基于軟核CPU技術(shù)的IP電話(huà)接口設計
許文建，付慧生，陳洪波，閻靜杰 2009/03/31
摘要：提出了一種基于會(huì )話(huà)初始化協(xié)議的VoIP系統(包括IP電話(huà)終端、SIP服務(wù)器和PSTN接入端口)，并對SIF，與PSTN的互聯(lián)進(jìn)行了系統級構建。利用Ahera的SOPC軟核CPU技術(shù)和Nios
II處理器構建了一個(gè)IP電話(huà)終端。該設計具有靈活的可擴展性，能夠在實(shí)現語(yǔ)音通信的基礎上較容易地擴展視頻接口、短信平臺等多媒體功能，給產(chǎn)品用戶(hù)和運營(yíng)商提供了一種低成本的多媒體網(wǎng)絡(luò )通信終端設備，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：VoIP技術(shù)；SOPC；IP電話(huà)終端；NiosⅡ；軟核CPU技術(shù)
l.引言
VoIP技術(shù)是一種基于IP數據網(wǎng)的語(yǔ)音傳輸技術(shù)，它將標準的語(yǔ)音信號轉換成壓縮的數據報后在數據網(wǎng)絡(luò )而非傳統的電話(huà)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，是一種實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信技術(shù)。在利用VoIP技術(shù)進(jìn)行通信時(shí)，一般先使用語(yǔ)音壓縮算法對語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮編碼處理，再按IP標準進(jìn)行打包，經(jīng)Internet發(fā)送到接收地；接收端把這些語(yǔ)音數據報串起來(lái)，經(jīng)解碼解壓縮處理后恢復成原來(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。其關(guān)鍵技術(shù)包括：信令、媒體編碼、媒體實(shí)時(shí)傳輸、業(yè)務(wù)質(zhì)量保障和網(wǎng)絡(luò )傳輸等。
當然，VoIP不是非電話(huà)網(wǎng)上傳送語(yǔ)音業(yè)務(wù)的惟一方式，實(shí)際上，存在另外兩種快速、高效、價(jià)格合理的能達到長(cháng)途話(huà)音傳輸的方法，即幀中繼語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(Voice
over Frame Relay，VoFR)和ATM語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(Voice over Asynchronous Transfer
Mode，VoATM基于異步傳輸模式的語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )技術(shù))，但目前這兩種技術(shù)的發(fā)展速度較緩，技術(shù)不夠成熟。
2.硬件系統設計
一個(gè)完整的VoIP系統應包含IP電話(huà)終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、網(wǎng)管系統、計費系統等幾部分。本文重點(diǎn)研究可直接掛接在計算機網(wǎng)絡(luò )上的IP電話(huà)終端。
2.1 硬件系統方案
通過(guò)對國內外VoIP技術(shù)的研究，要面向社會(huì )推廣價(jià)格低廉的IP電話(huà)業(yè)務(wù)，普通用戶(hù)的電話(huà)終端成本，運營(yíng)商的設備、管理成本都是必須考慮的因素。因此，設計出了一個(gè)VoIP系統方案，如圖1所示。
該設計方案具有一個(gè)功能可擴展的基于軟核CPU技術(shù)的IP電話(huà)終端；具備基于會(huì )話(huà)初始化協(xié)議的SIP服務(wù)器，該協(xié)議是專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )會(huì )話(huà)而生的；并利用語(yǔ)音接口卡實(shí)現SIP與PSTN的互聯(lián)。具有技術(shù)先進(jìn)、針對性強和通用性好等特點(diǎn)，是可行有效的。
2.2 IP電話(huà)終端硬件設計
根據1P電話(huà)終端的硬件需求，為該終端配置了音頻接入口、音頻編解碼芯片WM8731；網(wǎng)絡(luò )接口芯片DM9000A；存儲器IC42S16400；主控制器EP2C35；直流電源9
V，如圖2所示。
IP電話(huà)終端采用直流9 V供電，通過(guò)穩壓芯片(輸出+5 V)為電路板供電．終端的A/D、D/A轉換器選用了Wolfson公司的24
b音頻編解碼芯片WM8731，以太網(wǎng)傳輸部分選用了Davicom公司的網(wǎng)絡(luò )接口芯片DM9000A，并為輸入撥號配備了鍵盤(pán)(號碼撥盤(pán))，為實(shí)現語(yǔ)音數據存儲，還在電路上給終端配置了存儲器(SDRAM，SRAM，FLASH)，用戶(hù)可以根據自己的情況選擇包含所有或其中任一種存儲器的電話(huà)機。本設計選用了其中的SDRAM作語(yǔ)音數據存儲器。
2.2.1 撥號電路
為實(shí)現IP電話(huà)與普通電話(huà)的通用性，該終端加入鍵盤(pán)模塊，按鍵開(kāi)關(guān)KEY0～KEY9，KEY_X，KEY_Y，KEY_ON，KEY_OFF(其中，除KEY_ON和KEY_OFF是鎖閉式按鍵外，其余均為非鎖閉式按鍵)采用行列掃描式接法，加入了74HC245總線(xiàn)收發(fā)器作為緩沖器，電路如圖3所示(由于按鍵過(guò)多，圖中僅給出KEY0～KEY3電路)。
每個(gè)這種開(kāi)關(guān)用來(lái)控制史密特觸發(fā)電路，史密特觸發(fā)裝置的14個(gè)出口直接與CycloneⅡFPGA相連。每個(gè)開(kāi)關(guān)當不按下時(shí)提供一個(gè)高電平(3.3
V)。在按下時(shí)提供一個(gè)低電平(0V)。非鎖閉式按鍵開(kāi)關(guān)是反彈的，它們相當于電路的時(shí)鐘或復位輸入；鎖閉式按鍵是不可反彈的，按下時(shí)相當于一個(gè)邏輯低電平(0V)，彈出時(shí)提供一個(gè)邏輯高電平(3.3
V)。
2.2.2 音頻輸入及編解碼
音頻輸入及編解碼電路是通過(guò)Wolfson公司的WM8731編解碼器(編碼器和解碼器)實(shí)現的。它可以提供高質(zhì)量的24b/s音頻，由一系列的I2C總線(xiàn)接口控制，這些接口連接到Cyclone
II FPGA的引腳上。硬件電路如圖4所示。
3.軟核CPU的構建
Altera推出的Nios/NiosⅡ系列嵌入式處理器擴展了目前世界上最流行的嵌入式軟核處理器的性能，是Altera公司為其FPGA產(chǎn)品配套開(kāi)發(fā)的軟核CPU。在邏輯功能上，它們是32
b的精簡(jiǎn)指令集CPU，用戶(hù)可以獲得超過(guò)200 DMIPS(Dhrystone Millions of Instructions
Per Sec—ond，百萬(wàn)條指令/秒)的性能，并從三種處理器(e型、s型、f型)以及超過(guò)60個(gè)的IP核中選擇所需要的。NiosⅡ系統為用戶(hù)提供了最基本的多功能性，設計師可以據此創(chuàng )建一個(gè)最適合他們需求的嵌入式系統。Nios及NiosⅡ處理器通過(guò)FPGA編程的方式實(shí)現用戶(hù)所需，這是與傳統的CPU的一個(gè)根本的差別。
SOPC系統的平臺包括：Altera的Nios處理器、Aval—on總線(xiàn)，片內外存儲器以及外設模塊等。利用SOPCBuilder，用戶(hù)可以很方便地將處理器、存儲器和其他外設模塊連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統。其中，SOPC
Build—er中已包含了Nios處理器和其他一些常用的外設IP模塊。用戶(hù)也可以設計自己的外設IP。
可見(jiàn)，利用SOPC的軟核CPU技術(shù)在以下方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢：提高系統性能；更低的系統成本；應對產(chǎn)品的生命周期；功能強大、易用的開(kāi)發(fā)工具等。
SOPC Builder是QuartusⅡ附帶的一個(gè)用來(lái)開(kāi)發(fā)基于處理器、外圍以及存儲器的片上可編程系統的開(kāi)發(fā)工具。SOPC
Builder可以根據用戶(hù)的編輯實(shí)時(shí)地生成．ptf文件；系統PTF文件類(lèi)似于一個(gè)數據庫文件，它存儲了系統模塊列表，模塊信息等。
在SOPC Builder環(huán)境里，用戶(hù)可以直接調用軟件提供的用于構建CPU的基本模塊，也可以自定義模塊。本課題需要的模塊中，網(wǎng)絡(luò )接口與語(yǔ)音處理接口需要自定義，在構建前必須有二者的源文件，設計采用了Verilog
HDL書(shū)寫(xiě)源程序，事先寫(xiě)好了DM9000A．v和Open_I2C．v兩個(gè)底層程序。
前述SDRAM接口、鍵盤(pán)輸入接口、網(wǎng)絡(luò )接口芯片接口、音頻處理接口和I2C接口均連接到Avalon總線(xiàn)，相當于總線(xiàn)的外掛設備。構建完成，選擇自動(dòng)生成地址，其結果如圖5所示。
構建完成后生成(Generate)．bsf格式文件system．bsf，轉到QuartusⅡ環(huán)境下可以直接調用，相當于一個(gè)自定義的控制器芯片。
4.接口電路的軟件設計
4.1 軟件設計
作為IP網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)端點(diǎn)，IP電話(huà)必須像其他IP終端一樣，為其分配IP地址、子網(wǎng)掩碼、缺省路由器、DNS(Do—main
Name System，域名系統)等。同時(shí)它存在自動(dòng)和人-工兩種配置方式，自動(dòng)方式的IP電話(huà)必須使能DHCP(Dynamic
Host Configuration Protocol，動(dòng)態(tài)主機分配協(xié)議)，手動(dòng)方式由用戶(hù)對IP電話(huà)配置必要的信息。整個(gè)IP終端的軟件設計包括了主控制器、網(wǎng)絡(luò )接口、音頻輸入／輸出口和可選擇的存儲器等部分的設計，其軟件系統結構如圖6所示。
首先使用SOPC Builder系統工具構建了一個(gè)NiosCPU作為整個(gè)系統的處理器核，它的Avalon總線(xiàn)對其他接口及控制器進(jìn)行指令和數據傳輸，包括：由內部定時(shí)器控制的Avalon總線(xiàn)；為Nios
CPU配置了JATG通用異步收發(fā)器UART；為可選擇的片外存儲器配備了專(zhuān)用存儲器接口；控制語(yǔ)音輸入輸出的音頻數據接口，實(shí)現語(yǔ)音編解碼的控制和流處理；以太網(wǎng)接口負責CPU與DM9000A的數據收發(fā)和協(xié)議轉換。
工作過(guò)程如下：
當撥號確認后，主控制器對編解碼器發(fā)送控制指令，開(kāi)始語(yǔ)音A/D轉換，并進(jìn)行編碼，送到片外存儲器內進(jìn)行緩存；Nios CPU對撥號信息的解析確定。目的地址，通過(guò)Avalon總線(xiàn)對以太網(wǎng)接口發(fā)送數據傳輸指令；將符合以太網(wǎng)標準的數據從片外存儲器內讀出，送入Internet中，返回確認信息。系統處理流程圖如圖7所示。
4.2 I2C語(yǔ)音模塊
由于語(yǔ)音編解碼器的處理延時(shí)是影響VoIP話(huà)音質(zhì)量的因素之一，為了保證語(yǔ)音編解碼的實(shí)時(shí)性，軟件系統在控制WM8731編解碼器的編解碼同時(shí)，加入了I2C語(yǔ)音模塊，以實(shí)現語(yǔ)音數據的實(shí)時(shí)處理。它采用自頂向下設計方法利用QuartusⅡ進(jìn)行設計。
I2C是一種雙向制串行總線(xiàn)協(xié)議，只有總線(xiàn)處于“非忙”狀態(tài)時(shí)，數據傳輸才能被初始化。數據傳輸期間，只要時(shí)鐘線(xiàn)為高電平，數據線(xiàn)都必須保持穩定，否則數據線(xiàn)上的任何變化都被當作“啟動(dòng)”或“停止”信號。它實(shí)現數據的實(shí)時(shí)傳輸。
首先在QuartusⅡ環(huán)境內創(chuàng )建一個(gè)名為I2C的原理圖文件，然后建立包括各個(gè)模塊的頂層圖(使用Altera提供的LPM功能模塊或者建立自己的功能模塊)，在頂層圖中將各個(gè)功能模塊進(jìn)行連接，如圖8所示。
調試通過(guò)以后必須對其引腳進(jìn)行手動(dòng)設置，以便程序的下載，如圖9所示。
將Wolfson WM8731音頻編解碼器被配置為控制模式，可以自動(dòng)產(chǎn)生AD/DA的連續比特時(shí)鐘和左/右聲道時(shí)鐘(CLOCK_500．v)。編解碼系統采樣頻率設定為48
kHz。
I2C．v程序流程見(jiàn)圖10。
在QuartusⅡ中對本模塊進(jìn)行測試，輸入頻率50 MHz，波形結果如圖11所示。
AUD_ADCDAT與AUD_DACDAT分別為I2C總線(xiàn)的輸入輸出，由圖11中可見(jiàn)其延遲為9．033 ns，實(shí)現了語(yǔ)音數據的實(shí)時(shí)處理。
5.結語(yǔ)
本文研究并設計了一個(gè)基于SIP的IP電話(huà)終端，其結構比較完整。同時(shí)對系統進(jìn)行了分塊測試和環(huán)境測試，實(shí)現了語(yǔ)音數據的A/D、D/A實(shí)時(shí)轉換，進(jìn)行了數據報的收發(fā)。同時(shí)，本文提出的SIP與PSTN的互聯(lián)模型，使用戶(hù)(尤其是長(cháng)途電話(huà)用戶(hù))不必擔心SIP
IP終端與PSTN用戶(hù)的連接，可以在運營(yíng)商的支持下自由地同其他用戶(hù)進(jìn)行通信，而不用擔心產(chǎn)生高昂的通話(huà)費用。
Altera公司的軟件開(kāi)發(fā)工具QuflrtusⅡ和NiosⅡ因其功能強大、可移植性強、可擴展性高，作為CPU開(kāi)發(fā)，給大系統的升級與擴展提供了簡(jiǎn)便的操作界面與操作方法。
從長(cháng)遠來(lái)看，在VoIP技術(shù)發(fā)展過(guò)程中僅實(shí)現語(yǔ)音傳輸功能是遠遠不夠的。但利用Altera公司的軟核CPU技術(shù)，若在本文研究的基礎上添加短信平臺、VGA接口等，則IP電話(huà)終端就不僅能實(shí)現語(yǔ)音通信，還能實(shí)現短消息傳輸、視頻通訊等，或者與一些數據平臺服務(wù)商聯(lián)合，為用戶(hù)提供數字點(diǎn)播等服務(wù)，以成為一個(gè)功能強大的多媒體通信終端。
現代電子技術(shù)
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