EP9302的嵌入式VOWiFi電話(huà)終端設計
桂林電子科技大學(xué) 李君懿 趙利 陳鋒 2009/01/09
引 言
下一代網(wǎng)絡(luò )NGN(Next Generation Network)已經(jīng)成為通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的方向，VoIP是NGN研究的一個(gè)熱點(diǎn)，具有廣闊的應用市場(chǎng)。VoIP技術(shù)可以在分組交換網(wǎng)絡(luò )上傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足人們在數據通信網(wǎng)上對語(yǔ)音業(yè)務(wù)的需求。目前，IP電話(huà)領(lǐng)域存在兩個(gè)呼叫信令和控制標準：ITU—T的H．323協(xié)議和1ETF的SIP協(xié)議。H.323協(xié)議因其提出時(shí)間較早已經(jīng)獲得了成熟的應用，而IETF提出的SIP協(xié)議，因其簡(jiǎn)單、靈活的技術(shù)特點(diǎn)而呈現出后來(lái)居上的趨勢。
與此同時(shí)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)發(fā)展迅速。
WLAN主流技術(shù)標準已從802．11發(fā)展到802．11a／b／g，接入速率已從最高l Mbps發(fā)展到54 Mbps，而且技術(shù)成熟，成本低，普及率提高迅速，迎合了便攜式終端的發(fā)展要求，已得到大量國際廠(chǎng)商的支持和市場(chǎng)的廣泛認同。但是目前802．11a／b／g技術(shù)只提供高速數據接入業(yè)務(wù)，不能提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，因此有必要在該數據業(yè)務(wù)基礎上采用VoIP技術(shù)，研制一種無(wú)線(xiàn)VoIP電話(huà)(VoWiFi)，以適應嵌入式通信網(wǎng)絡(luò )設備應用越來(lái)越廣泛的現實(shí)。實(shí)現VoWiFi的軟硬件平臺，可以采用當前最流行的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺和開(kāi)源的Linux操作系統。基于以上技術(shù)可以構建一個(gè)嵌入式VoWiFi電話(huà)終端，具有重要的應用價(jià)值。
1 技術(shù)方案
嵌入式VoWiFi電話(huà)是能夠在802．11a／b／g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)上進(jìn)行電話(huà)通信的設備。為了能在802．1la／b／g上實(shí)現電話(huà)通信，必須采用VoIP技術(shù)，本系統VoIP標準可以選擇更靈活的SIP協(xié)議。為了能實(shí)現各種通信協(xié)議，完成各種控制和管理工作，滿(mǎn)足今后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要，需采用基于微控制器的嵌入式系統。為了提高硬件設計的靈活性和軟件代碼在平臺間的可移植性，本系統軟硬件的設計采用了模塊化的方法。在硬件上，把系統劃分為以太網(wǎng)接口、USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接口、音頻接口、串行接口等幾個(gè)功能單元；在軟件上，利用嵌入式操作系統分離底層硬件平臺和上層應用，通過(guò)對終端系統的模塊劃分和模塊間的接口定義，有效分離各模塊間的相關(guān)性，從而使得各個(gè)模塊可以同時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率。
2 硬件設計
2．1 總體方案
VoWiFi電話(huà)硬件技術(shù)方案如圖1所示。ARM9處理器是整個(gè)終端的核心部分，外圍包括802．11b／g無(wú)線(xiàn)模塊、語(yǔ)音信號處理模塊、鍵盤(pán)和LCD電路。ARM嵌入式系統是VoWiFi電話(huà)通信控制和管理的核心，它負責操作系統的運行、資源的管理和分配、信息數據的處理以及與外部擴展單元的通信，完成與各個(gè)模塊的接口和通信、TCP／IP協(xié)議和SIP協(xié)議的操作等。綜合考慮各種因素，本系統采用ARM9微控制器芯片EP9302。為了使系統能夠支持多任務(wù)，使得程序開(kāi)發(fā)更加容易、便于維護，同時(shí)能夠提高系統的穩定性和可靠性，采用嵌入式操作系統Linux。
2．2 模塊選擇與電路設計
802．11b／g無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現空中無(wú)線(xiàn)接口和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入功能。選用VIA威盛公司的VT6656 USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，VT6656 wLAN控制器包括1個(gè)IEEE802．11a／b／gMAC，并集成了一枚基帶處理器支持USB2．O。該控制器可提供54Mbps高速的無(wú)線(xiàn)連接。
在A(yíng)RM9開(kāi)發(fā)板內部含有1個(gè)USB2．O接口控制器，接口電路如圖2所示。共有3個(gè)LISB接口(2個(gè)Host和1個(gè)Device)，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)SW800進(jìn)行選通控制。74HC08作為4個(gè)二輸入與門(mén)邏輯電路，負責控制信號的邏輯組合。該接口用來(lái)連接USB接口的外部設備。
語(yǔ)音信號處理模塊用于對語(yǔ)音信號的數字化處理。本終端的音頻接口由I2S音頻總線(xiàn)接口和UDAl341TS音頻編解碼器組成，I2S接口采用DMA的數據傳輸模式。UDAl341TS是一款經(jīng)濟型音頻編解碼器，它通過(guò)I2S數字音頻接口實(shí)現音頻信號的數字化處理。圖3是EP9302與UDAl341TS的引腳連接示意簡(jiǎn)圖。
LCD顯示器和4×4鍵盤(pán)用于人機接口，在A(yíng)RM嵌入式系統支持下實(shí)現各種人機操作。考慮到LCD顯示器主要用于號碼以及各種狀態(tài)標識顯示，因此采用背光的128×64圖形點(diǎn)陣LCD模塊。
3 軟件設計
本嵌入式WLAN SIP電話(huà)終端的軟件結構如圖4所示。具體來(lái)說(shuō)，需要如下的軟件。
(1)嵌入式操作系統嵌入式操作系統
提供了嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺，具有將CPU時(shí)間、中斷、I／0、定時(shí)器等資源包裝起來(lái)而留給用戶(hù)標準的API系統調用，對任務(wù)進(jìn)行合理調度以保證實(shí)時(shí)性和可靠性等功能。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)程序、TCP／IP協(xié)議棧、液晶顯示器及鍵盤(pán)驅動(dòng)程序等都屬于操作系統模塊。
(2)SIP協(xié)議
SIP協(xié)議主要用于呼叫控制，包括呼叫的建立、維護和終結，以及根據呼叫進(jìn)展情況動(dòng)態(tài)調整和修改相關(guān)屬性。SIP協(xié)議的相關(guān)操作包括：SIP消息的發(fā)送和接收、消息的生成與分析、狀態(tài)機的保存與轉換、SIP對話(huà)的管理、SIP事務(wù)處理機制的運行、SDP消息的構造、解析和雙方媒體協(xié)商處理，以及終端的注冊等功能。
(3)語(yǔ)音處理軟件
語(yǔ)音處理軟件用于實(shí)現用戶(hù)間完整的語(yǔ)音交互，可進(jìn)一步劃分為：
①語(yǔ)音處理模塊。負責語(yǔ)音數據的采集、編解碼和播放，這里采用全世界的電路電話(huà)交換網(wǎng)中使用的G．711語(yǔ)音編碼技術(shù)。
②實(shí)時(shí)媒體傳輸模塊。完成數據包的RTP封裝與分解，以及數據包的發(fā)送和接收。SIP協(xié)議和語(yǔ)音處理是兩個(gè)獨立的過(guò)程，按照建立SIP會(huì )話(huà)在前、建立媒體流連接在后，拆除媒體流連接在前、拆除SIP會(huì )話(huà)在后的順序工作。
(4)硬件設備驅動(dòng)
硬件設備驅動(dòng)包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、鍵盤(pán)和LCD驅動(dòng)。將驅動(dòng)程序編譯成內核的一個(gè)可載入模塊并鏈入內核，生成新的可以在目標板上運行的內核，然后將內核燒入目標板的Flash中，使它們能正常使用。
(5)終端應用程序
終端應用程序實(shí)現終端程序的初始化，創(chuàng )建線(xiàn)程；管理程序中各模塊信息，為它們分配資源；通過(guò)與用戶(hù)的交互，負責在全局上控制和管理其他各模塊的工作及模塊間的通信；并作為SIP用戶(hù)代理的運行平臺，實(shí)現整個(gè)系統的呼叫發(fā)起、呼叫響應及呼叫結束的功能。
在整個(gè)系統的工作過(guò)程中，包括信令控制協(xié)議的傳輸、信令控制功能的使用、建立連接之后的語(yǔ)音傳輸、實(shí)時(shí)媒體的傳輸與控制，都是采用UDP方式實(shí)現的。語(yǔ)音數據要求比較高的實(shí)時(shí)性及處理速度，而且語(yǔ)音數據質(zhì)量對可能出現的因可靠性問(wèn)題而產(chǎn)生的丟包現象不是很敏感，所以使用UDP作為語(yǔ)音數據的傳輸載體。
在整個(gè)會(huì )話(huà)過(guò)程中，用來(lái)保障實(shí)時(shí)數據傳輸的協(xié)議是RTP協(xié)議。RTP算法并不作為一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )層來(lái)實(shí)現，而是作為應用程序代碼的一部分。實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)。
4 工作過(guò)程與實(shí)驗測試
4．1 工作過(guò)程
采用嵌入式VoWiFi電話(huà)終端、無(wú)線(xiàn)AP和基于PC機的SIP軟電話(huà)為實(shí)驗環(huán)境。VoWiFi終端工作過(guò)程為：音頻信號首先經(jīng)過(guò)MIC后送入音頻處理單元，完成聲音信號的模／數轉換，再經(jīng)過(guò)語(yǔ)音編解碼自上而下分別以RTP協(xié)議、UDP協(xié)議、IP協(xié)議將數據封裝。ARM9處理器則通過(guò)I2S總線(xiàn)由DMA方式把封裝后的數據讀取到片外緩存單元SDRAM，當所開(kāi)辟的緩存區域存滿(mǎn)后，運行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)，把IP包通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡發(fā)送出去。在PC上運行的SIP軟電話(huà)收到發(fā)送過(guò)來(lái)的數據后，通過(guò)應用層軟件把IP包中的音頻數據取出，然后調用PC聲卡驅動(dòng)，并把數據送入聲卡還原成模擬話(huà)音。反方向的數據傳輸類(lèi)似，只是數據是由運行于宿主機上TCP／IP的客戶(hù)端程序發(fā)送。
4．2 實(shí)驗測試
經(jīng)過(guò)對終端的注冊、呼叫、撤銷(xiāo)呼叫、語(yǔ)音通信等功能進(jìn)行測試，終端可以對SIP信令過(guò)程進(jìn)行很好的控制，從而實(shí)現注冊、呼叫等基本功能。在語(yǔ)音傳輸方面，本終端可以與被叫RTP通道進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸，在局域網(wǎng)環(huán)境內語(yǔ)音質(zhì)量較好，延遲較小；在互通方面，除了與另一同樣終端可以互通，還可以與Linphone、X—lite等終端建立呼叫和語(yǔ)音通信，互通性較好。
結 語(yǔ)
在介紹VoIP原理的基礎上，設計了基于A(yíng)RM9平臺的嵌入式VoWiFi電話(huà)終端的軟硬件。該設計采用當前最流行的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺和開(kāi)源的Linux操作系統實(shí)現了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)上VoIP語(yǔ)音通話(huà)功能。創(chuàng )新點(diǎn)在于：在802．11a／b／g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wLAN)上，采用VoIP技術(shù)實(shí)現VoWiFi電話(huà)終端語(yǔ)音通話(huà)功能。
單片機與嵌入式系統
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