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基于公用电话网的时间认证系统研究
 
慧聪网   2005年12月2日14时4分   信息来源:现代电子技术    

  [导读]  介绍了一种利用公用电话网传输时间信息的系统。他采用单片 机控制,具有定时拨号、自动接听的功能,可以在没有人员参与的情况下完成授时过程。 

  电子文件是各种电子政(商)务活动的一个重要组成部分。对他来说,时间信息就像书面合 同中文件签署的日期一样,不仅可以防止文件被伪造和篡改,还可用来确认电子交易在某一时间的存在性及相关活动的相对时间顺序,为电子活动中处理“抵赖”、进行审计提供可靠 依据。要达到上述目的,双方的时间必须同步。一般的做法是双方均以第三方(时间认证 系统)提供的标准时间为基准,调整自己的时间达到同步。研究实现的时间认证系统正是 利用覆盖面最广的公用电话网,为电子政(商)务提供时间信息查询、认证等服务。 

  1系统概述

  从管理权限上本系统可分为3级,一级为授时主服务器,二级为局域网授时服务器,三级为 用户终端机。一级主服务器是设置在国家权威授时中心的惟一的一级服务器,与授时中心原 子钟频率、UTC时间保持同步,他作为时间源为时间服务系统提供精确的时间基准,确保全 网时间服务的一致性,保证电子政(商)务的正常运作。二、三级设备作为他的用户端接受 他的授时。二级设备是他所管辖局域网范围内三级设备的服务器端。三级设备是一、二级设 备的用户端。

  各级设备无论作为服务器端还是用户端,双方必须通过公用电话网进行标准时间(年、月、日、星期、时、分、秒)的传输与同步来完成授时过程。授时过程结束后,作为用户端的设 备,依据本端设备的高稳定度频率源维持本机时间。

  2硬件设计

  系统硬件框图如图1所示。

  

系统框图

系统框图

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  (1) 系统的主MCU用一片87C51单片机完成。他接收振铃和来电信号,并判别是否进入通话状态。为满足系统输入输出的需要,用并行口8255对MCU的I/O进行了扩展,以接收键盘电路数 据和输出LED显示数据。

  (2) 时钟电路在本端频率源的激励下维持本端时间的正常走时,他与LED显示部分的显示内 容同步。用户可以通过本地按键操作修改时间,也可以通过一次授时过程接收来自服 务器端的标准时间,对本地时钟进行调整。

  (3) “电信信号判断”电路从电话接口电路中取出来自交换局的信号,变换以后,送往主MC U进行判断。

  (4) 电话接口电路:包括极性保护电路、脉冲开关电路、静噪开关电路、DTMF(Double Tone Multi Frequency,双音多频)发送和接收放大电路。脉冲开关电路处于电话接口电路中的 前端(临近电话线),其后紧跟的是静噪开关电路,他们和软件一起,控制后面的DTMF发送 和接收放大电路,使得发送和接收电路一次只有一个占用电话线资源而不互相干扰。

  2.1键盘电路

  键盘利用机械触点的合、断作用实现信息输入。一个键实际上就是一个开关,系统用两 根I/O线的组合判断一个按键的开关状态。选用4×4共16个键的键盘电路,因此需要8根I /O线,选取8255的PB端口外接这8根I/O线,如图2所示。 

  

图2 键盘输入电路

图2 键盘输入电路

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  连接到PB0~PB3的信号线为行信号(Line1~4),连接到PB4~PB7的信号线为列信号(List1~4)。用行信号对键进行控制,用列信号标示是否有键合上。因为行列信号正好都是4位,为便于计算机处理,将行列信号拼装在一个字节中,作为该键的特征字。

  由于上拉电阻的存在,平时行列信号均为高电平。当有键按下时,该键所连接的行列信号均为低电平,读入8个I/O口的信号值,得到一特征字,查表即可知道对应的按键。按键的输入必须按键盘命令定义的顺序进行。

  2.2脉冲开关电路

  系统对授时时间的准确性要求较高,另外通过电话网传输时间信息还存在延迟,且每次通话的时延都会不同(每次通话的线路不同),因此对于每一次授时过程,都需要进行时延参数 的测定。由于电话通信中一次通话线路具有独占性,所以针对一次授时过程测试通话时延特 性具有短期的稳定性。

  时延参数的测定通过传送测试脉冲实现,为此电话电路接口中增加了脉冲开关电路,如图3所示。主MCU通过/DP端(P26)控制线路通断,/DP为高电平,线路开通;/DP为低电平时则线路断开。通过软件控制线路通断,实现发送脉冲的功能。

  为提高时延参数的测定速度和精度,需采取一次发送多个脉冲,并求平均时延的方法。因线路只有一条,所以在软件层采取相应措施实现。步骤如下:

  (1) 在存储区开辟一段连续的区域,用来存储各脉冲的起始时刻和结束时刻。
  (2) 服务器端开始发送脉冲,这时采样一次计数器,将采样值存入该脉冲起始时刻对应的存储区,记为N1。
  (3) 服务器端接收到用户方回送的该脉冲时,再采样一次计数器,将采样值存入该脉冲结束时刻对应的存储区,记为N2.
  (4)重复(2),(3)步,直到所有测试脉冲测试完毕。
  (5)一系列脉冲采样结束后,以计数器 内数值加1所用的时间(周期T)乘以一个脉冲前后两个采样值的差,即T*(N2-N1)。再用此数值减去事先知道的用户方软件检测一个脉冲并回送该脉冲所需的时间延迟Δt,所得数值就是该脉冲在此段时间内在此段线路往返一次的 传输时间T*(N2-N1)-Δt。
  (6)计算出所有脉冲的传输时间后,统计计算得到传送一个脉冲单程所需时间,这个值就是 需要的时延值。系统根据该时延值调整授时启动脉冲的发送时间。
  

图3 脉冲开关电路

图3 脉冲开关电路

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  2.3电信信号的检测

  对于主叫,在拨打电话号码的过程中,可能遇到的电信信号有:拨号音、忙音和回铃音。这些电信局发送给主叫的信号,他的特点为:

  (1) 拨号音:450 Hz单频连续。
  (2) 忙音:450 Hz单频,0.35 s等间隔断续。
  (3) 回铃音:450 Hz单频,1 s续4 s断。

  从3个信号的特点可以看出,他们频率相同,通断时间不同。在系统中将他们从电话 接口电路中的同一个点(MYin)引出,变成高低电平持续时间不同的脉冲信号(MYout与主MC U的P2.4相连),然后由软件利用高低电平持续时间的不同来识别这些电信信号。电路如图4所示。
  

图4 电信信号检测

图4 电信信号检测

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  3软件设计

  由于系统的通信嫁接在电信局的线路上,因此系统的数据传输采用DTMF方式。整个系统数据的传输和控制管理都由软件部分负责。

  3.1主程序流程

  主程序流程如图5所示。系统加电初始化后,主程序一直循环检测键盘输入;同时检测申请授时的定时时间。然后根据情况进入授时过程。主叫方:当用户通过按键主动申请授时(或 到定时申请授时的时间)时,系统内部会主动开启授时过程,拨叫对方。被叫方:通过外部 中断方式响应振铃。在前两次振铃间隔中取得来电号码,判断是否为合法呼叫,合法时,振铃3~5次接听。若振铃仅持续了一次,则不理睬。

  为提高授时过程中系统的响应速度,同时给主MCU尽可能的空出时间,进入授时过程后系统 不再检测键盘输入。为杜绝非本服务器用户使用隶属于本服务器的用户端系统,系统增加了“客户身份验证”的功能。“数据传输及相应操作”包括数据的发送、接收、分析及后续的处理操作,其中数据传输按照预先定义的顺序和格式进行。

  软件使用汇编语言,考虑到系统对实时性的要求和底层编程的限制,对数据的处理进行了划分:DTMF信号和忙音的检测在定时中断中完成,数据的发送接收在主程序中完成。这样能够 最大限度利用主MCU单片机的资源,实现低层并行(线程)执行。

  3.2授时过程流程

  授时过程流程如图6所示。
  

图5 主程序流程

图5 主程序流程

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图6 授时过程流程

图6 授时过程流程

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  拨号阶段的拨号音、忙音、回铃音不用查询方式检测,因为这些信号是在特定状态下才需要的。到特定状态时,系统主动去相应的管脚(主MCU的P2.4)检测信号的特征,判断是否为当前需要的电信信号。

  授时过程结束时,双方存储根据一定算法得到的与此次授时过程时间有关的密码,此密码为后续查询的依据。

  在整个数据传输的过程中,系统一直监听来自于线路的忙音信号。若有忙音信号,表示对方已挂机,此时执行本端的挂机操作。若双方在一段时间内没有数据传输,系统认为通话已经结束,启动挂机操作。 

  4结语

  该电话授时系统的设计具有可靠性高,操作方便等优点。系统可满足中等精度时间用户的需求,可为科学研究、电力、通讯等行业提供标准时间的同步服务。

 

 

 
作者:任伟明,高西全,韩学义,和康元 
 
 
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[热门关键词]:DTMF 单片机 87C51 
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