Tự tay chế tạo hệ thống tổng đài PBX tại nhà: Kỹ thuật, linh kiện và niềm đam mê công nghệ

Vào đầu những năm 1990, khi làm việc tại Bell-Northern Research, một kỹ sư điện tử đã nảy sinh ý định tự tay chế tạo một hệ thống tổng đài điện thoại riêng (PBX - Private Branch Exchange) ngay tại nhà. Mặc dù công việc chính của ông là thiết kế phần cứng cho các văn phòng điện thoại trung tâm, nhưng ông khao khát được tiếp xúc trực tiếp với công nghệ điện thoại truyền thống.

Hệ thống tổng đài tự chế

Với sự tiếp cận nguồn linh kiện điện tử phế liệu dồi dào, kiến thức về vi điều khiển và những chiếc điện thoại cũ giá rẻ mua từ các buổi bán hàng sân (garage sales), ông đã dành nhiều tháng vào buổi tối và cuối tuần trong năm 1992-1993 để biến ý tưởng này thành hiện thực. Dự án không chỉ mang tính chất giáo dục mà còn là một sản phẩm giải trí kỹ thuật ấn tượng.

Các chức năng của hệ thống

Hệ thống PBX tự chế này hoạt động dựa trên các chuỗi lệnh quay số phức tạp, cho phép người dùng thực hiện nhiều thao tác giống như một tổng đài chuyên nghiệp. Dưới đây là một số lệnh tiêu biểu:

• Flash: Đặt cuộc gọi hiện tại ở chế độ chờ tạm thời để chờ lệnh.
• 00: Gọi chuông cho tất cả các máy lẻ (stations).
• 01x: Thiết lập kiểu chuông (ring pattern) khác nhau cho từng máy lẻ.
• 02: Gọi lại số máy lẻ cuối cùng; nếu máy bận, hệ thống sẽ gọi lại khi máy rảnh.
• 03x: Quay số nhanh (speed dial) các vị trí từ 0-9.
• 04x: Đặt hoặc lấy lại cuộc gọi đang giữ (park/unpark) tại máy lẻ x.
• 06x: Chuyển tiếp cuộc gọi đến máy lẻ x hoặc ra đường dây ngoài (outside line).
• 09: Tham gia vào cuộc gọi từ đường dây ngoài đang diễn ra.
• 9: Lấy đường dây ngoài. Nếu đường dây ngoài đang được giữ, lệnh này sẽ gửi tín hiệu Flash.

Ví dụ, khi máy lẻ 5 bắt đầu cuộc gọi từ đường dây ngoài, máy lẻ 2 có thể nhấc máy và quay số 09 để tham gia vào cuộc hội thoại đó. Hoặc máy lẻ 1 có thể chuyển tiếp cuộc gọi đến một số điện thoại bên ngoài bằng cách sử dụng mã lệnh chuyển tiếp thích hợp.

Thiết kế phần cứng và mạch điện

Điểm thú vị nhất của dự án này là sự kết hợp giữa công nghệ kỹ thuật số cũ và cơ điện tử. Tác giả thừa nhận mình là một "kỹ thuật số thuần túy" (digital weenie) khi sử dụng bộ tạo âm thanh kỹ thuật số lấy mẫu quá mức (oversampled). Tuy nhiên, ông vẫn giữ lại các rơ-le cơ học trong mạch phát hiện nhấc máy (offhook detection) vì yêu thích tiếng "lách cách" đặc trưng của chúng khi có người quay số.

Mạch đường dây

Mạch đường dây (line circuit) được thiết kế khá tinh tế:

• Các đường dẫn giọng nói (voice paths) của các mạch đường dây được kết nối với nhau thông qua các rơ-le K3 và K4. Khi hai cặp mạch chọn cùng một đường dẫn giọng nói, chúng có thể trò chuyện với nhau.
• Khi điện thoại nhấc máy, dòng điện chạy qua các trở và làm đóng rơ-le K2, gửi tín hiệu OFFHOOK sạch đến bộ điều khiển chính.
• Quay số xung (pulse dialing) và tín hiệu Flash được phát hiện bằng cách tính thời gian tín hiệu OFFHOOK trong phần mềm.
• Để chuông, điện áp chuông được tạo ra và rơ-le K1 được kích hoạt. Một tụ điện được đặt song song để ngăn chặn rơ-le rung (chatter) do dòng chuông mạnh, nhưng vẫn cho phép rơ-le đóng ngay khi điện thoại nhấc máy.

Xử lý tín hiệu và âm thanh

Hệ thống sử dụng các chip chuyên dụng để xử lý âm thanh:

• Crystal Semiconductor 8870: Đây là bộ thu DTMF (tần số kép), luôn lắng nghe trên đường dẫn giọng nói thông qua một mạch bảo vệ gồm trở, tụ và diode để tránh bị hư hại do điện áp quá mức.
• DAC-08: Bộ chuyển đổi số sang analog (Digital-to-Analog Converter) được dùng để tạo ra các âm thanh báo hiệu (call progress tones) như tiếng quay số, tiếng chuông bận. Một bộ khuếch đại vận hành kép (LM358) chuyển đổi dòng điện đầu ra của DAC thành điện áp và lọc nhiễu.

Mạch tạo chuông

Tất cả các mạch này chỉ được kết nối đến đường dẫn giọng nói khi cần thiết thông qua một rơ-le, để đảm bảo trở kháng kết thúc không ảnh hưởng đến cuộc gọi thực tế.

Phần mềm điều khiển

Trái tim của hệ thống là vi điều khiển 8031. Tác giả đã thiết kế một bản đồ địa chỉ bộ nhớ chi tiết để điều khiển các rơ-le, đọc trạng thái của các đường dây và giao tiếp với bộ thu DTMF. Việc gỡ lỗi (debug) phần mềm được thực hiện bằng cách giữ một chương trình giám sát đơn giản trong ROM và tải phần mềm chính vào RAM để kiểm tra. Khi hoàn tất, phần mềm được "đốt" vào ROM để vận hành ổn định.

Mặc dù các đường dây không cân bằng, hệ thống hoạt động rất tốt ngay cả khi điện thoại được đặt cách xa tổng đài 100m bằng dây điện thoại xoắn đôi.

Kết luận

Dự án PBX tự chế này không có giá trị thương mại nhưng mang lại giá trị giải trí cực lớn. Nó là một minh chứng tuyệt vời cho sự sáng tạo và kỹ năng kỹ thuật, thỏa mãn niềm đam mê công nghệ từ thời thơ ấu của tác giả. Đối với những vị khách kỹ sư, hệ thống này với những ánh đèn LED nhấp nháy và tiếng rơ-le lách cách luôn tạo ra sự ấn tượng mạnh mẽ.