fue fabricado fue para disminuir de una corriente alterna de XX Voltios,
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correspondiente con la corriente eléctrica existente en Estados Unidos, a una señal de
XX Voltios de amplitud.
Por tanto la función inicial del transformador, y para lo que fue fabricado, es
reducir la amplitud de la señal de alterna que se introduce por el primario del mismo en
una proporción de quince veces.
En el proyecto nos encontramos ante la situación inversa, poseemos una
alimentación de 5 Voltios y deseamos obtener una señal cuya amplitud es quince veces
superior, por ello lo que se realizó fue la utilización del nombrado transformador pero
colocado en su situación inversa, es decir, la señal de entrada al transformador es
introducida por el secundario del mismo obteniendo por el primario una señal quince
veces superior, siendo esta la señal deseada para el accionamiento del equipo terminal.
El transformador posee además otra cualidad indispensable para el buen
funcionamiento del sistema, por la cual es capaz de entregar suficiente potencia a la
carga externa, en este caso el teléfono, sin que se sature la tensión entre sus bornas.
Esta cualidad es importante debido a que aproximadamente un equipo terminal
posee una resistencia de entrada de unos 600 Ω, lo que equivale a generar mas de 60
mA en su terminal secundario.
Comentar por último que la señal generada posee una amplitud de unos 80
Voltios pico-pico, no pudiéndose ajustar mas al valor teórico debido a que únicamente
poseemos una unidad de escalabilidad, en este caso por quince, impuesto por las
características del transformador, y un único voltaje posible como señal utilizada a la
entrada del mismo, en este caso 5 Voltios, pues es el voltaje con el que estamos
trabajando en nuestro sistema.
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El esquema del subcircuito diseñado para la creación de la señal de tono es el
siguiente.
Figura 12: Circuito de generación de tono de señalización
Otra aproximación con respecto a la teórica señal de indicación de llamada
entrante que ha sido previamente estudiada y comprobada su efectividad es la de utilizar
diversas formas de onda en vez de la aplicación de una onda sinusoidal.
Dicha aproximación ha sido aplicada en el diseño del sistema, puesto que la
señal usada para ser inyectada en el secundario del transformador, como se puede
observar en el esquema anterior, es generada por el microcontrolador del sistema, y por
tanto únicamente solo puede ser una señal cuadrada y cuyo voltaje oscila entre los
límites de la alimentación del sistema, es decir entre 0 y 5 Voltios.
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Otro dato a comentar es el que a pesar de estar diseñado el transformador para
ser usados a muy bajas frecuencias, como las utilizadas en la red eléctrica, igualmente
realiza la misma función de amplificación con señales de mucho mayor rango teniendo
en cuenta que no siempre con la misma intensidad.
Por ello al introducir por el secundario del transformador una señal rectangular a
la salida del mismo obtenemos una señal de igual forma de onda, aunque se aprecia un
leve suavizamiento de la misma.
Como se puede observar en el esquema anterior otro elemento importante en el
diseño del circuito es el uso del driver L293 de la compañía Texas Instruments.
Dicho dispositivo es un cuádruple driver capaz de suministrar una elevada
potencia a su salida. Poseyendo como límite la capacidad de poder proporcionar 1
Amperio de intensidad, corriente más que suficiente para el buen funcionamiento del
sistema.
Además dicho driver esta diseñado específicamente para actuar sobre cargas
inductivas en su salida, como es la situación en la que nos encontramos, por lo que se
presenta idóneo.
Su utilización es obligada debido a que la potencia capaz de suministrar el
microcontrolador utilizado en el sistema es muy reducida, con lo que el transformador
utilizado no realizaba correctamente la función de amplificación, amplificando
únicamente las transiciones de la señal rectangular.
Para poder suministrar suficiente potencia el driver utilizado posee en todas sus
salidas un circuito completo en tótem-pole, utilizando un montaje Darlington como
sumidero y un montaje pseudo Darlington como fuente.
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Además con el fin de obtener una mayor potencia se ha realizado un montaje
diferencial, como se puede observar en el esquema anterior. Es decir la potencia
suministrada por el microcontrolador es doble al utilizar dos salidas del mismo, al igual
que por el uso de dos drivers diferenciados.
La señales generadas por el microcontrolador e introducidas en el driver son la
misma pero negadas entre si, obteniendo al sumarlas el doble de potencia.
Comentar que el uso de los diodos tiene una funcionalidad de protección para el
integrado, específicamente la de absorber posibles corrientes transitorias generadas por
el transformador. Para dicho montaje se han utilizado las recomendaciones obtenidas
del datasheet del dispositivo integrado.
Una particularidad en el proceso de funcionamiento de este circuito, es que con
el fin de obtener la mayor similitud posible con las especificaciones de la señal de
llamada entrante definidas en su norma, en el proceso de actuación de este circuito se ha
programado el microcontrolador de tal manera que se cumpla la cadencia de la señal a
generar.
De esta forma, la señal se encuentra activa durante un periodo de un segundo y
medio y a continuación se inactiva durante otro periodo de 3 segundos, como bien se
especifica en su normativa.
Otra característica que ha sido aplicada a la funcionalidad de esta señal, es que
se realizan diez tonos en el proceso de funcionamiento para cada llamada entrante
recibida, y para no estar continuamente ocupando la línea, al cabo de dicho número de
tonos se supone por el sistema que el usuario destino de la llamada no se encuentra
disponible y se da por concluida la comunicación.
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4.3.7 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN PARA EL TELÉFONO
Una de las funciones que debe desarrollar la centralita es la detección de el
levantamiento del bucle telefónico, vulgarmente llamado descolgar, por parte del
usuario del sistema, ya sea en el momento en el que posea una comunicación entrante
hacia su extensión o por el contrario en el instante en el que él mismo desee establecer
una llamada hacia otro interlocutor exterior.
Por este motivo ha sido diseñado este circuito. Su finalidad es la de aportar al
teléfono situado en alguna extensión de la centralita una alimentación continua que sirva
para poder posteriormente detectar el momento en el que se levanta el terminal.
Dicha alimentación normalmente es aportada por la propia línea telefónica
analógica pero para el sistema en el que nos encontramos esto no es posible, puesto que
si conectamos directamente los equipos terminales a la red telefónica todos sonarían en
el instante en el que se produjera una llamada entrante, lo cual no es compatible con el
funcionamiento de una centralita.
El método escogido para la detección del uso de un equipo terminal es el mismo
en principio que el utilizado por la compañía telefónica para realizar la misma función.
La operadora identifica e interpreta si se ha levantado o no el terminal por la
cantidad de intensidad que circula por el PTR, Punto Terminal de Red, exactamente
estipula unos límites máximos y mínimos para cada situación de 15 y 6 mA; es decir, a
partir de una tensión de alimentación que proporciona y la intensidad que circula por la
red, estipular la carga localizada en su extremo.
Un equipo terminal en estado de reposo o colgado se puede identificar como una
situación de circuito abierto aproximadamente o lo que es lo mismo una impedancia
muy elevada, y por el contrario un teléfono descolgado se puede identificar como una
carga muy pequeña, aproximadamente 600Ω.
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Es por tanto esta variabilidad en la carga final de la línea la que estipula la
situación en la que se encuentra el equipo terminal.
Y por ello, para poder obtener un cálculo de la carga aportada por el equipo
terminal en la línea, es necesario aplicarle a la misma una tensión de alimentación a
partir de la cual determinar el estado.
Esta tensión de alimentación se podría haber extraído de la alimentación del
sistema, pero para evitar un gasto superior de potencia de la centralita y debido a la
compatibilidad de este circuito con la normativa telefónica estipulada, como se
explicará posteriormente, se ha escogido extraer la mencionada alimentación de la
propia línea telefónica.
Pero para ello se debe cumplir dos requisitos fundamentales, el primero es que
nunca debemos extraer de la línea telefónica mas intensidad de la estipulada por la
operadora telefónica para ella determinar que un equipo terminal ha sido levantado,
puesto que esa función es labor de la propia centralita. De otra forma la compañía
estipularía que se ha levantado un terminal y siempre
tendría la línea abierta,
impidiendo que cualquier llamada entrante al sistema se realizase al estar este siempre
comunicando.
Para obtener dicho objetivo nunca se debe sobrepasar del límite de circulación
de intensidad estipulado por la compañía telefónica de 6 mA, puesto que a partir de la
cual, según se estipula en la normativa explicada en la introducción teórica de esta
memoria, la operadora no asegura el buen funcionamiento de la línea llegando al límite
de 15 mA a partir del cual siempre estipula que se ha producido un cierre del bucle
telefónico.
Un segundo objetivo a cumplir en el diseño es el de filtrar toda señal alterna
proveniente de la línea telefónica hacia el equipo terminal. Esto es así para no hacer
sonar el teléfono cuando la señal de llamada entrante llegue al sistema, sino que dicho
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tono solo sea percibido únicamente por el circuito de detección de llamada entrante ya
explicado en esta memoria.
Con el fin de realizar la funcionalidad antes mencionada cumpliendo a la vez los
requisitos estipulados anteriormente, se ha realizado el siguiente diseño de este circuito,
del que a continuación se muestra su esquema.
Figura 13: circuito de alimentación del equipo terminal
Explicando la funcionalidad de cada elemento del circuito cabe mencionar que la
presencia del puente de diodos es debida a que la polaridad de la alimentación de la
línea telefónica no viene impuesta en su normativa, incluso se indica que esta puede
variar en el transcurso de una comunicación, por tanto se ha utilizado este elemento con
el fin de tener siempre una alimentación positiva.
La resistencia de entrada tan alta posee una doble funcionalidad, la primera es la
de presentar tanto para la corriente continua como alterna una muy alta impedancia
evitando extraer corriente de la línea telefónica, consiguiendo así evitar que para la
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operadora nosotros nos encontremos en estado activo, puesto que la intensidad
consumida es muy baja.
Al extraer poca corriente alterna conseguimos que una mayor cantidad de ella
transcurra por el circuito de detección de llamada entrante y logramos así la
compatibilidad de ambos circuitos.
Se puede calcular de forma teórica el valor de la intensidad absorbida por este
circuito desde la línea telefónica. Para ello tenemos en cuenta, las medidas realizadas
sobre la línea y comentadas al comienzo de esta memoria.
En ella se constató que el voltaje existente en la línea en estado de reposo es de
aproximadamente 40 Voltios. Además la resistencia equivalente vista desde la línea
analógica se puede calcular como la suma de la resistencia de entrada de este circuito de
alimentación, 100 KΩ, más las resistencias en serie utilizadas en el circuito de
detección, las cuales poseen un valor de 570 KΩ.
Por tanto la intensidad consumida se calcula como:
40V
= 60 µA
100 KΩ + 570 KΩ
La funcionalidad del condensador es evitar que el tono de llamada entrante no se
dirija hacia el equipo terminal, pues haría sonar el mismo; con él cortocircuitamos la
entrada del terminal para esta comentada señal.
El voltaje aplicado entre las bornas del condensador es, medido en el sistema
realizado, de 37 voltios. Con ese voltaje y un posterior circuito de detección se
comprobará el estado del equipo terminal, como era comentado en la funcionalidad del
sistema.
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Este circuito se encuentra localizado en el diseño global de la centralita
implementado para cada una de las extensiones que posea la centralita, en este caso tres
únicamente.
El motivo es el debe alimentar de forma independiente cada terminal para que
posteriormente funcione correctamente su correspondiente circuito de detección de
estado. Si se usara un único circuito de alimentación al descolgar un terminal de los tres
la disminución de carga impuesta por esta acción afectaría por igual a todos los sistemas
detectores, pues estarían conectados en paralelo.
Por ello se ha visto necesario la implementación de circuitos de alimentación por
separado para cada equipo terminal que se conecte al sistema, además la simple
realización de los mismos no dificulta en gran medida la implementación física del
sistema.
El único problema que puede presentar la repetida implementación de este
diseño es que la intensidad consumida por el sistema se multiplica por cada repetición
del mismo. Pero debido al amplio margen con el que estamos trabajando, únicamente es
necesario el uso de 60 µA por cada circuito teniendo como límite máximo el uso de 6
mA, la repetida implementación no es motivo de mal funcionamiento.
Otra consecuencia indirecta de la utilización de esta alimentación para el equipo
terminal es la compatibilidad del proyecto realizado con equipos telefónicos que posean
memorias volátiles y no posean una alimentación externa a la línea telefónica, las cuales
requieren de una constante alimentación para evitar la perdida de información de las
mismas.
De esta forma por tanto se encuentran en todo momento alimentadas, a pesar de
que su consumo sea muy bajo, puesto que en estado de reposo es mediante este circuito
por donde reciben la tensión de alimentación, mientras que durante el proceso de
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realización de una llamada se encuentran directamente alimentadas por la propia línea
telefónica.
4.3.7 CIRCUITO DE MONITORIZACIÓN DEL ESTADO DEL TERMINAL
Como se comentó en el apartado anterior la operadora telefónica interpreta el
estado de un equipo terminal conectado a la línea analógica mediante la variación de la
corriente que circula a través del bucle telefónico. Es decir detecta la variación que
supone la colocación de una carga al final del bucle de abonado, en este caso el
teléfono.
En este proyecto se ha realizado la misma función para determinar si el teléfono
conectado a una extensión de la centralita se encuentra en estado de reposo, colgado, o
en su defecto se encuentra descolgado o en estado de línea tomada.
La única diferencia en la realización de esta diferenciación con respecto a la
realizada por la compañía telefónica es que en nuestro caso no podemos trabajar con
intensidades puesto que dicha detección debemos compatibilizarla con el uso del
microcontrolador del sistema.
Es por ello por lo que para determinar la variación de carga aplicada por el
terminal se discrepará en cada caso mediante una variación de tensión, la cual si será
posible medir por parte del microcontrolador.
Por este motivo recién comentado es por lo que ha sido necesario el uso del
circuito explicado en el apartado anterior de alimentación telefónica, puesto que en todo
momento se debe estar muestreando el estado del terminal, y para ello, debido a que el
método de validación es basado en variaciones de potencial es necesario la presencia de
una alimentación general del terminal.
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Para la elaboración del diseño de este circuito se impuso como más importante
preocupación la obtención de la mayor simplicidad posible, puesto que este circuito se
encuentra localizado en el diseño final por cada una de las extensiones a muestrear del
sistema, en este caso tres.
Otra imposición importante es la de total compatibilidad con el resto de circuitos
del proyecto, esta especificación toma elevada relevancia puesto que el circuito de
detección de estado telefónico en el que nos encontramos debe estar localizado en el
sistema contiguo a la conexión telefónica de cada extensión, es decir debe estar
conectado a el propio equipo terminal, lo cual impide que dicho circuito pueda ser
aislado del resto del funcionamiento de la centralita en algún momento.
El diseño realizado para la realización de las funciones explicadas anteriormente
ha sido el siguiente:
Figura 14: Circuito de monitorización del estado del terminal
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A continuación se explicará la utilidad de cada componente del esquema
utilizado.
Inicialmente se ha utilizado un puente de diodos, conformado por cuatro diodos
1N4148, con el fin de rectificar la tensión de entrada y trabajar siempre con tensiones
positivas.
Este paso inicial es necesario por dos motivos principalmente. El primero se
basa en que la normativa telefónica no estipula una polaridad para la tensión de
alimentación existente en la línea telefónica, incluso indica que es posible que además
dicha polaridad pueda variar en el transcurso de una comunicación telefónica.
Por tanto al no poder establecer la polaridad de la alimentación en la línea es
necesario rectificar dicho voltaje para como se indico anteriormente trabajar con
tensiones positivas con respecto al terminal de tierra de la centralita.
El segundo motivo por el cual ha sido utilizado este puente de diodos es para
poder compatibilizar este circuito con el circuito de generación de tono telefónico.
Como se explico con anterioridad y se puede comprobar en el esquema circuital
antes expuesto este circuito se encuentra conectado directamente al equipo terminal
localizado en una extensión de la centralita.
Por ello este circuito también recibe la señal de tono telefónico generado
internamente en la centralita, la cual es una señal alterna y de muy alto voltaje como se
indicó en su apartado. Por lo que es estrictamente necesaria la utilización de este
mencionado puente de diodos para poder compatibilizar ambos circuitos.
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Una vez rectificada la tensión de entrada al circuito el siguiente paso que se
realiza es conseguir discernir de alguna manera la diferencia de carga que se da en el
equipo terminal según su estado sea el de reposo o levantado.
Para ello se ha hecho uso de la diferencia de tensión en la línea telefónica, la
cual, como es normal, varía en función de la carga situada en su extremo, la cual la
introduce el teléfono.
A partir de estas variaciones en la alimentación en la línea, han sido calculados
los valores de las resistencias R21 y R22 con el fin de formar un divisor resistivo capaz
de adecuar los distintos valores de alimentación en la línea, a valores de tensión que el
microcontrolador pueda identificar como valores lógicos.
Como se indicó en la introducción teórica de este documento, la tensión de
alimentación impuesta en estado de reposo, estando el equipo terminal colgado, es
decir aproximadamente en circuito abierto, por la compañía telefónica es de 48 Voltios
de continua, teniendo en cuenta que posee un margen de ± 3 voltios.
Por el contrario en estado de línea tomada, es decir, estando el teléfono
descolgado, las características de la línea expuestas por Telefónica de España S.A.U.
únicamente imponen que se cumple la ley de Ohm: I = V/R.
En un principio no conocemos la caída de tensión en la línea en el momento en
el que se abre el bucle telefónico, se descuelga, pero teniendo en cuenta que la
resistencia aproximada correspondiente a un teléfono es de unos 600 Ω, y que la
intensidad consumida es de aproximadamente 2 mA, podemos llegar a la conclusión
teórica que la caída de tensión es aproximadamente de unos 12 Voltios.
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Esta aproximación teórica ha sido corroborada por medidas experimentales
realizadas previamente al diseño de este proyecto, de las cuales se extraían los
siguientes valores:
•
Tensión de alimentación medida en reposo:
•
Tensión de alimentación medida en estado activo: 10 V
40 V
Esta pequeña diferencia con respecto a los valores teóricos es debida
principalmente a que en estado de reposo el equipo terminal no representa exactamente
un bucle abierto sino que se puede aproximar por una resistencia muy elevada, además
de la caída de tensión sufrida en el bucle de abonado local del usuario.
Es por ello por lo que la caída de tensión es un poco menor en estado de reposo,
puesto que el equipo terminal inyecta algo de carga, a pesar de ser esta muy elevada.
La tensión en el estado en el que se encuentra el teléfono descolgado es
igualmente menor debido a que la resistencia inyectada por el bucle de abonado no es
nula.
Otro dato importante a tener en cuenta en los cálculos a realizar, es que la
alimentación que llega finalmente al equipo terminal, y donde se encuentra situado el
circuito de detección de estado telefónico, no es exactamente la que existe en la línea
telefónica exterior a la centralita y que acabamos de comentar; sino que previamente ha
debido pasar por el circuito explicado en el apartado anterior de alimentación telefónica.
Este circuito presenta a la línea una impedancia de entrada de 100 K Ω, muy alta
para consumir muy poco corriente de continua. Y por tanto, debido al elevado valor de
la resistencia de entrada, los valores obtenidos son muy inferiores a los existentes en la
línea telefónica exterior.
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Siendo estos:
•
Tensión de alimentación medida en estado de reposo, en el equipo
terminal conectado a la centralita:
•
27 V
Tensión de alimentación medida en estado de línea tomada, en el equipo
terminal conectado a la centralita:
5,2 V
A partir de estos valores de tensión es con los se ha estimado el valor de las
resistencias utilizadas, las cuales corresponden con unos valores de 100 KΩ y 470 KΩ
respectivamente, con las cuales se ha realizado el siguiente cálculo:
•
Caída de tensión en R22 en estado de reposo, tomando una tensión de
alimentación en el terminal de 27 V.
100 KΩ
⎛
⎞
⎜
⎟ • 27V = 4,8V
⎝ 470 KΩ + 100 KΩ ⎠
•
Caída de tensión en R22 estado de línea tomada, teléfono descolgado,
tomando una tensión de alimentación de 5,2V.
100 KΩ
⎛
⎞
⎜
⎟ • 5,2V = 0.81V
⎝ 470 KΩ + 100 KΩ ⎠
Por tanto, debido a que la caída en la resistencia R22 es la tensión que se conecta
al microcontrolador del sistema, este puede discernir entre los dos posibles estados en
los que se puede encontrar el terminal telefónico.
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Exactamente los valores obtenidos no son los niveles de alimentación utilizados
en el sistema, los cuales son tierra 0 Voltios y alimentación 5 Voltios, pero los márgenes
de ruido que posee el microcontrolador usado permite la perfecta identificación de
ambos valores como niveles lógicos alto y bajo respectivamente.
Estos valores vuelven a ser teóricos, pero los medidos de forma experimental en
la implementación realizada del proyecto, no distan en exceso de estos valores, siendo
prácticamente iguales a efectos del correcto funcionamiento del circuito. Las únicas
variaciones pueden darse como motivo de la tolerancia en los valores de las resistencias
utilizadas.
Otra apreciación tenida en cuenta en el momento de elección de los valores de
las resistencias utilizadas en el divisor resistivo es la de escoger valores muy altos de
estas, en relación con la impedancia que introduce un equipo telefónico.
El motivo es el de evitar distorsionar el valor de las tensiones existentes en dicho
terminal, puesto que este circuito se encuentran colocado en paralelo al terminal, y por
tanto cuanto mayor sea la resistencia que introduzca el circuito, menos será la variación
generada en la impedancia total de la unión en paralelo de esta con el muestreado
equipo terminal.
La colocación del diodo zener en paralelo junto con la resistencia R22 es debida
a que si por algún motivo la tensión en este elemento superase los cinco voltios de
tensión se podría dañar a la vez de evitar el buen funcionamiento del dispositivo
microcontrolador, por ello con el diodo obtenemos una estabilización del voltaje al
llegar a la tensión lógica alta, es decir 5 Voltios.
Por último el condensador C15 es utilizado para cuentear toda señal que no sea
continua, evitando que afecten al muestreo del estado telefónico de la extensión.
Además debido a que a este terminal va a llegar la señal de tono telefónico de llamada
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entrante, es imprescindible la colocación de este elemento para evitar sobretensiones en
el circuito microcontrolador.
Como ultima apreciación indicar que debido a que cada extensión que posee la
centralita telefónica posee su propio circuito de alimentación telefónica a la vez que su
correspondiente circuito de detección de estado telefónico, el levantamiento de un
terminal no afecta en otro circuito detector que no sea el suyo, pues están funcionando
de forma independiente.
4.3.8 CIRCUITO MICROCONTROLADOR
La función principal de una centralita telefónica es la de realizar de forma
automática la labor de conmutación de llamadas en un ámbito local. Esto sería
imposible realizarlo sin el uso de un circuito microcontrolador o algo más complejo en
su defecto que controle y accione todos los parámetros del sistema.
Por esta razón, imperativa para el desarrollo del sistema, en este proyecto ha sido
utilizado como circuito responsable del control de la centralita el modelo de
microcontrolador de la compañía Microchip PIC 16F877A.
Los microcontroladores PIC son usados de muy frecuentemente para el diseño
de una gran amplitud de sistemas electrónico, de echo son la familia de controladores
mas usados en el mercado, por lo que la documentación a la que se puede acceder sobre
el desarrollo de aplicaciones en los mismos es igualmente muy extensa.
Se ha escogido como modelo de microcontrolador, de entre la familia PIC, el
16F877A debido principalmente a la existencia de una placa de desarrollo y posterior
aplicación del mismo desarrollada por el departamento de Ingeniería Electrónica de la
Escuela de Ingenieros.
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Esta mencionada placa de desarrollo fue diseñada desde un principio como un
instrumento de apoyo para realizar futuras aplicaciones y proyectos sobre la misma.
Esta implementación utilizada posee además una muy versátil conectividad con
posibles dispositivos externos a la misma, a través de dos conectores para cables planos
de 20 hilos cuyos pines correspondes con los bits de los distintos puertos que posee el
microcontrolador.
Otro elemento que ha sido muy importante en el desarrollo de este proyecto es la
posibilidad de poder programar el dispositivo microcontrolador muy fácilmente , puesto
que la placa utilizada posee ya establecido el conexionado necesario para realizar dicha
función, a la vez que utiliza un conector DB-25 para establecer la comunicación con el
Ordenador utilizado para su programación.
Esta facilidad de programación del microcontrolador ha permitido una mucho
mas fácil depuración de la implementación del proyecto, puesto que se han podido
realizar muy diversos códigos para programar el dispositivo cada uno con el fin de
comprobar el buen funcionamiento por separado de cada uno de los circuitos diseñados,
y anteriormente explicados en esta memoria, para la realización de la centralita.
Otra facilidad adicional permitida por el uso de esta placa de desarrollo para el
microcontrolador es la existencia de un display LCD muy fácilmente controlable desde
el micro
En esta pantalla, mediante una correcta programación, se puede observar, con
cortas indicaciones de texto el proceso de funcionamiento de la centralita, pudiendo de
esta forma facilitar la depuración de posibles errores en el código.
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A continuación se muestra una imagen de la placa de desarrollo utilizada.
Imagen 1: Placa de desarrollo del microcontrolador 16F877A
Como se indicó anteriormente otro elemento usado en la implementación del
proyecto ha sido el display LCD controlado por el microcontrolador, a continuación se
muestra una imagen del mismo.
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Imagen 2: Display LCD de la placa de desarrollo utilizada
Entre otros aspectos a comentar de la placa de desarrollo utilizada hay que
mencionar la facilidad que presenta para poder alimentar al resto del diseño de la
centralita a partir de la tensión de alimentación con la que trabaja dicha placa.
Esto es así debido a que en los dos conectores utilizados para intercomunicar el
dispositivo microcontrolador con el resto del sistema, a trabes de los cuales se utilizan
los distintos bits de los puertos del micro, existen igualmente dos pines correspondientes
con la tensión de alimentación, en este caso 5 Voltios, y con el terminal de tierra
respectivamente.
Incluso existe un pin del primer conector que corresponde con la alimentación
de la placa antes de ser estabilizada por el LM7805, y que equivale a una tensión de 12
voltios aproximadamente, según sea el transformar utilizado.
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Este pin ha sido utilizado para obtener la alimentación que ha sido
proporcionada al amplificador operacional utilizado en el diseño para la amplificación
del mensaje de voz pregrabado. El cual necesitaba una alimentación superior a 8 Voltios
para su correcto funcionamiento.
Del resto de elementos que componen la placa no se va a hacer mención en este
documento, puesto que no han sido diseñados en este proyecto y únicamente han sido
utilizados para lograr el correcto funcionamiento del sistema.
A continuación se muestra un esquema del patillaje del microcontrolador
utilizado, en el cual se puede observar la presencia de cinco buses de propósito general,
nombrados desde la A hasta la E consecutivamente, los cuales han sido utilizados en el
desarrollo de este proyecto.
Figura 15: Patillaje del microcontrolador PIC16F877A
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Estos cinco buses mencionados corresponden con treinta y dos pines de
propósito general, de los cuales han sido utilizados únicamente dieciocho de los
mismos.
En la siguiente tabla se muestran los bits de los puertos utilizados, y su
correspondiente funcionalidad.
PUERTO/BIT
A0
SENTIDO
Entrada
FUNCIONALIDAD
Señal Q2 proveniente del circuito detector de
tonos DTMF
A1
Entrada
Señal Q3 proveniente del circuito detector de
tonos DTMF
A2
Entrada
Señal Q1 proveniente del circuito detector de
tonos DTMF
A3
Entrada
Señal Std proveniente del circuito detector de
tonos DTMF
A5
Salida
Señal C E de control de reproducción de
locución de voz
C1
Entrada
Señal indicativa de la existencia de una
llamada entrante
C2
Salida
Control del Relé de alimentación telefónica de
la tercera extensión
D0
Entrada
Señal de detección de descuelgue de la tercera
extensión
D1
Salida
Control del Relé del tono telefónico de la
segunda extensión
D2
Salida
Control del Relé de alimentación telefónica de
la primera extensión
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D3
Salida
91
Control del Relé de alimentación telefónica de
la segunda extensión
D4
Salida
Señal de generación de tono telefónico
D5
Salida
Señal de generación de tono telefónico
D6
Salida
Control del Relé del tono telefónico de la
tercera extensión
D7
Salida
Control del relé de toma de línea telefónica
E0
Salida
Control del Relé del tono telefónico de la
primera extensión
E1
Entrada
Señal de detección de descuelgue de la
segunda extensión
E2
Entrada
Señal de detección de descuelgue de la primera
extensión
Tabla 7: Pines del microcontrolador utilizados
El puerto B del microcontrolador ha sido utilizado para la conexión y
funcionamiento de la pantalla LCD del circuito microcontrolador.
Como se puede observar únicamente han sido utilizados 26 pines de los 33
disponibles para propósitos generales. Este hecho ha sido posible así gracias a que
durante todo el proceso de diseño de la centralita siempre se ha intentado simplificar al
máximo esta utilización de pines del microcontrolador, con el fin de facilitar la
implementación del mismo, a la vez de hacerlo mas eficiente.
Un dato que se puede remarcar sobre el microcontrolador utilizado, es que no es
requerido su uso de forma obligatoria, sino que ha sido elegido gracias a que se tenía
disponible una placa de desarrollo del mismo.
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92
Otro apartado muy importante a comentar sobre el funcionamiento de este
apartado del proyecto, es la programación del microcontrolador que se ha llevado a cabo
para la implementación de la centralita.
Cabe mencionar que el código que se mostrará en este documento, en el Anexo
I, no es el único realizado en el transcurso del desarrollo del proyecto, sino que para la
comprobación del buen funcionamiento de todos los subcircuitos en los que se puede
dividir este proyecto, se ha desarrollado un programa específico para cada uno de ellos,
el cual muchas veces ha sido incluido en el código final como parte de él.
Otra de las ventajas de la utilización de un microcontrolador PIC es la ayuda que
proporciona el fabricante Microchip para su depuración y desarrollo, especialmente
mediante herramientas software gratuitas muy avanzadas y que presentan una muy alta
utilidad.
Para ello se ofrece como software de desarrollo integrado el programa MPLAB,
mediante el cual se ha desarrollado el código de programación de este proyecto.
El MPLAB incorpora todas las utilidades necesarias para la realización de
cualquier proyecto y, para los que no dispongan de un emulador, el programa permite
editar el archivo fuente en lenguaje ensamblador de nuestro proyecto, además de
ensamblarlo y simularlo en pantalla, pudiendo ejecutarlo posteriormente en modo paso
a paso y ver como evolucionarían de forma real tanto sus registros internos, la memoria
RAM y/o EEPROM de usuario como la memoria de programa, según se fueran
ejecutando las instrucciones.
Además el entorno que se utiliza es el mismo que si se estuviera utilizando un
emulador.
Por último comentar que la versión utilizada para el desarrollo del código ha
sido la última existente en el mercado, la versión 6.4.
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93
Además del programa MPLAB ya mencionado se ha utilizado de forma conjunta
a este el compilador CC5X, lo cual ha hecho posible que la programación del código del
sistema a realizar no halla tenido que ser diseñada en lenguaje ensamblador, sino que
mediante el uso de este compilador se ha podido realizar dicha programación en un
lenguaje de mayor nivel, en este caso en lenguaje C.
La utilización del lenguaje C para la elaboración del código del proyecto ha
permitido una mucho más fácil etapa de depuración y desarrollo, puesto que el
desarrollo de un programa en C es bastante mas simple que en lenguaje ensamblador,
acortando así el tiempo que se ha usado para lograr tal labor.
El único problema que puede presentar para la utilización del lenguaje C en la
programación de un microcontrolador es el de que no se obtiene una optimización
máxima de la aplicación a desarrollar, puesto que la compilación nunca será tan exacta
como el desarrollo del código por un programador.
Pero este problema comentado no posee relevancia alguna en este proyecto
puesto que si bien la optimización del código no es la máxima, tampoco es preciso
obtenerla, puesto que al ser un sistema que interactúa con personas físicas, el tiempo de
respuesta de la centralita siempre será mucho mayor al requerido por un usuario, a pesar
de que este tiempo no sea el mínimo posible.
Se puede mostrar como ejemplo que el tiempo requerido por el microcontrolador
para muestrear si un teléfono ha sido descolgado o no, y en caso afirmativo, actuar
sobre el relé que le conecta a la línea telefónica exterior es siempre mucho menor al
tiempo requerido por un usuario para levantar el auricular y acercárselo a la oreja con el
fin de escuchar el tono telefónico de línea.
Una vez el código ha sido desarrollado mediante el software anteriormente
descrito, el proceso de grabación de dicho código en el microcontrolador ha sido
realizado gracias al programa de libre distribución ICPROG.
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94
Este programa permite la grabación de un código ya ensamblado, en lenguaje
hexadecimal, en la gran mayoría de los microcontroladores de la familia PIC.
Su manejo es muy simple y únicamente se han debido variar unos pocos
parámetros de su configuración para poder compatibilizarlo con la placa de desarrollo
utilizada en este proyecto.
Una de estas modificaciones se puede comentar que es la inversión de la señal
MCLR para que la grabación del micro se desarrolle de manera satisfactoria.
El código desarrollado se muestra en el Anexo I posterior de esta memoria.
Como se puede observar en el mismo, su implementación sigue como parámetro el
pseudocodigo comentado en el apartado de funcionalidad de la centralita, al comienzo
de esta memoria.
4.3.9 CIRCUITO DE CONMUTACIÓN
Esta división del proyecto no es un circuito independiente con una funcionalidad
definida dentro del mismo, como los explicados en los apartados anteriores.
Este circuito es utilizado en muy repetidas veces dentro del diseño del sistema y
a pesar que en cada caso posee una funcionalidad diferente, básicamente en el fondo
siempre realiza la misma acción , la cual es la de conmutar entre dos posiciones
distintas.
Esta conmutación es realizada para obtener una conexión distinta a la que se
poseía inicialmente de la entrada.
En definitiva, este circuito se encarga de conectar su entrada a dos posibles
salidas diferenciadas entre sí, y a su vez poder conmutar entre ellas en cualquier preciso
instante.
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95
El esquema del circuito diseñado para realizar esta mencionada funcionalidad es
el siguiente.
Figura 16: Circuito de conmutación
Como se puede observar la conmutación o variación de posición se realiza a la
vez para dos conexiones de entrada, esto es así debido a que las situaciones, que
posteriormente se relatarán, en las que se ha utilizado este diseño, ha sido preciso la
obtención de la conmutación de una entrada diferencial (como puede ser una línea
telefónica de dos hilos) hacia dos posibles conexiones igualmente diferenciales.
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96
Los elementos que componen el circuito son los siguientes:
a) El relé es el elemento fundamental del diseño y sobre el que se basan los
demás componentes del mismo.
El modelo utilizado es el serie 30 del fabricante Finder. Este modelo ha sido
escogido debido a que cumple con todas las características requeridas para el mismo
-
Posee entrada y salidas antes la que puede conmutar, ambas con dos
conexiones cada una.
-
La corriente máxima admisible es de 2 Amperios, suficiente para el
funcionamiento del proyecto.
-
Su tensión de alimentación es de 5 Voltios, la misma utilizada en la gran
mayoría del sistema.
De entre los distintos elementos que se pueden utilizar para la realización de la
conmutación, ha sido escogida la utilización de un relé debido principalmente a que las
tensiones que existen en las líneas a conmutar son muy altas, como ejemplo se puede
tomar la línea telefónica que posee una tensión de continua de unos 45 Voltios
aproximadamente.
Además este relé escogido posee una tensión máxima admisible en sus
conexiones de 250 Voltios, muy superior a la que se va a aplicar en ellas, siendo las
tensiones existentes en la línea telefónica las que presentan mayor amplitud.
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97
Un esquema descriptivo del modo de funcionamiento del relé utilizado es el
siguiente:
Figura 17: Esquema del relé utilizado
b)
Con el fin de conseguir la conmutación del relé antes mencionado ha sido
necesario el uso de un circuito de acondicionamiento, capaz de proporcionar suficiente
energía al mismo para conseguir su accionamiento.
Para poder aplicar esta potencia necesaria al relé se ha utilizado el transistor Q
con montaje en emisor común, el cual es capaz de aplicar en el relé suficiente intensidad
como para obtener su conmutación.
El modelo elegido de transistor es el 2N222A por su elevada utilización en el
mercado, el cual es muy fácilmente obtenible a la vez que cumple con los
requerimientos necesarios para esta aplicación.
La resistencia se utiliza para poder aplicar la tensión en el transistor antes
mencionado por parte del microcontrolador y el diodo 1N4148 utilizado posee la labor
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98
de absorber las posibles corrientes inversas generadas por el relé en el proceso de su
conmutación.
La tensión aplicada a su entrada mediante la cual el relé varía su posición son 5
Voltios, que es la alimentación del sistema, y debido a la cual ha sido escogido el
modelo del conmutador a utilizar.
Una vez explicados los componentes de este circuito, a continuación se indicará
las diversas posiciones y utilizaciones que del mismo se han realizado en el diseño de la
centralita.
a)
Ha sido utilizado este montaje para conmutar la línea telefónica en el
circuito de aislamiento y toma de línea comentada anteriormente en esta memoria.
En esta ubicación su función es la de conmutar la línea telefónica de entrada
entre una primera posición de reposo en la que no se encuentra conectado a ningún
elemento y el circuito antes mencionado, consiguiendo la toma de la línea en esta
acción.
b)
Esta segunda ubicación es repetida en todas las extensiones de la
centralita diseñada, en este caso tres. Su función es la de conmutar la salida telefónica
de una extensión del sistema entre el circuito encargado de la generación del tono
telefónico y la línea telefónica de entrada a la centralita.
Por tanto su labor es la de aislar eléctricamente la línea telefónica externa con
el tono de llamada entrante generado en el sistema, para indicarle a una extensión del
mismo la existencia de una comunicación hacia él.
c)
La tercera y última ubicación al igual que la anterior, se encuentra
repetida por cada extensión telefónica de la centralita, es decir en tres ocasiones.
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99
Su funcionalidad dentro del sistema es la de conmutar la línea telefónica de
entrada hacia una extensión interna del sistema, conectando así al usuario con el
exterior, ya sea en una comunicación entrante o en el proceso de realización por él de
una llamada.
En estado de reposo comunica la extensión interna con el circuito de
alimentación telefónica antes comentado, con el fin de poder monitorizar el estado del
equipo terminal en todo momento.
Mediante este circuito de aislamiento entre el usuario de la centralita y la línea
telefónica exterior se consigue que al recibir una comunicación entrante no suenen todos
los equipos terminales, puesto que se encuentran independizados de la línea telefónica
mediante el uso de este circuito.
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100
4.4 ESQUEMA GLOBAL DEL PROYECTO
Una vez comentadas todas las partes en las que ha sido dividido el diseño de la
centralita. A continuación será mostrado el esquema general de la centralita diseñada.
Debido a el voluminoso numero de componentes k forman el diseño se han
realizado dos esquemáticos diferentes.
En el primero se muestra los componentes que forman el circuito de detección
de llamada entrante, el circuito encargado de la ocupación de la línea telefónica, el
circuito que realiza la demodulación de los tonos DTMF recibidos por el sistema y por
último el circuito encargado de la grabación y reproducción del mensaje de voz de la
centralita.
Esta elección de estos circuitos ha sido realizada debido a que es la que
igualmente se ha realizado en la implementación física del proyecto.
En definitiva a continuación se muestra el esquema de los circuitos
implementados en la primera placa desarrollada del proyecto. La cual va conectada a la
línea telefónica exterior mediante un conector RJ-11, a la placa de desarrollo del
microcontrolador y por último a la segunda placa desarrollada.
Cabe mencionar que las conexiones con el microcontrolador se indican mediante
el bit y puerto correspondiente al que van unidas cada una.
Debido a su elevado tamaño este esquema que ahora se muestra en formato
reducido, es posteriormente mejor expuesto en el anexo final de este documento.
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Figura 17: Esquemático de la primera placa desarrollada
A continuación será mostrado el esquemático que integra todos los componentes
ubicados en la segunda placa desarrollada en este proyecto.
En ella se localizan los conectores externos de las tres extensiones que posee la
centralita diseñada. Debido a esto en esta placa se encuentran todos los componentes
que deben poseer una unión directa con dichos conectores.
Por ello se integran en esta placa el circuito de generación de tono de
señalización, los tres de alimentación del terminal( uno por cada extensión), los tres de
monitorización del estado del terminal y por último los circuitos ce conmutación.
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El esquemático realizado para la implementación de este segunda placa de la
centralita ha sido el siguiente.
Figura 18: Esquemático de la segunda placa desarrollada
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5
103
IMPLEMENTACIÓN
Una vez realizado el diseño de todas las partes que configuran la centralita, las
cuales han sido explicadas anteriormente en esta memoria, los siguientes pasos en la
realización del proyecto han sido la implementación física del mismo y la posterior
comprobación de su correcto funcionamiento.
Toda la implementación del proyecto se ha realizado sobre placas perforadas
debido a las múltiples modificaciones que han sido necesarias a lo largo del desarrollo
del proyecto con el objetivo de su depuración.
Los componentes utilizados son, como es normal, los indicados en el diseño del
proyecto, al igual que los dispositivos integrados utilizados. Pero además de estos
elementos han sido necesarios conectores no mencionados anteriormente, con el fin de
poder conectar todas las placas que son utilizadas en el montaje final.
Los conectores utilizados son los siguientes:
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104
a) El conector telefónico RJ-11
Para la conexión del proyecto con la línea telefónica y con los equipos
terminales localizados en las tres extensiones del mismo se ha utilizado el
conector RJ-11 hembra de cuatro pines y dos conexiones.
Este es un conector que posee 4 pines para su conexión pero de los cuales
únicamente han sido utilizados dos de ellos con el fin de conectarse a una única
línea telefónica, que consta de dos hilos. Estos dos pines son los centrales del
conector, quedando por tanto los dos de los extremos sin utilizar.
b) Conector para cable plano de 20 hilos
Como se indicará posteriormente para la realización del diseño realizado
ha sido necesaria la división del proyecto en dos placas distintas, puesto que
resultaba imposible toda la implementación en una única placa debida a su
mayor tamaño que estas.
Para conectar ambas placas entre sí y estas a su vez con la placa de
desarrollo del microcontrolador, se han utilizado cables planos de 20 hilos. Esta
elección ha sido debida a que estos cables ya eran usados en el circuito
microcontrolador, y por tanto obtenemos compatibilizar todas las uniones.
De estas conexiones entre placas no todos los pines son utilizados, sino
que únicamente los necesarios son usados, mientras que el resto no se
conexionan.
Las conexiones entre los distintos componentes que confeccionan el diseño han
sido realizadas mediante la soldadura directa entre estos, puesto que las placas
perforadas utilizadas lo permitían.
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105
En la implementación del proyecto se han realizado dos placas diferenciadas,
debido a que por su tamaño resulto imposible la fabricación de una única placa.
En la primera placa se localizan el circuito de detección de llamada entrante, el
de toma de la línea telefónica, el decodificador de tonos DTMF y el encargado de la
grabación y reproducción de la locución de voz.
A su vez esta se encuentra conectada a la segunda placa donde se localizan el
resto de circuitos, al igual que con la placa de desarrollo del microcontrolador utilizada,
a la cual se conecta a través de dos uniones diferenciadas. Por último esta primera placa
posee el conector para la unión del proyecto con la línea telefónica exterior.
Una imagen de la placa desarrollada es la siguiente.
Imagen 3: Implementación de la primera placa de la centralita
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La segunda placa desarrollada engloba todos los circuitos que directa o
indirectamente van conectados a los equipos terminales finales conectados en las tres
extensiones de la centralita. Siendo estos el circuito de monitorización de estado
telefónico, el circuito de alimentación telefónica y el circuito de generación de tono
telefónico.
Esta placa a su vez se encuentra conexionada con la primera placa, con el fin
poder unir esta segunda tanto al circuito microcontrolador como a la línea telefónica
exterior. Por tanto la primera placa hace a su vez de puente para esta.
Otras conexiones que posee esta segunda placa son los tres conectores
telefónicos RJ-11, los cuales corresponden cada uno con una extensión de la centralita,
y a los cuales se debe conectar los equipos terminales a utilizar
Imagen 4: Implementación de la segunda placa de la centralita
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Esta división del proyecto en la que para su implementación se han realizado
dos placas independientes, es así con el objetivo de simplificar las conexiones y poder
independizar la parte de la centralita cuya función es relacionada con la línea telefónica
exterior y la parte de la centralita encargada de las funciones relacionadas con las tres
extensiones de la misma.
Para la utilización del proyecto realizado, este debe encontrarse alimentado por
un transformador de voltaje superior a 12 voltios que se conexiona con la placa de
desarrollo del microcontrolador a través de su conector.
Y por último se muestra todas las placas desarrolladas y utilizadas en este
proyecto conectadas entre si, definiendo así la implementación final para el
funcionamiento de la centralita.
Imagen 4: Implementación global de la centralita
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108
CONCLUSIONES
Con el diseño realizado en este proyecto, para la implementación de la centralita,
se han conseguido satisfacer todas las especificaciones impuestas como objetivos para
este proyecto.
Se ha logrado permitir la ejecución de llamadas por parte de los usuarios hacia el
exterior si que estos deban realizar ninguna acción diferente a la realizada en una
comunicación normal.
•
Para ello la centralita detecta de forma automática, observando la
variación en la impedancia del equipo terminal, el momento en el que un
usuario cuelga o descuelga el teléfono, desconectando o conectando
respectivamente al usuario a la línea telefónica externa mediante la
conmutación de un relé.
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109
La centralita reacciona ante una comunicación externa de forma automática,
intercomunicándose con ella y conmutando esta hacia la extensión destino elegida por el
usuario.
•
Esta especificación es conseguida mediante la utilización de la gran
mayoría de su circuitería, primero la centralita detecta la llamada
entrante, responde ante ella ocupando la línea, a continuación reproduce
el mensaje de recepción, detecta mediante los tonos DTMF la extensión
destino, introduce un tono de llamada entrante en el teléfono elegido y
por último al ser este levantado comunica ambos extremos de la
comunicación.
La privacidad en las comunicaciones se incluyo como especificación necesaria
en el proyecto y gracias al sistema de conexionado a la línea telefónica externa mediante
el uso de relés esta cualidad es perfectamente aplicable al proyecto.
Otra cualidad necesaria que también cumple este proyecto es que es fácilmente
programable, por parte del usuario, del mensaje emitido ante la recepción de una
llamada entrante, consiguiendo así poder personalizar este proyecto para diversas
localizaciones donde se desee utilizar el mismo por parte del usuario.
Esto se consigue gracias a un sistema muy sencillo de ubicación de jumpers, el
cual permite únicamente pulsando un botón poder grabar la locución deseada por el
usuario.
También muy importante es que debido a que se debe conectar a una red
externa, en este caso la Red Telefónica Básica, e ínter funcionar con ella, se han
cumplido en todo momento las especificaciones impuestas por dicha red para la
conexión de un elemento externo a ella. Es decir el proyecto se ha realizado de forma
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110
que sea perfectamente compatible con la red a la que debe estar conectado para su
funcionamiento.
Como última conclusión del proyecto cabe mencionar que a pesar de que la
funcionalidad de la centralita es muy alta, se ha logrado dicho objetivo obteniendo un
diseño sencillo, que resulta fácilmente implementable y que a la vez es económicamente
muy viable.
Por tanto, y como conclusión final, se ha diseñado e implementado una centralita
que es capaz de realizar todas las funcionalidades requeridas a un sistema de este estilo,
que funciona correctamente y que es a la vez muy fácilmente implementable gracias a
su relativa simplicidad.
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ANEXO I
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO I
CÓDIGO FUENTE DEL PROYECTO
#pragma chip PIC16F877A
#include <int16cxx.h>
#define CP_off |= 0x3F30
#pragma config CP_off, WDTE=off, FOSC=HS, BODEN=off, PWRTE=off
interrupt
int_server(void)
{
int_save_registers
// W, STATUS (and PCLATH)
int_restore_registers
// W, STATUS (and PCLATH)
}
void delay(uns8 ms)
{
TRISB=0b11111111; // salva corrientes
while (ms != 0) {
TMR0=235; // falta 20 ciclos
T0IF = 0;
while(T0IF == 0) ;
ms--;
}
TRISB=0b00000001;
}
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ANEXO I
void lcd_byte(uns8 cmd, char ischar)
{
uns8 tmpcmd;
tmpcmd = cmd;
tmpcmd = tmpcmd >> 3;
tmpcmd = tmpcmd & 0b00011110;
tmpcmd.5=ischar;
PORTB=tmpcmd;
pulse_e();
cmd = cmd << 1;
cmd = cmd & 0b00011110;
cmd.5=ischar;
PORTB=cmd;
pulse_e();
delay(5);
}
void lcd_init(void)
{
delay(100);
lcd_byte(0x20,0);
lcd_byte(0x28,0);
lcd_byte(0x06,0);
lcd_byte(0x0d,0);
// lcd_clr
lcd_byte(0x01,0);
}
void io_lcd(void)
{
// LCD IO
//OPTION.7=1;
// R pull-up desactivadas (bit 7)
PORTC.5=1;
TRISB=0;
}
void io_tec(void)
{
// LCD IO
OPTION.7=0;
// R pull-up activadas (bit 7)
TRISB=0b00011111;
PORTC.5=0;
}
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ANEXO I
void
lcd_putu8(uns8 num)
{
char buf[4];
int i = 0;
do {
uns8 c;
c = num % 10;
c += '0';
buf[i] = c;
i++;
num /= 10;
}
while (num != 0);
while (i > 0) {
i--;
lcd_byte(buf[i],1);
}
}
void lcd_puts(const char *ch)
{
while(*ch) {
lcd_byte(*ch, 1);
ch++;
}
}
void main(void)
{
uns8 ma, mb, mc, md;
uns8 xa, xb, xc, xd;
OPTION=0b10000111;
// R pull-up desactivadas (bit 7), (prescaler 1/256)
TRISB=0b00000001;
TRISC=0b11010010;
TRISD=0b00000001;
TRISE=0b00000110;
TRISA=0b11011111;
// sentido de los pines de cada pueto
T1CON=0b00100000;
INTCON=0b11000000;
PIE1=0b00000000;
PORTA.5 = 1;
PORTE=0;
//TMR1ON=1
// habilita interrupciones en generasl
// deshabilita interrupcion timer 1
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ANEXO I
PORTD=0;
ADCON1=0b00000110;
CCPR2L = 1; dir = 1;
T2CON = 0b0000.0100;
// todas entradas del puerto A digitales
// POST 2, pre 1, on
ma=200;mb=200;mc=200;md=200;
xa=0;xb=0;xc=0;xd=0;
io_lcd();
lcd_init();
CCP2CON = 0b00111100;
PR2= 0b11111111;
uns8 i, t;
uns8 a, b, c, d, e;
TMR1ON= 0;
// no arranca el tiumer 1 inicialmente
io_lcd();
lcd_byte(0x80,0);
while (1) {
// bucle general
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("reposo ");
//estado de REPOSO inicial
if (PORTC.1 == 0)
// hay llamada entrante
{
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("LLAMADA ENTRANTE");
PORTD.7=1;
PORTA.5 = 0;
delay(5);
PORTA.5 = 1;
// abro rele descuelge
// la interlocución de voz se activa
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("SONANDO VOZ GRAB");
a=0;
while ( PORTA.3 == 0); // portA.3 = stD espero a k halla un tono valido
a= PORTA.2;
if (PORTA.0 == 1)
{
a = a + 2;
}
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ANEXO I
if (PORTA.1 == 1)
{
a = a + 4;
}
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("NUMERO MARCADO ");
lcd_putu8(a);
// a es el telefono destino
PORTD.7=0; // corto rele de entrada
e = 10;
while (e != 0){
/ bucle para responder a la llamada
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("GENERANDO TONO");
lcd_putu8(a);
if (a == 1)
{
PORTE.0= 1;
}
if (a == 2)
{
PORTD.1= 1;
}
else
{
PORTD.6 =1;
}
// si se llama a la extension 1
//conecto rele al generador
// si se llama a la extension 2
//conecto rele al generador
// si se llama a la extension 3
//conecto rele al generador
b=127;
c=10;
TMR1ON= 1;
// arranco el contador
while ( c !=0) // bucle para hacer el tono durante un segundo y medio
{
if (TMR1IF) {
TMR1H= 0xFB;
// 25 Hz
TMR1L= 0xBB;
TMR1IF = 0;
if (PORTD.4 == 1)
// genero la señal
{
PORTD.4 = 0;
PORTD.5 = 1;
}
else{
PORTD.4 = 1;
PORTD.5 = 0;
}
b--;
}
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}
ANEXO I
if (b == 0){
c--;
b= 127;
}
// fin tono telefónico ( UN RING INDIVIDUAL)
TMR1ON= 0; // PARA el timer 1
PORTD.4 = 0;
PORTD.5 = 0;
delay(10);
PORTE.0= 0; // desconecto rele de generación de tono
PORTD.1= 0;
PORTD.6= 0 ;
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("ESPERANDO");
d = 127;
while (d != 0){
//BUCLE DE ACCION ENTRE TONOS
TMR0=1; // falta 254 ciclos
T0IF = 0;
while(T0IF == 0)
{
if (a == 1)
{
if ( PORTE.2== 0) // SI DESCUELGA EL USUARIO 1
{
PORTD.2 = 1; // SE CONECTA
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("hablando 1");
PORTD.7 = 0;
while ( PORTE.2 ==0); // ESPERO A EL FIN
PORTD.2 = 0;
// SE CUELGA
e = 1;
d = 1;
}
}
if (a == 2)
{
if ( PORTE.1== 0)
{
PORTD.3 = 1; // conecto ambos usuarios
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("hablando 2");
PORTD.7 = 0;
while ( PORTE.1 ==0);
// esperao a k se se acabe la comunicación
PORTD.3 = 0;
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Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO I
e = 1;
d = 1;
}
}
if (a == 3)
{
if ( PORTD.0== 0)
{
PORTC.2 = 1;
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("hablando 3");
PORTD.7 = 0;
while ( PORTD.0 ==0);
PORTC.2 = 0;
e = 1;
d = 1;
}
}
}
d--;
}
e--;
}
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("reposo");
PORTD.7 = 0;
}
if ( PORTE.2 == 0)
{
// fin proceso de recepción de llamada
// USUARIO 1 QUIERE LLAMAR
PORTD.2 = 1; // LO CONECTO A LA LINEA
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("llamando 1");
while ( PORTE.2 == 0); // ESPERO EL FIN DE LA COMUNICACIÓN
PORTD.2 = 0;
// volvemos a reposo
}
else
{
if ( PORTE.1 == 0)
{
// USUARIO 2 QUIERE LLAMAR
PORTD.3 = 1;
lcd_byte(0x80,0);
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Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO I
lcd_puts("llamando 2 "); // LO CONECTO A LA LINEA
while ( PORTE.1 == 0);
PORTD.3 = 0;
// volvemos a reposo
}
else
{
if ( PORTD.0 == 0)
{
// USUARIO 3 QUIERE LLAMAR
PORTC.2 = 1;
lcd_byte(0x80,0);
lcd_puts("llamando 3"); // LO CONECTO A LA LINEA
while ( PORTD.0 == 0);
PORTC.2 = 0;
// volvemos a reposo
}
}
}
}
}
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Proyecto Fin de Carrera
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ANEXO II
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO II
ESQUEMÁTICOS DEL PROYECTO
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Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO II
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ANEXO III
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
ANEXO III
PRESUPUESTO ORIENTATIVO
CONCEPTO
UNIDADES
PRECIO
PRECIO TOTAL
UNITARIO
MT8870D
4N35
ISD2590
OPA548T
L293D
Relé Finder U14
Transformador 600Ω
Transformador 15-220
Resistencia
Condensador cerámico
Condensador
electrolítico
Diodo 1N4148
Diodo Zener 5V
Oscilador 3,579 MHz
Transistor 2N222A
Potenciómetro 10KΩ
Zócalo
Micrófono cerámico
Conector RJ-11
Cable plano 20 hilos
Conector cable plano
Placa perforada
1
1
1
1
1
7
1
1
32
11
12
9€
0,15 €
10 €
1,5 €
2€
2,5 €
1,2 €
4€
0,02 €
0,05 €
0,06 €
9€
0,15 €
10 €
1,5 €
2€
17,5 €
1,2 €
4€
0,64 €
0,55 €
0, 70 €
36
5
1
7
1
10
1
4
1
6
2
0,03 €
0,03 €
0,50 €
0,10 €
0,15 €
0,20 €
0,45 €
0,25 €
2,5 €
0,5 €
3,5 €
1,08 €
0,15 €
0,50 €
0,70 €
0, 15 €
2€
0,45 €
1€
2,5 €
3€
7€
COSTE TOTAL:
65,75 €
Este presupuesto no contiene los materiales de laboratorio utilizados para la
implementación del proyecto, estaño por ejemplo, ni el equipamiento utilizado para su
diseño, por ejemplo el osciloscopio.
Asimismo, no se incluye en este presupuesto el coste de la placa de desarrollo
del microcontrolador PIC16F877A puesto que ya se encontraba disponible en el
departamento.
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Proyecto Fin de Carrera
Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
BIBLIOGAFÍA
BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA
•
ITE_CA-001-V05: CARACTERÍSTICAS TECNICAS DE LAS INTERFACES
DE TELEFÓNICA DE ESPAÑA, S.A.U.
Telefónica de España S.A.U. Septiembre 2004.
•
MSAN-108 APPLICATION NOTE: APPLICATIONS OF THE MT8870D.
Zarlink Semiconductor. Octubre 2000.
•
CMOS MT8870D: INTEGRATED DTMF RECEIVER.
Zarlink Semiconductor. Marzo 1999.
•
ISD 2590: SINGLE CHIP VOICE RECORD/PLAYBACK.
Chipcorder. Abril 1998.
•
OPTICALLY COUPLED ISOLATOR PHOTOTRANSISTOR OUTPUT.
ISOCOM Components. Marzo 1999.
•
GENERAL PURPOSE 6-PIN PHOTOTRANSISTOR OPTOCOUPLERS.
Fairchild Semiconductor. Mayo 1999.
•
OPA548:
HIGH-VOLTAGE,
HIGH-CURRENT
OPERATIONAL
AMPLIFIER.
Burr-Brown Corporation. Octubre 1997.
•
L293D: QUADRUPLE HALF-H DRIVERS
Texas Instruments. Noviembre 2004
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Proyecto Fin de Carrera
Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla
Diseño e implementación de una centralita telefónica analógica
•
PIC16F87XA
DATA
SHEET:
40/44
–
PIN
BIBLIOGAFÍA
ENHANCED
FLASH
MICROCONTROLLERS.
Microchip technology. Febrero 2003
•
ETS 46 – 02 E: PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK (PSTN);
MULTIFREQUENCY SIGNALLING SYMTEM TO BE USED FOR PUSH
BUTTON TELEPHONES.
ETSI. Septiembre 1995
•
ETSI EG 201 188 V.1.2.1:PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK
(PSTN);
SPECIFICATIONS
OF
PHYSICAL
AND
ELECTRICAL
CHARACTERISTICS AT A 2-WIRES ANALOGUE PRESENTED NTP FOR
SHORT TO MEDIUM LENGTH LOOP APPLICATIONS
ETSI. Enero 2001
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