嵌入式高級(jí)企業(yè)項(xiàng)目培訓(xùn)課程_一種嵌入式VOWiFi電話終端設(shè)計(jì)

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嵌入式高級(jí)企業(yè)項(xiàng)目培訓(xùn)課程_一種嵌入式VOWiFi電話終端設(shè)計(jì),   

  

引 言

下一代網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Network），又稱為次世代網(wǎng)絡(luò)。主要思想是在一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上以統(tǒng)一管理的方式提供多媒體業(yè)務(wù)，整合現(xiàn)有的市內(nèi)固定電話、移動(dòng)電話的基礎(chǔ)上（統(tǒng)稱FMC），增加多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)及其他增值型服務(wù)。其中話音的交換將采用軟交換技術(shù)，而平臺(tái)的主要實(shí)現(xiàn)方式為IP技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一通信其中voip將是下一代網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重點(diǎn)。為了強(qiáng)調(diào)IP技術(shù)的重要性，業(yè)界的主要公司之一思科公司（Cisco Systems）主張稱為IP-NGN

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（Voice over Internet Protocol）簡(jiǎn)而言之就是將模擬聲音訊號(hào)（Voice）數(shù)字化，以數(shù)據(jù)封包（Data Packet）的型式在 IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) （IP Network）上做實(shí)時(shí)傳遞。 VoIP最大的優(yōu)勢(shì)是能廣泛地采用Internet和全球IP互連的環(huán)境，提供比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)更多、更好的服務(wù)。 VoIP可以在IP網(wǎng)絡(luò)上便宜的傳送語(yǔ)音、傳真、視頻、和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，如統(tǒng)一消息、虛擬電話、虛擬語(yǔ)音/傳真郵箱、查號(hào)業(yè)務(wù)、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、電視會(huì)議、電子商務(wù)、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和各種信息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等。 在未來(lái)的3到5年，2009年的中國(guó)VoIP市場(chǎng)流量將達(dá)到9950億分鐘，而具有更強(qiáng)大實(shí)力的新VoIP服務(wù)供應(yīng)商也會(huì)涌入市場(chǎng)。無(wú)線VoIP在不久的將來(lái)會(huì)與傳統(tǒng)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)并存和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，而不是對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線通信的一種廉價(jià)替代物。

與此同時(shí)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)發(fā)展迅速。

WLAN主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)際廠商的支持和市場(chǎng)的廣泛認(rèn)同。無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks； WLAN）是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency； RF）的技術(shù)，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過(guò)它，達(dá)到「信息隨身化、便利走天下」的理想境界。對(duì)于局域網(wǎng)絡(luò)管理主要工作之一，對(duì)于鋪設(shè)電纜或是檢查電纜是否斷線這種耗時(shí)的工作，很容易令人煩躁，也不容易在短時(shí)間內(nèi)找出斷線所在。再者，由于配合企業(yè)及應(yīng)用環(huán)境不斷的更新與發(fā)展，原有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須配合重新布局，需要重新安裝網(wǎng)絡(luò)線路，雖然電纜本身并不貴，可是請(qǐng)技術(shù)人員來(lái)配線的成本很高，尤其是老舊的大樓，配線工程費(fèi)用就更高了。因此，架設(shè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)就成為最佳解決方案。

1 技術(shù)方案

嵌入式VoWiFi電話是能夠在802.11a／b／g無(wú)線局域網(wǎng)上進(jìn)行電話通信的設(shè)備。為了能在802.1la／b／g上實(shí)現(xiàn)電話通信，必須采用VoIP技術(shù)，本系統(tǒng)VoIP標(biāo)準(zhǔn)可以選擇更靈活的SIP協(xié)議。為了能實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議，完成各種控制和管理工作，滿足今后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要，需采用基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)。為了提高硬件設(shè)計(jì)的靈活性和軟件代碼在平臺(tái)間的可移植性，本系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)采用了模塊化的方法。在硬件上，把系統(tǒng)劃分為以太網(wǎng)接口、USB無(wú)線網(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(tǒng)分離底層硬件平臺(tái)和上層應(yīng)用。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

VoWiFi電話硬件技術(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)線模塊、語(yǔ)音信號(hào)處理模塊、鍵盤(pán)和LCD電路。ARM嵌入式系統(tǒng)是VoWiFi電話通信控制和管理的核心，它負(fù)責(zé)操作系統(tǒng)的運(yùn)行、資源的管理和分配、信息數(shù)據(jù)的處理以及與外部擴(kuò)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。

  

802.11b／g無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)空中無(wú)線接口和無(wú)線局域網(wǎng)接入功能。選用VIA威盛公司的VT6656 USB無(wú)線網(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。

在ARM9開(kāi)發(fā)板內(nèi)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(fù)責(zé)控制信號(hào)的邏輯組合。

  

語(yǔ)音信號(hào)處理模塊用于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化處理。本終端的音頻接口由I2S音頻總線接口和UDAl341TS音頻編解碼器組成，I2S接口采用DMA的數(shù)據(jù)傳輸模式。UDAl341TS是一款經(jīng)濟(jì)型音頻編解碼器，它通過(guò)I2S數(shù)字音頻接口實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)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(jī)接口，在ARM嵌入式系統(tǒng)支持下實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)操作�？紤]到LCD顯示器主要用于號(hào)碼以及各種狀態(tài)標(biāo)識(shí)顯示，因此采用背光的128×64圖形點(diǎn)陣LCD模塊。LCD（ Liquid Crystal Display），對(duì)于許多的用戶而言可能是一個(gè)并不算新鮮的名詞了，不過(guò)這種技術(shù)存在的歷史可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們的想像 －早在19世紀(jì)末，奧地利植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了液晶，即液態(tài)的晶體，也就是說(shuō)一種物質(zhì)同時(shí)具備了液體的流動(dòng)性和類(lèi)似晶體的某種排列特性。在電場(chǎng)的作用下，液晶分子的排列會(huì)產(chǎn)生變化。從而影響到它的光學(xué)性質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做電光效應(yīng)。利用液晶的電光效應(yīng)，英國(guó)科學(xué)家在上世紀(jì)制造了第一塊液晶顯示器即LCD。今天的液晶顯示器中廣泛采用的是定線狀液晶，如果我們微觀去看它，會(huì)發(fā)現(xiàn)它特象棉花棒。與傳統(tǒng)的CRT相比，LCD不但體積小，厚度�。�目前14.1英寸的整機(jī)厚度可做到只有5厘米），重量輕、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作電壓低（1.5到6V）且無(wú)輻射，無(wú)閃爍并能直接與CMOS集成電路匹配。由于優(yōu)點(diǎn)眾多，LCD從1998年開(kāi)始進(jìn)入臺(tái)式機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。

3 軟件設(shè)計(jì)

本嵌入式WLAN SIP電話終端的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體來(lái)說(shuō)，需要如下的軟件。

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（1）嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)

提供了嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有將CPU時(shí)間、中斷、I／0、定時(shí)器等資源包裝起來(lái)而留給用戶標(biāo)準(zhǔn)的API系統(tǒng)調(diào)用，對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)度以保證實(shí)時(shí)性和可靠性等功能。

（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(hù)和終結(jié)，以及根據(jù)呼叫進(jìn)展情況動(dòng)態(tài)調(diào)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(jī)的保存與轉(zhuǎn)換、SIP對(duì)話的管理、SIP事務(wù)處理機(jī)制的運(yùn)行、SDP消息的構(gòu)造、解析和雙方媒體協(xié)商處理，以及終端的注冊(cè)等功能。SIP是類(lèi)似于HTTP的基于文本的協(xié)議。SIP可以減少應(yīng)用特別是高級(jí)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)間。由于基于IP協(xié)議的SIP利用了IP網(wǎng)絡(luò)，固定網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商也會(huì)逐漸認(rèn)識(shí)到SIP技術(shù)對(duì)于他們的深遠(yuǎn)意義。SIP（Session Initiation Protocol）是一個(gè)會(huì)話層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個(gè)或多個(gè)參與者的會(huì)話。這些會(huì)話可以好似Internet多媒體會(huì)議、IP電話或多媒體分發(fā)。會(huì)話的參與者可以通過(guò)組播（multicast）、網(wǎng)狀單播（unicast）或兩者的混合體進(jìn)行通信。

（3）語(yǔ)音處理軟件

語(yǔ)音處理軟件用于實(shí)現(xiàn)用戶間完整的語(yǔ)音交互，可進(jìn)一步劃分為：

①語(yǔ)音處理模塊。負(fù)責(zé)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集、編解碼和播放，這里采用全世界的電路電話交換網(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(shù)據(jù)包的RTP封裝與分解，以及數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。SIP協(xié)議和語(yǔ)音處理是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，按照建立SIP會(huì)話在前、建立媒體流連接在后，拆除媒體流連接在前、拆除SIP會(huì)話在后的順序工作。

（4）硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)

硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括無(wú)線網(wǎng)卡、鍵盤(pán)和LCD驅(qū)動(dòng)。將驅(qū)動(dòng)程序編譯成內(nèi)核的一個(gè)可載入模塊并鏈入內(nèi)核，生成新的可以在目標(biāo)板上運(yùn)行的內(nèi)核，然后將內(nèi)核燒入目標(biāo)板的Flash中，使它們能正常使用。

（5）終端應(yīng)用程序

終端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)終端程序的初始化，創(chuàng)建線程；管理程序中各模塊信息，為它們分配資源；通過(guò)與用戶的交互，負(fù)責(zé)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用戶代理的運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的呼叫發(fā)起、呼叫響應(yīng)及呼叫結(jié)束的功能。

在整個(gè)系統(tǒng)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(xiàn)的。語(yǔ)音數(shù)據(jù)要求比較高的實(shí)時(shí)性及處理速度，而且語(yǔ)音數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)可能出現(xiàn)的因可靠性問(wèn)題而產(chǎn)生的丟包現(xiàn)象不是很敏感，所以使用UDP作為語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸載體。

在整個(gè)會(huì)話過(guò)程中，用來(lái)保障實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議是RTP協(xié)議。RTP算法并不作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分。

4 工作過(guò)程與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 工作過(guò)程

采用嵌入式VOWiFi電話終端、無(wú)線AP和基于PC機(jī)的SIP軟電話為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。VoWiFi終端工作過(guò)程為：音頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)MIC后送入音頻處理單元，完成聲音信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)封裝。ARM9處理器則通過(guò)I2S總線由DMA方式把封裝后的數(shù)據(jù)讀取到片外緩存單元SDRAM，當(dāng)所開(kāi)辟的緩存區(qū)域存滿后，運(yùn)行無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，把IP包通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送出去。在PC上運(yùn)行的SIP軟電話收到發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)應(yīng)用層軟件把IP包中的音頻數(shù)據(jù)取出，然后調(diào)用PC聲卡驅(qū)動(dòng)，并把數(shù)據(jù)送入聲卡還原成模擬話音。反方向的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)似，只是數(shù)據(jù)是由運(yùn)行于宿主機(jī)上TCP／IP的客戶端程序發(fā)送。

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)終端的注冊(cè)、呼叫、撤銷(xiāo)呼叫、語(yǔ)音通信等功能進(jìn)行測(cè)試，終端可以對(duì)SIP信令過(guò)程進(jìn)行很好的控制，從而實(shí)現(xiàn)注冊(cè)、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(nèi)語(yǔ)音質(zhì)量較好，延遲較小。

結(jié) 語(yǔ)

在介紹VoIP原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ARM9平臺(tái)的嵌入式VoWiFi電話終端的軟硬件。該設(shè)計(jì)采用當(dāng)前最流行的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線局域網(wǎng)上VoIP語(yǔ)音通話功能。創(chuàng)新點(diǎn)在于：在802.11a／b／g無(wú)線局域網(wǎng)（wLAN）上，采用VoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)VoWiFi電話終端語(yǔ)音通話功能。



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