基于USB接口的VoIP手柄設(shè)計(jì)

引 言
    VoIP是指將語音信號進(jìn)行編碼、壓縮和分包等處理，通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一計(jì)算機(jī)、普通電話普通電話、計(jì)算機(jī)與普通電話之間進(jìn)行話音通信的技術(shù)?，F(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和語音壓縮編碼技術(shù)的進(jìn)步，在技術(shù)上保證了IP電話在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)目尚行?；而H．323標(biāo)準(zhǔn)的頒布和SIP協(xié)議的應(yīng)用，使得IP語音業(yè)務(wù)能夠在Internet網(wǎng)上迅速開展起來，并有望成為一種核心和關(guān)鍵技術(shù)。這種通信方式的經(jīng)濟(jì)性和軟交換的特點(diǎn)，使它具有非常廣闊的發(fā)展前景。
    USB接口是一種應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，最早由Compaq、Intel、Microsoft等多家公司在1994年11月共同提出的，其目的是用USB來取代PC現(xiàn)有的各種外圍接口，使外圍設(shè)備的連接具有單一化、即插即用、熱插拔、速率高和易擴(kuò)展等特點(diǎn)。本文介紹的基于PC終端USB接口的VoIP手柄(話機(jī))，就是利用USB接口的特點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)的。

1 VoIP手柄的方案設(shè)計(jì)
    本機(jī)的實(shí)現(xiàn)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩部分。
1.1 硬件總體方案
    VoIP手柄的通話是通過USB接口來實(shí)現(xiàn)的，所以硬件主要包括USB接口芯片AN2131QC、語音處理芯片MCl45483，另外還包括撥號鍵盤部分、顯示部分、電源處理部分等，其總體硬件框架結(jié)構(gòu)如圖l所示。其中撥號鍵盤主要采取編碼方式，通過AN2131QC的I／O檢測獲得按鍵信息。顯示部分為液晶顯示，可以顯示呼叫號碼、呼叫狀態(tài)、時(shí)間、日期和星期等信息。串行EEPROM的主要功能是存儲制造商信息、產(chǎn)品信息和設(shè)備信息。當(dāng)上電時(shí)，如果主控芯片的核檢測到EEPROM連接在I2C總線上，將首先處理這些信息。

1．2 AN2131QC芯片應(yīng)用介紹
    本設(shè)計(jì)選擇的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的，允許無限制設(shè)置和升級的解決方案，支持全速USB總線吞吐量的傳輸。在芯片內(nèi)核中提供大量的輔助指令，簡化了編碼，同時(shí)也加快了對USB特性的開發(fā)。芯片的簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。AN2132QC內(nèi)部有一個(gè)核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口兩部分組成。SIE負(fù)責(zé)和USB收發(fā)器、USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的編／解碼、差錯(cuò)控制、位填充等與USB協(xié)議相關(guān)的功能。

1．3 MCl45483語音芯片應(yīng)用介紹
    語音編碼也是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。語音編解碼芯片選擇的是MC145483，這款芯片的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在具有2 s補(bǔ)償?shù)?3位線性PCM編碼／解碼濾波器，實(shí)現(xiàn)語音信號的數(shù)字化和重構(gòu)；工作電壓為3 V，功耗為8 mW，待機(jī)功耗僅為O．01 mW，只需單電源供電，因此減少了雙電源供電所帶來的電源干擾問題，提高了語聲質(zhì)量；該芯片還可以調(diào)節(jié)增益，設(shè)計(jì)簡單，具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。此設(shè)計(jì)能夠很好地滿足VoIP手柄的高質(zhì)量語音編／解碼功能的要求。

2 軟件功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 AN2131QC的USB自舉啟動
    當(dāng)AN213lQC芯片復(fù)位(RESET)后，AN2131QC將自舉啟動檢查I2C總線上的EEPROM的存在。如果檢測到EEPROM，自舉啟動就會首先讀取EEPROM的第一個(gè)字節(jié)來決定枚舉的模式。不同的枚舉模式是由EEPROM首字節(jié)的數(shù)值來決定的，如表1所列。

    在讀取EEPROM的首字節(jié)之前，自舉啟動必須設(shè)置EEPROM的地址計(jì)數(shù)器為O。它通過發(fā)送一個(gè)控制字節(jié)來選擇EEPROM，緊跟著一個(gè)O地址來設(shè)置內(nèi)部EEP-ROM地址指針為0。然后它發(fā)送一個(gè)控制字節(jié)，并且開始讀取第1個(gè)EEPROM字節(jié)。
2．2 AN2131QC的USB傳輸
    AN213lQC的USB傳輸分為塊傳輸、控制傳輸和中斷傳輸。
    USB規(guī)范允許塊傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包尺寸為8、16、32、64字節(jié)，中斷數(shù)據(jù)l～64字節(jié)。AN2131QC提供了8個(gè)IN端點(diǎn)和8個(gè)OUT端點(diǎn)，每一個(gè)端點(diǎn)具有最大64字節(jié)的緩沖區(qū)空間。其中第2、4、6個(gè)IN和OUT端點(diǎn)可以和它緊接著的端點(diǎn)提供雙緩沖區(qū)，允許8051在處理一個(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)另外一個(gè)數(shù)據(jù)包在USB總線上傳輸，即6個(gè)“端點(diǎn)對”(USBPAIR寄存器)控制雙緩沖。805l在初始化時(shí)沒置14個(gè)端點(diǎn)有效位，并且通知AN213lQC核哪一個(gè)端點(diǎn)有效。缺省時(shí)端點(diǎn)O總是有效，塊數(shù)據(jù)出現(xiàn)在RAM中。每一個(gè)塊端點(diǎn)保留了64字節(jié)的RAM空間，l位計(jì)數(shù)寄存器，2位控制和狀態(tài)寄存器。8051能讀取狀態(tài)寄存器中的一位來決定端點(diǎn)是否為“忙”。在端點(diǎn)的“忙”位被設(shè)置時(shí)，8051將不能讀寫端點(diǎn)緩沖區(qū)和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器。當(dāng)一個(gè)端點(diǎn)為8051操作準(zhǔn)備好時(shí)，AN2131QC設(shè)置一個(gè)中斷請求位。AN2131QC向量中斷系統(tǒng)根據(jù)端點(diǎn)自動傳輸控制，從中斷服務(wù)子程序分離出中斷請求來響應(yīng)端點(diǎn)請求服務(wù)。
    端點(diǎn)O是AN2131QC芯片中唯一的控制端點(diǎn)。盡管控制端點(diǎn)是雙向的，AN2131QC仍然提供了2個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)INOBuF和OUToBUF。另外有一個(gè)附加的8字節(jié)緩沖區(qū)，對端點(diǎn)O來說是唯一的，這個(gè)緩沖區(qū)保存著在控制傳輸過程中的SETUP階段到達(dá)時(shí)的數(shù)據(jù)。
    中斷傳輸是一種特殊的塊傳輸。AN2131QC控制端點(diǎn)O接收特殊的SETUP令牌，它是一種主機(jī)用來處理設(shè)備控制信號的傳輸。主機(jī)通過端點(diǎn)。發(fā)送一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求表。
2．3 芯片固件程序
    AN2131QC芯片的固件程序控制了整個(gè)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)上電或連接時(shí)．其將自動下載至芯片的RAM中，由8051執(zhí)行。芯片固件程序負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種USB請求，流程如圖4所示。首先初始化所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用AN2131QC的初始化程序Init()進(jìn)行初始化，并開中斷。最后，芯片固件程序開始列舉USB設(shè)備，直至在端點(diǎn)0上收到SETUP令牌包時(shí)為止。一旦接收到SETUP令牌，其將重復(fù)執(zhí)行語音發(fā)送和接收VoiceRT()等功能。
2．4 驅(qū)動程序
    驅(qū)動程序需要兩個(gè)：一個(gè)專用于下載芯片的固件程序，另一個(gè)用于在PC端實(shí)現(xiàn)接收／發(fā)送USB數(shù)據(jù)功能和語音數(shù)據(jù)處理功能。下載的應(yīng)用驅(qū)動程序包含WDM驅(qū)動程序所需的入口程序、即插即用程序、電源管理程序和卸載程序；而USB數(shù)據(jù)收發(fā)功能和語音數(shù)據(jù)處理驅(qū)動程序主要實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和語音信息的處理。這兩個(gè)程序需要在首次使用手柄時(shí)裝載到PC機(jī)上。

3 本設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)
    ◇遵循USBl．1規(guī)范，無需聲卡，不需要外接電源。
    ◇兼容H．323、MGCP和SIP協(xié)議。
    ◇有LCD顯示屏和VoIP來電顯示功能。
    ◇采用了回音消除和噪聲抑制技術(shù)。
    ◇采用全雙工通信技術(shù)。

結(jié)語
    本文主要介紹了基于USB接口的VoIP手柄的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，對USB接口通信方式作了較為詳細(xì)的介紹。在計(jì)算機(jī)端實(shí)現(xiàn)了H．323和SIP協(xié)議及服務(wù)質(zhì)量控制策略，保證了通話質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)和Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入每個(gè)家庭，VoIP電話技術(shù)必定有著廣闊的發(fā)展前景，人們將會得到更方便和更經(jīng)濟(jì)的通信服務(wù)。