嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端的語(yǔ)音傳輸系統設計分析
2011/02/22
摘要：根據嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端的特點(diǎn)及VOIP技術(shù)原理，設計了一款基于WinCE的嵌入式語(yǔ)音傳輸系統。此系統實(shí)現了嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端之間的語(yǔ)音通信，以及網(wǎng)絡(luò )終端和PC機之間的語(yǔ)音通信功能，具有較強的可擴展性。
關(guān)鍵詞：嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端；語(yǔ)音；VOIP；WinCE
引言
嵌入式系統因其滿(mǎn)足系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的要求，已經(jīng)被廣泛地應用在交通、商業(yè)／金融、工業(yè)控制、醫療等各個(gè)領(lǐng)域。目前，嵌入式網(wǎng)絡(luò )應用技術(shù)已經(jīng)成為了國際研究的熱點(diǎn)技術(shù)，許多IT行業(yè)的公司也都在研發(fā)相應的嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端。
電話(huà)是人們最常使用的交流工具，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于IP網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音通信成為了人們研究的熱點(diǎn)。傳統電話(huà)的語(yǔ)音傳輸質(zhì)量和可靠性都很好，但資費較高，特別是打國際長(cháng)途時(shí)；而基于IP網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音通信由于是在Internet上傳輸信號，大大節省了通信線(xiàn)路的成本，從而降低了VOIP資費，使其擁有了巨大的市場(chǎng)潛力。
目前，VOIP系統現有的終端軟件，如Skype網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、UUCall網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、KC網(wǎng)絡(luò )電話(huà)、Mierosoft公司的Netmeeting等，都是基于PC機的，難以運行在嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端這種資源有限的設備上。同時(shí)，許多類(lèi)庫中的函數在PC機上可以正常運行，而WinCE嵌入式操作系統卻不支持，因此不能直接對VOIP系統現有的終端軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的裁剪。
1.嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端的硬件設計
1.1 系統硬件結構
如圖1所示，系統由嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端、電源模塊、以太網(wǎng)口模塊、串口和USB接口模塊、顯示模塊(觸摸屏)、語(yǔ)音采集和播放模塊、外部數據存儲模塊以及系統工作狀態(tài)指示和接口模塊構成。其中，嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端采用三星公司專(zhuān)門(mén)針對手持設備而設計的S3C2440A-40微處理器。
1.2 語(yǔ)音采集和播放模塊
語(yǔ)音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號轉換為數字信號，并對信號進(jìn)行PCM編碼。其電路如圖2所示。采用Philips公司的UDA1341 TS型立體聲音頻CODEC進(jìn)行音頻編解碼。該芯片提供2個(gè)麥克風(fēng)輸入，可實(shí)現單端輸入、差分輸入等靈活配置，并設置了可編程增益放大器和自動(dòng)增益控制器，可保證高質(zhì)量的音頻獲取；同時(shí)，還集成了聽(tīng)筒和喇叭輸出的驅動(dòng)器，喇叭音量可以通過(guò)編程調整。S3C2440A-40微處理器與UDA1341TS編解碼器通過(guò)I2S總線(xiàn)直接相連，并采用DMA發(fā)送／接收方式，完成系統的錄音和放音。
1.3 嵌入式操作系統
嵌入式操作系統采用了微軟公司研發(fā)的WinCE。它是一款功能強大的32位嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，具有多線(xiàn)程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)，是專(zhuān)為各種受到嚴格資源限制的硬件系統所設計的。WinCE支持多種硬件外圍設備，同時(shí)內置的標準通信能力使WinCE能夠訪(fǎng)問(wèn)Internet并收發(fā)E-mail或瀏覽Web。除此之外，WinCE特有的與Windows類(lèi)似的用戶(hù)界面使最終用戶(hù)易于使用。
2.VOIP技術(shù)
2.1 VOIP的基本原理
VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò )為傳輸平臺，通過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對語(yǔ)音數據進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語(yǔ)音數據按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )把數據包傳輸到接收地，再把這些語(yǔ)音數據包串起來(lái)，經(jīng)過(guò)解碼解壓處理后恢復成原來(lái)的語(yǔ)音信號，從而達到由IP網(wǎng)絡(luò )傳送語(yǔ)音的目的。其特點(diǎn)是可以將一路語(yǔ)音數據壓縮為8
kb／s甚至更低，同時(shí)可使用戶(hù)不需要獨占醫療線(xiàn)路資源，從而提高了線(xiàn)路利用率，并大大降低了資費成本。
2.2 VOIP協(xié)議
VOIP技術(shù)中最主要的兩種呼叫控制協(xié)議為H．323協(xié)議和SIP協(xié)議。H．323是ITU的一個(gè)標準協(xié)議簇，制定了無(wú)服務(wù)質(zhì)量保證的分組網(wǎng)絡(luò )(PBN)上的多媒體通信系統標準，已在VOIP領(lǐng)域的到了廣泛的應用，呼叫建立比較復雜。SIP協(xié)議是由IETF(國際互聯(lián)網(wǎng)標準制定組織)制定的面向Internet會(huì )議和電話(huà)的信令協(xié)議，參照了HTTP和SMTP協(xié)議，呼叫控制在終端完成，呼叫建立相對簡(jiǎn)單。
2.3 語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)
語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)是VOIP技術(shù)的核心，其目的就是在保證語(yǔ)音音質(zhì)和可懂的條件下，采用盡可能少的比特數來(lái)表示語(yǔ)音。常用的語(yǔ)音編碼方式有G．723．1、G．729、G．729A等，其中G．729可將采樣為64
kb／s的話(huà)音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8kb／s。本設計采用了G．729方式的語(yǔ)音壓縮算法，結合實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和UDP網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現語(yǔ)音傳輸。
3.系統設計
3.1 終端軟件的功能模塊
終端軟件功能模塊如圖3所示。此終端軟件可為用戶(hù)提供良好的交互界面。
3.2 VOIP終端軟件主流程
用戶(hù)打開(kāi)終端軟件，可以根據自己的需要選擇語(yǔ)音聊天、文本聊天或者收發(fā)郵件。進(jìn)行語(yǔ)音聊天前，用戶(hù)可以直接在好友欄中選擇聊天對象，也可直接輸入對方的IP進(jìn)行連接。語(yǔ)音聊天的過(guò)程是：說(shuō)話(huà)方，麥克風(fēng)采集模擬語(yǔ)音信號→語(yǔ)音芯片采集量化編碼→嵌入式系統對信號進(jìn)行壓縮編碼→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸；收聽(tīng)方，接收語(yǔ)音數據→去IP／UDP／RTP包頭→嵌入式系統對信號解碼→語(yǔ)音芯片將數字語(yǔ)音信號轉為模擬信號→揚聲器播放。
4.系統實(shí)現
4.1 語(yǔ)音采集和播放
語(yǔ)音信號的采集分為從網(wǎng)絡(luò )上采集數據和從音頻編解碼器中獲取數據。主要函數包括：語(yǔ)音采集函數VoiceCapture()，用線(xiàn)程控制語(yǔ)音采集函數Thread
Voice Capture()，創(chuàng )建用于播放的音頻設備對象函數Play Device()，創(chuàng )建音頻捕捉設備對象函數Caputer Device()，創(chuàng )建音頻捕捉緩沖區對象函數Capture
Buffer()，創(chuàng )建輔助緩沖區函數Secondary Buffer()，音頻格式設置函數Set Wave Format()，通知事件觸發(fā)函數Notification()，停止語(yǔ)音采集函數Voice
Stop()，從字節數組中獲取音頻數據并進(jìn)行播放函數Get VoiceData()以及語(yǔ)音采集初始化函數Initialize Voiee()。
4.1.1 Get Voice Data()函數
具體流程如圖4所示。從網(wǎng)絡(luò )上獲取的數據實(shí)際是由Local Socket．Begin Receive From()函數提取網(wǎng)絡(luò )數據，再經(jīng)接收數據函數轉移給Get
Voice Data()函數，Get Voice Data()函數提取后放入語(yǔ)音緩沖區供音頻編解碼器提取并播放。Get Voice Data()函數首先用支持存儲區為內存的流Memory
Stream從緩沖區讀取數據byte Receive，將字節塊寫(xiě)入當前流：
Memory Stream．Write(byte Receive，0，intReceive)
當流中存儲的數據達到一定數據量時(shí)就播放語(yǔ)音：SecondaryBuffer．Write(0，Memory Stream，int Postion
Write-in-tPostioPlay，LockFlag．From Write Cursor)Secondary Buffer．Play(0，Buffer
Play Flags．Default)
4.1.2 采集音頻編碼器語(yǔ)音數據
從音頻編解碼器中獲取數據時(shí)，首先通過(guò)UDA1341TS采集語(yǔ)音信號放入語(yǔ)音捕捉緩存區，應用程序再從語(yǔ)音捕捉緩沖獲取語(yǔ)音信號并發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。
4.2 語(yǔ)音傳輸
語(yǔ)音傳輸是主要包含監聽(tīng)函數Listen()，數據發(fā)送函數SendVoice()，數據接收函數Receive Data()，綁定自己IP和端口函數BindSelf()，遠程終端IP端口設置函數SetRemoteIPEnd()、線(xiàn)程關(guān)閉函數ThreadStop()函數和初始化函數InitVoice()。
4.2.1 監聽(tīng)函數
監聽(tīng)函數負責監聽(tīng)遠程計算機發(fā)送到本機的信息。每隔一定時(shí)間查詢(xún)一下網(wǎng)絡(luò )，如果有可讀的數據就接收：LocalSocket．BeginRecei-veFrom(byteData，0，byteData．Length，SocketFlags．None，ref
endPoint，new AsyncCallback(ReceiveData)，null)并且將此線(xiàn)程設置為后臺線(xiàn)程，以便當主線(xiàn)程關(guān)閉時(shí)，此線(xiàn)程能自動(dòng)結束。
4.2.2 數據發(fā)送函數
數據發(fā)送函數的作用是將語(yǔ)音捕捉緩沖區的數據通過(guò)Client．SendTo(CaptureData，EndPoint)函數發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。當線(xiàn)程發(fā)現有數據要讀取(即線(xiàn)程被觸發(fā))時(shí)，就會(huì )循環(huán)調用數據發(fā)送函數，直到?jīng)]有可讀的數據為止。CaptureBuffer為語(yǔ)音捕捉緩沖區對象。數據發(fā)送流程如圖6所示。
4.2.3 數據接收函數
數據接收函數的功能主要是調用GetVoiceData()函數從網(wǎng)絡(luò )中接收語(yǔ)音數據并放入緩沖區。代碼如下：
結語(yǔ)
以Internet為標志的嵌入式系統是嵌入式系統發(fā)展的第四階段。本文在基于A(yíng)RM+網(wǎng)卡芯片+UDA1341TS音頻編解碼芯片模式的硬件平臺實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )資源的對接及語(yǔ)音采集和播放的基礎上，開(kāi)發(fā)了基于WinCE嵌入式操作系統的VOIP系統終端軟件，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )終端間的語(yǔ)音通信。
電子工程世界
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