基于MC68HC908的VoIP電話終端的設(shè)計與實現(xiàn)
隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速普及和網(wǎng)速、帶寬的大幅提高，越來越多的企業(yè)接入了寬帶互聯(lián)網(wǎng)。同時為了更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源并降低長途電話費用，很多企業(yè)開始使用各種各樣的VoIP產(chǎn)品。這些VoIP產(chǎn)品大概可以分為兩類，一類是純軟電話，需要PC作為平臺，不需要外部硬件設(shè)備，該類型產(chǎn)品投入很??；另一類是純硬件的VoIP產(chǎn)品，不需要PC作為平臺，接上網(wǎng)線就可以使用，但這種產(chǎn)品的投入較大。針對PC已成為現(xiàn)代辦公室基本辦公工具的現(xiàn)狀，充分利用這個資源，設(shè)計了一種結(jié)合以上兩類特點的VoIP電話，它與PC結(jié)合使用。利用PC的USB口供電，使軟電話與傳統(tǒng)電話相結(jié)合，這樣，既具有軟電話廉價的特點又具有傳統(tǒng)電話方便使用的優(yōu)點。利用這種低成本的VoIP電話并結(jié)合以太網(wǎng)建立企業(yè)級的VoIP網(wǎng)絡(luò)，可為企業(yè)節(jié)省60％-80％的長途通信費用和交通費[I．2]。
2 網(wǎng)絡(luò)拓撲及實現(xiàn)框圖
假設(shè)某企業(yè)的現(xiàn)狀為：總部在北京，在天津和上海各有一家辦事處，總部和辦事處都建立了自己的辦公網(wǎng)絡(luò)并且都接入Internet；企業(yè)內(nèi)部的信息溝通非常頻繁，以往都通過固定電話和E-mail聯(lián)系。電話費用很高，E—mail又存在時間滯后的缺點；每位員工都擁有一臺裝有Windows操作系統(tǒng)的PC。為了利用現(xiàn)有資源，可以為每位員工配置一部VoIP電話，通過USB接口與PC連接，局域網(wǎng)的連接方式和網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。各辦事處的網(wǎng)內(nèi)都需要一臺代理服務(wù)器，這可以通過在一臺普通PC上安裝相應(yīng)的服務(wù)器軟件來實現(xiàn)。這樣，通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的簡單配置便可以建立起跨省市的企業(yè)內(nèi)部即時通信系統(tǒng)。圖2是本文所設(shè)計的VoIP電話的實現(xiàn)框圖。可以看出，VoIP電話部分主要完成語音采集和基于G．711的編解碼。以及液晶顯示、鍵盤信息處理等電話的基本功能。而利用PC強大的處理運算能力可以實現(xiàn)諸如G．729的語音壓縮編碼、RTP控制以及對SIP、TCP／UDP／IP等協(xié)議的封裝。這樣通過與PC相結(jié)合便可實現(xiàn)一種低成本的VoIP電話。
3 VoIP電話工作原理
VoIP電話的原理框圖如圖3所示，主要由4部分組成：微控制器、PCM編解碼單元、鍵盤電路和液晶顯示電路。電話工作過程如下：首先，通過話筒將模擬話音送入PCM編碼器。經(jīng)過編碼輸出的是符合G．711標(biāo)準(zhǔn)的64 kb／s的PCM碼流，該碼流在微控制器輸出的位時鐘(BCLK)和幀時鐘(XSYNC)的控制下，以8位／幀的速度傳送給微控制器，然后，控制單元再將接收到的數(shù)據(jù)緩沖存儲，當(dāng)緩沖區(qū)滿時，將數(shù)據(jù)發(fā)送給USB控制器，最后通過USB把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC。反之，USB控制器接收來自PC的數(shù)據(jù)，然后，控制單元把這些數(shù)據(jù)反向發(fā)送給PCM單元解碼。最終還原成模擬信號并通過聽筒輸出。其中微控制器是整個電路的核心部分，它負責(zé)產(chǎn)生與PCM單元交換數(shù)據(jù)時的幀時鐘和位時鐘；運行液晶驅(qū)動程序顯示相關(guān)狀態(tài)信息；用軟件消除按鍵抖動并對按鍵信息讀取和處理；控制USB接口接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)；與PC之間相應(yīng)控制信息的處理，如振鈴、忙音、摘掛機檢測等。鍵盤單元作為人機接口，通過微控制器的鍵盤中斷接收來自外部的信息。該單元的連擊處理、按鍵去抖都由微控制器通過軟件來完成[3,4]。
4 硬件設(shè)計要點
4．1 器件選擇
由于本文設(shè)計的VoIP電話的特點是與PC結(jié)合使用，并且具有很低的成本，所以在器件選擇上需要考慮既保證功能的實現(xiàn)又要盡可能降低成本。經(jīng)過對比，選擇Freescale公司的MC68HC 908JB8作為控制器。它是一款低功耗、高性能的8位MCU，具有較豐富的硬件資源。內(nèi)部含有一個符合USB1．1標(biāo)準(zhǔn)的接口，傳輸速度為1．5 Mb／s，編碼后的音頻速率為64 kb／s，完全滿足與PC通信的要求，其次，還具有8個鍵盤中斷。利用其中的4個就可以完成4x4的矩陣式鍵盤設(shè)計[5]。PCM編解碼器選用OKI公司的MSM7702—01，該器件采用3．3 V電壓供電，具有低功耗、A／μ律可選、傳送增益可調(diào)的特點[6]。LCD選擇圖形點陣模塊LCM12232A，該模塊具有122*32點陣格式。采用8位并行工作方式。
4．2 電源設(shè)計
由于整個VoIP電話供電來自PC的USB接口，其工作電壓是+5 V，而MSM7702—01的供電電壓是+3 V，故可以利用MC68HC908JB的片上調(diào)壓器配合4．7 μF的耦合電容和0．1 μF的旁路電容產(chǎn)生+3 V電源，并由Vreg引腳輸出到MSM7702—01。
4．3 時鐘設(shè)計
HC908系列編程器內(nèi)部采用6 MHz的時鐘。如果電話內(nèi)部也使用這個頻率的時鐘，則經(jīng)過分頻后不能獲得準(zhǔn)確的64 kHz的BCLK和8 kHz的XSYNC信號。時鐘的不準(zhǔn)確將造成PCM時序的偏差，從而可能引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤，因此采用雙時鐘設(shè)計，也就是在線編程時通過跳線選擇編程器上的6 MHz作為時鐘源供MC68HC908JB寫入程序，而當(dāng)電話工作時則選擇電話內(nèi)部的2．048 MHz時鐘源，該時鐘源經(jīng)過分頻可以得到準(zhǔn)確的64 kHz的BCLK和8 kHz的XSYNC信號，從而保證了PCM時序的準(zhǔn)確性。
5 軟件設(shè)計要點
5．1 同步時鐘產(chǎn)生
同步時鐘的產(chǎn)生是軟件設(shè)計中的關(guān)鍵點。MSM7702—01的數(shù)據(jù)發(fā)送時序如圖4所示，其中有兩個時鐘：BCLK和XSYNC。這兩個時鐘可以通過MSM7702一01內(nèi)部的定時器TIM對BusClock(總線時鐘)分頻計數(shù)來產(chǎn)生。
BusClock由下式?jīng)Q定：
BusClock=fosc／2=2．048 MHz／2=1．024 MHz
其中fosc是外部時鐘。由于BusClock較低，故可采用一分頻，即將TSC(狀態(tài)與控制寄存器)中PS2-PS0(分頻選擇位)設(shè)置為000。采用定時器的溢出中斷工作模式，設(shè)置定時器溢出間隔為1／128 kHz，則TCHOL(計數(shù)寄存器)預(yù)置數(shù)為：
TCHOL=BusClock／128 MHz=1．024 MHz／128 kHz=(8)10=(00001000)2
這樣，當(dāng)定時器在BusClock的驅(qū)動下計數(shù)8次后，產(chǎn)生脈寬為1／128 kHz的脈沖。這是因為BCLK的周期為1／64 kHz，而其脈寬為1／128 kHz，故設(shè)置定時器每隔1/128 kHz溢出中斷一次，在中斷例程中交替設(shè)置高低電平，這樣就可以得到BCLK。如果在中斷例程中再使用一個初值為0的計數(shù)器，每計數(shù)16次則可以產(chǎn)生幀時鐘XSYNC，這樣MSM7702-01的發(fā)送時序就完全可以通過TIM的溢出中斷模式來產(chǎn)生。接收時序與發(fā)送時序完全相同。不再單獨說明。
5．2 PCM時序及其數(shù)據(jù)采集
整個程序采用查詢式結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷程序。主程序包括端口、變量和內(nèi)部寄存器初始化以及鍵盤信息采集、LCD顯示和數(shù)據(jù)處理等。中斷程序則包括鍵盤響應(yīng)中斷和TIM溢出中斷，用于響應(yīng)事件并對相應(yīng)標(biāo)志置位，然后將參數(shù)返回給主程序處理。由于TIM溢出中斷程序用來產(chǎn)生PCM數(shù)據(jù)傳輸時序，它是整個程序的關(guān)鍵點，故著重說明。
程序流程如圖5所示，在主程序初始化時已經(jīng)將Counter(計數(shù)器)和端口PTB0、PTB2的初值均設(shè)為O。進入中斷程序后計數(shù)器首先加1，然后判斷端口PTB2的電平狀態(tài)，將其設(shè)置為相反的電平(產(chǎn)生BCLK)。如果此時計數(shù)器Counter的值為1則需同時設(shè)置PTB0為高電平(產(chǎn)生XSYNC)，根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊的要求，tBCLK≤tXSYNC<100μs[6]，故可以設(shè)計在TIM溢出3次后將PTB0置低(XSYNC大約持續(xù)23μs)。當(dāng)Counter計數(shù)到16后說明一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，此時將Counter清零，下一次中斷將開始下一幀數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在每一幀內(nèi)第一個BCLK上升沿到來時，PCM編碼器將第一比特數(shù)據(jù)放到PCMOUT上，下一個上升沿再放第二個比特數(shù)據(jù)，如此循環(huán)8次后，可將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，如圖4中PCMOUT的時序。由于PCMOUT在BCLK的上升沿發(fā)送而PCMIN在BCLK的下降沿采集，從而接收和發(fā)送時序產(chǎn)生流程都可以由圖5表示。
由于篇幅所限,主程序和鍵盤中斷例程不一一說明。
6 結(jié)束語
以上設(shè)計的VoIP電話配合相應(yīng)的PC機軟件就可以滿足企業(yè)、辦事處間語音通信的基本要求，電話所具備的各種復(fù)雜功能還可以在此基礎(chǔ)上進行擴充，比如電話號碼薄、來電防火墻、來電指示、來去電號碼存儲等。該VoIP電話的特點是具有很低的硬件成本，同時具備了軟電話的廉價和傳統(tǒng)電話方便使用的優(yōu)點，適合在企業(yè)內(nèi)部與辦事處之間大面積使用，故該設(shè)計在構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部的初級VoIP綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)方面具有一定的工程應(yīng)用價值。
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