用户线接口芯片LE88221的原理及应用

0 引言
    LE88221是Legerity公司生产的一款双通道用户线接口芯片。该片内自带铃流产生器、DTMF信号产生器、FSK信号及各种音频信号产生器。芯片的交流参数(包括接口阻抗，四线平衡，收发增益及频率响应等)和直流参数(包括短路电流，开路电压，摘挂机门限等)均可编程设置，故能满足全球用户的要求。目前该器件以其外围电路简单、使用方便而被广泛用于智能小区楼宇对讲系统和VOIP语音传输系统的设计中。

1 LE88221的内部结构及管脚功能
    LE88221器件内部包含有PLL电路，可用以产生内部信号处理电路、数字接口电路、系统状态检测与处理电路以及用户线高压驱动等电路所需的时钟信号。LE88221内部主要由PCM语音数据接口单元、微处理器接口单元、输入输出单元、语音信号处理单元、音频信号产生单元、系统状态控制及监控单元、用户线高压驱动模块及DC-DC驱动控制单元等组成。图1所示是LE88221的内部组成框图。

    LE88221中的PCM语音数据接口单元用于提供语音数据的高速交换通路，且语音数据的收、发时隙均可编程。PCM语音接口单元主要包含如下引脚：
    FS，帧同步信号。高电平表示一帧语音数据传输的开始，频率为8 kHz，所有语音数据的收发时隙均以此为基准来分配；
    PCLK，串行移位时钟。它的速率决定了语音数据串行移位的速率。其频率为芯片C6命令字中定义的值。
    DXA和DRA，分别为数字化语音数据串行发送和串行接收引脚。
    LE88221中的PCM语音数据接口的工作时序如图2所示。

    微处理器接口(MPI)接口单元提供有外部主机与芯片的串行接口。通过此串行接口，用户的控制命令及信息便可以通过主机写入到LE88221内部的各寄存器，同时，LE88221的内部状态也可通过此接口传递给外部主机。MPI接口主要包括如下引脚：
    DIN，串行数据输入引脚；
    DOUT，串行数据输出引脚；
    CS，芯片片选引脚；[!--empirenews.page--]
    DCLK，串行移位时钟。串行数据以8位命令字数据为起始码，其后可能包含若干个输入数据或芯片输出数据，所有数据的输入与输出都是高位(MSB)在前。所有数据在读写期间，芯片的片选(CS)信号处于无效状态的时间应大于2．5μs。MPI的接口读写时序如图3所示。

    器件的环路检测单元主要完成摘挂机检测功能。主要有TDC和RDC引脚。在使用中，每个引脚应外接402 kΩ电阻分别到TIPD引脚和RINGD引脚。每个引脚均为直流输入，内部包含有A／D转换器，用来测试Ring-Tip线上的直流电压，其转换结果作为线路直流馈电特性的反馈控制输入。另外，此引脚还可用于线路测试，以测试Ring／Tip线与地之间的漏电流和分布电容。
    用户线驱动单元主要完成用户线的高压驱动功能。此单元可以直接与Ring／Tip线相连接，以完成用户线上所有直流和交流信号的驱动。另外，它还可以输出高达92Vp-p的差分信号，并具有限流和过热保护功能。此单元电路包含有TIPD和RINGD引脚。TIPD和RINGD引脚连接内部高压驱动电路，其作用是完成用户线的馈电，馈电特性南C6命令字中的参数设定。此单元电路的另一个功能是以电流源的形式输出经D／A转换后的语音信号。环路检测及用户线驱动单元的内部组成框图如图4所示。

    语音处理模块主要完成语音的发送与接收的数字化处理。它包含符合G．711标准的语音压缩与解压单元、可编程数字滤波器、阻抗匹配网络、收发增益控制单元、DTMF信号产生以及通用信号音产生单元。通过对其进行编程设置，可以实现收发增益控制，也可设置二线端口阻抗和改善收发回路的频率响应。数字滤波器的参数计算可以借助于Legerity公司的WinSLAC软件来完成，从而简化系统设计。此模块主要包括TAC和RAC引脚。其功能是接收Tip／Ring线上的模拟语音信号，并经过内部差分放大器后送至A／D转换器。TAC和RAC引脚需分别外接串联的RC网络，电容C是隔直电容，电阻R是放大器的输入电阻，其大小将影响放大器的放大效果，应用电路中推荐的R值为3．01 kΩ，C值为6．8 nF。
    DC-DC控制单元主要根据系统固定的外界输入来产生系统所需的VBL和VBH电源。其典型应用电路如图5所示。在图5中，VSW为外界+12 V固定输入，BATH和BATL分别与器件的VBL和VBH引脚相连接。SWVSY引脚是外界模拟电压的输入端，其输入可经内部A／D转换，然后将转换后的值与芯片DC-DC寄存器中的设定值进行比较，再根据比较结果调整SWOUTY输出的占空比。SWISY是输出电流测试端，内含过流保护电路，当负载短路导致输出过流时，LE88221的DC-DC控制器将自动关闭SWOUT输出，以保护DC-DC电路。SWCMPY是DC-DC Y通道的补偿电压输入端，主要用于在负载变化时，保持输出电压的稳定。

2 系统软件设计
    系统软件主要是完成芯片的初始化和系统工作状态的测控。这些功能主要是通过MPI接口完成。在实际设计中，可选取C8051F340单片机作为系统外部主机。C8051F340单片机与LE88221的接口原理图如图6所示。本设计用C8051F340单片机的普通I／O口来模拟MPI接口时序。C8051系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，并与MCS-51指令集完全兼容。同时片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其它功能部件，并且内置有FLASH程序存储器、内部RAM，此外大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。[!--empirenews.page--]

    C8051F单片机具有片内调试电路，可通过4线JTAG接El或2线C2接口进行非侵入式、全速的在系统调试。编程语言可采用汇编语言或C语言完成。采用C8051F340实现的LE88221芯片的读子程序如下：

    采用C8051F340实现的LE88221芯片的写子程序为：

   
    图7所示是本系统的初始化流程图。

4 结束语
    LE88221片内含有丰富的模拟及数字资源，只需外部几个简单的分立元件即可完成用户线接口电路的设计。通过该芯片用于武汉某小区的楼宇对讲系统设计发现，该系统具有工作稳定，语音通信清晰等优点。