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無(wú)線(xiàn)IPPBX系統的設計與實(shí)現

黃寧成 石江宏 2008/06/11

　　隨著(zhù)以太網(wǎng)寬帶技術(shù)的發(fā)展，以IP網(wǎng)絡(luò )為媒介的語(yǔ)音通信技術(shù)（VOIP技術(shù)）憑借其低廉的話(huà)費受到消費者的廣泛關(guān)注。很多企業(yè)和科研機構也開(kāi)始研究、使用這項技術(shù)。無(wú)線(xiàn)VOIP交換設備（即無(wú)線(xiàn)IPPBX）通過(guò)GSM無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)實(shí)現IP網(wǎng)絡(luò )的電話(huà)用戶(hù)與普通電話(huà)用戶(hù)之間的通信。它融合了以太網(wǎng)和GSM網(wǎng)絡(luò )，具備GSM網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)絡(luò )兩方面的優(yōu)勢，既具備IP電話(huà)話(huà)費低廉的優(yōu)勢，又可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )實(shí)現IP電話(huà)落地而不受固定電話(huà)線(xiàn)的束縛，同時(shí)結合以太網(wǎng)的http協(xié)議可以在其上實(shí)現短信網(wǎng)關(guān)的功能。本文將從硬件和軟件的角度來(lái)闡述該設備的設計與實(shí)現。

1.系統硬件設計

　　1.1 硬件結構

　　系統硬件結構如圖1所示，整個(gè)硬件系統由GSM工作單元、PCM編解碼工作單元、語(yǔ)音壓縮/解壓處理單元（DSP）、CPLD總線(xiàn)適配單元和MPC860T核心控制單元構成。系統通過(guò)兩條總線(xiàn)實(shí)現硬件系統的協(xié)同工作：通過(guò)I2C總線(xiàn)向GSM工作單元、PCM編解碼單元發(fā)送控制信令和讀取狀態(tài)信息；通過(guò)HPI總線(xiàn)實(shí)現對語(yǔ)音壓縮解壓處理單元（DSP）語(yǔ)音壓縮包的讀取和發(fā)送。系統通過(guò)CPLD以及與之相連的一塊MCU實(shí)現兩條總線(xiàn)的適配并在MPC860T核心控制單元端提供了統一的I/O接口。


　　系統的工作流程如下：若系統要傳送語(yǔ)音數據到以太網(wǎng)，GSM模塊或普通話(huà)機的模擬話(huà)音經(jīng)PCM編解碼器A law/μlaw 編碼后送到E1數據總線(xiàn)上，然后DSP將E1線(xiàn)上的PCM碼流按G.729/G.723的標準壓縮成低比特率的語(yǔ)音包，并在相應的端口產(chǎn)生一定的狀態(tài)信號，該狀態(tài)信號經(jīng)CPLD處理后轉化為MPC860T的中斷信號，MPC860T處理器響應中斷，通過(guò)CPLD將語(yǔ)音壓縮包從DSP的HPI口讀取出來(lái)并通過(guò)以太網(wǎng)控制器將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。系統從以太網(wǎng)接收語(yǔ)音壓縮包，并將其還原成模擬話(huà)音，其過(guò)程與此相反。

　　1.2 GSM工作單元設計

　　GSM工作單元由MCU、GSM模塊以及一些外圍接口電路構成，其原理框圖如圖2所示。MCU是工作單元的控制部件，它通過(guò)自身的I2C接口與系統的I2C總線(xiàn)連接，并通過(guò)串口與GSM模塊連接。單元工作時(shí)先從I2C 總線(xiàn)接收系統發(fā)送的控制信令，然后由MCU將控制信令轉化為具體的AT指令并通過(guò)串口發(fā)送給GSM模塊。GSM模塊根據收到的AT指令執行相應的操作（發(fā)送撥號信息、建立語(yǔ)音通路、發(fā)送短信等）。當然GSM模塊也可以將自己的狀態(tài)信息如自己的忙閑狀態(tài)、來(lái)電號碼通過(guò)串口發(fā)給MCU，再由MCU通過(guò)I2C總線(xiàn)上報給主控CPU（MPC860T）。


　　GSM單元的設計中需要特別注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)電源設計。GSM模塊在整個(gè)系統中屬于功耗比較大的部件，空閑時(shí)工作電流為35mA，工作時(shí)的平均電流為350mA，突發(fā)工作電流可以達到2A。所以GSM模塊要采用單獨的電源芯片供電，并且有足夠的負載能力。在設計中采用DC-DC的電源芯片給模塊提供4V電壓并在電源的輸出端并聯(lián)一個(gè) 2200μF的大電容，以防止模塊的突發(fā)大電流使電源芯片的供電電壓發(fā)生瞬時(shí)下降。

　　(2)串行接口電路的設計。GSM模塊的串行口（UART）使用的不是標準的TTL電平，不能與控制它的MCU串口直接相連，在它們之間要有一個(gè)電平轉換接口電路。該電路要能實(shí)現模塊的3V高電平與 MCU端5V TTL高電平的相互轉換。設計中使用三極管的開(kāi)關(guān)電路和電阻分壓電路就可實(shí)現該功能，如圖3所示。實(shí)驗證明該方法簡(jiǎn)單、有效。


　　(3)模塊語(yǔ)音口電路的設計。GSM模塊的語(yǔ)音輸入、輸出都是差分信號，而PCM編解碼器的語(yǔ)音口要求單端信號。在兩個(gè)語(yǔ)音端口之間要有差分信號與單端信號的轉換電路，才可實(shí)現兩者的連接。設計中采用運放電路來(lái)實(shí)現差分與單端的轉換。由于GSM模塊的語(yǔ)音口特別容易受到射頻干擾，所以模塊的語(yǔ)音口還要連接一些濾波電容。此外,PCB布板也要保證語(yǔ)音信號線(xiàn)遠離模塊的天線(xiàn)，這樣才能將噪聲干擾降到最低, 保證話(huà)音質(zhì)量。

　　1.3 PCM編解碼單元設計

　　PCM編解碼單元主要有兩個(gè)任務(wù)：將來(lái)自GSM模塊或普通話(huà)機的模擬話(huà)音進(jìn)行A law/μ law PCM編碼，然后發(fā)送到系統E1數據線(xiàn)上；獲取系統E1數據總線(xiàn)某個(gè)時(shí)隙的PCM編碼并將其還原成模擬話(huà)音。設計中采用一塊帶I2C接口的MCU作為PCM編解碼器的控制器。該控制器從I2C總線(xiàn)接收主控CPU（MPC860T）發(fā)送的控制信令并將該信令轉化為PCM編解碼器命令序列，PCM編解碼器接受命令后完成相應的編解碼功能。

　　1.4 語(yǔ)音壓縮解壓?jiǎn)卧O計

　　語(yǔ)音壓縮解壓?jiǎn)卧墓ぷ魇牵簩⑶岸薖CM編碼器發(fā)送來(lái)的PCM數據壓縮成低比特率的語(yǔ)音包后交由主控CPU處理；將主控CPU發(fā)送來(lái)的語(yǔ)音壓縮包還原成 PCM編碼。該單元的設計中采用AudioCodes公司的 AC48304C_C作為語(yǔ)音PCM編碼的壓縮解壓處理器。該處理器支持四個(gè)語(yǔ)音處理通道，每個(gè)通道可以單獨編程，配置不同的PCM時(shí)隙和壓縮/解壓算法（G.723、G.729等）。根據主控CPU（MPC860T）的數據包處理能力，本設計在系統中掛載四片AC48304C_C，可同時(shí)處理16路語(yǔ)音的編解碼（壓縮/解壓）。

　　1.5 總線(xiàn)端口適配單元設計

　　總線(xiàn)端口適配單元的功能是從硬件上屏蔽I/O總線(xiàn)操作的復雜性，使主控CPU以一種簡(jiǎn)單的I/O讀寫(xiě)方式即可實(shí)現系統兩大總線(xiàn)的操控（I2C總線(xiàn)和HPI總線(xiàn)）。該單元的設計采用一片CPLD和一塊帶I2C接口的MCU來(lái)實(shí)現總線(xiàn)適配功能。CPLD的功能是實(shí)現不同I/O口間邏輯關(guān)系的轉換，具體來(lái)說(shuō)就是將主控CPU的I/O讀寫(xiě)邏輯轉換為AC48304C_C的HPI口的讀寫(xiě)邏輯或MCU I/O口的讀寫(xiě)邏輯。MCU的作用是進(jìn)一步將CPLD的接口邏輯轉化為I2C總線(xiàn)上的通信協(xié)議。CPLD的I/O邏輯功能的設計通過(guò)為其編寫(xiě)VHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，它的等效內部邏輯和外圍接口如圖4所示。

2 系統軟件設計

　　2.1 分層架構

　　無(wú)線(xiàn)IPPBX軟件系統以嵌入式 Linux為操作系統平臺，采用軟件分層的設計思想。整個(gè)系統的軟件架構分為三層：設備驅動(dòng)層、通信協(xié)議層和通信事件處理層，如圖5所示。每一層都為上層提供API，圖中虛線(xiàn)表示分層，箭頭表示層與層之間API的調用關(guān)系。


　　2.2 設備驅動(dòng)層設計

　　設備驅動(dòng)層屬于系統軟件的最底層，它根據所處理的硬件對象的不同又可分為網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)和通信設備驅動(dòng)。網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)負責處理以太網(wǎng)控制器的操控，它控制以太網(wǎng)芯片從以太網(wǎng)發(fā)送和接收數據包。通信設備驅動(dòng)負責控制系統各工作單元信息處理的物理實(shí)現，包括AC48304C_C初始化、各語(yǔ)音處理通道的配置、語(yǔ)音壓縮包的存取和DTMF信號處理，以及各控制單元（AM79Q02，GSM模塊）信令發(fā)送、狀態(tài)讀取。通信設備驅動(dòng)通過(guò)Linux虛擬文件系統接口向上層提供標準的API，上層可以不管設備的復雜性，只要調用這些API就可以。

　　在上述設備驅動(dòng)功能的設計中與GSM工作單元信息交互的實(shí)現方法需要特別注意，這也是實(shí)現設備無(wú)線(xiàn)通信功能的核心所在。與GSM工作單元的信息交互是通過(guò)向控制GSM模塊的MCU發(fā)送控制指令實(shí)現的。這些控制指令通過(guò)I2C總線(xiàn)傳送。本系統I2C總線(xiàn)是一個(gè)多主機通信系統，當主控CPU（MPC860T）在該總線(xiàn)傳送信息時(shí)，先要偵聽(tīng)信道是否空閑（該功能由總線(xiàn)適配單元實(shí)現），如果空閑則將待發(fā)送的指令序列分解成一定長(cháng)度的數據包，然后一個(gè)包一個(gè)包地發(fā)送出去（與以太網(wǎng)相似）。

　　鑒于I2C總線(xiàn)的這個(gè)特性，在驅動(dòng)層要制定一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議才可實(shí)現主控CPU與GSM控制單元（MCU）間信令的傳遞。系統采用HDLC幀的方式，即在傳遞信令前先將要發(fā)往GSM控制單元的控制信令打成 HDLC幀的格式，然后再將此幀分解成固定長(cháng)度的數據包發(fā)往I2C總線(xiàn)，控制GSM模塊的MCU接收這些數據包并將其還原成HDLC幀，再根據幀中各字節的定義將該幀解析成具體的AT指令發(fā)送給GSM模塊。系統HDLC幀結構如表1所示。


　　控制GSM模塊的MCU接收到HDLC幀后先讀取類(lèi)型字段，根據該字段判斷載荷內容，然后再執行相應的操作。例如收到HDLC幀的類(lèi)型為0x01時(shí)表示撥號操作，后面的載荷就是電話(huà)號碼，此時(shí)就執行撥號的AT指令。又如收到HDLC幀的類(lèi)型為0x04則表示發(fā)送短信操作，載荷則為電話(huà)號碼和短信內容的PDU碼，那么就執行發(fā)送短信AT指令。

　　2.3 通信協(xié)議層設計

　　通信協(xié)議層主要為上層應用程序提供各通信協(xié)議棧。本系統通信協(xié)議層實(shí)際還可細分為兩層：TCP/IP協(xié)議層和應用層協(xié)議（SIP協(xié)議和RTP協(xié)議）。設計通信協(xié)議時(shí)，TCP/IP協(xié)議是Linux操作系統自帶的運行在內核當中，SIP協(xié)議和RTP協(xié)議需要從外部移植，運行時(shí)以函數庫的形式存在于用戶(hù)空間。不論TCP/IP協(xié)議層還是應用層協(xié)議都為其上層提供了標準的API，對于上層程序來(lái)說(shuō)只要調用這些API就可實(shí)現協(xié)議功能。

　　2.4 通信事件處理層設計

　　通信事件處理層是運行在應用層為一些具體的通信事件(如用戶(hù)的摘掛機、電話(huà)的呼入呼出、呼叫轉移等)服務(wù)的程序。具體的設計方法是在系統的應用層開(kāi)啟一個(gè)守護進(jìn)程，并在該進(jìn)程下開(kāi)辟多個(gè)監控線(xiàn)程。每個(gè)監控線(xiàn)程負責監控一類(lèi)通信事件，如果有通信事件發(fā)生，則監控它的線(xiàn)程就調用相應的狀態(tài)機服務(wù)程序，而狀態(tài)機服務(wù)程序會(huì )調用具體的協(xié)議棧并驅動(dòng)實(shí)現具體的通信過(guò)程。

　　2.5 短信網(wǎng)關(guān)設計

　　本系統短信網(wǎng)關(guān)的設計通過(guò) http協(xié)議以及CGI技術(shù)予以實(shí)現：首先在該系統上移植boa web服務(wù)器程序，然后用html語(yǔ)言設計短信網(wǎng)關(guān)的訪(fǎng) 問(wèn)頁(yè)面，同時(shí)設計好處理用戶(hù)輸入信息CGI腳本程序。用戶(hù)通過(guò)瀏覽器遠程訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器上的頁(yè)面，將目標用戶(hù)的電話(huà)號碼和待發(fā)短信內容填寫(xiě)在頁(yè)面的表單上，然后提交表單。運行在Web服務(wù)器上的CGI程序處理提交表單的內容并將處理結果送入一個(gè)消息隊列。運行在通信事件處理層的一個(gè)監控線(xiàn)程（流程如圖6所示）讀取該消息隊列的消息并調用通信設備驅動(dòng)相應的API發(fā)出信令讓GSM模塊將短信發(fā)出。


　　無(wú)線(xiàn)IPPBX融合了GSM網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，它與傳統的IP電話(huà)交換設備相比，不但避免了固定電話(huà)線(xiàn)的束縛，而且還具備短信網(wǎng)關(guān)的功能。由于它使用GSM網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行IP電話(huà)的落地工作，從而使該設備得到了移動(dòng)運營(yíng)商的支持。該設備目前已成功應用于企業(yè)，承載了他們的IP電話(huà)業(yè)務(wù)與短信網(wǎng)關(guān)職能。

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電子技術(shù)應用


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