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[導讀]提出了一種新型以太電話機的設計,采用德國Infineon公司的SDA80D51芯片作為主控單元,同時使用Realtek公司的RTL8019AS作為網(wǎng)絡接口模塊,來實現(xiàn)高度集成、具有較高性價比的話機

作者Email:  hongxinglu600010@sina.com

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展,VoIP(Voice over IP)技術已經(jīng)成為語音通信技術領域的一個強有力的競爭者。VoIP是利用網(wǎng)絡作為傳輸載體實現(xiàn)語音通信的技術,以太電話機則是以VoIP為基礎實現(xiàn)的語音通信終端。在未來的幾年內(nèi),IP電話必將在電信市場占到舉足輕重的地位,對以太電話機的研究是符合市場需求并具有巨大的市場潛力和發(fā)展前景。以太電話機價格相對昂貴和話音質量方面的問題是目前開發(fā)工作的重點。本設計是基于德國Infineon公司的SDA80D51芯片實現(xiàn)的,因為芯片的選擇和設計上的巧妙,使該話機具有集成度高、結構簡單、成本低等特點,具有較高推廣價值。

二、硬件設計

話機采用SDA80D51芯片和以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS實現(xiàn)。由于采用了高集成的SDA80D51芯片,使系統(tǒng)硬件電路結構簡單,整體硬件成本低廉、集成度較高。

1、SDA80D5l

英飛凌公司生產(chǎn)的SDA80D51芯片是一種具有特殊結構的微處理器,是將16位DSP和增強型微處理器(8051微處理器的擴展版本)高度集成,并同時集成有模/數(shù)轉換單元(ADC與DAC),面向語音處理的專用芯片。芯片同時提供有一個內(nèi)存控制單元MMU和片上104kb的RAM。它具有程序和數(shù)據(jù)分開的總線結構,流水線操作功能,單周期硬件乘法器和適合數(shù)字信號處理的高效指令集。此芯片的C編譯能力很強,匯編出的目標代碼效率會更高。正是此芯片高度集成后具備的強大功能和其相對低廉的價格,使其成為設計此系統(tǒng)的首選。

SDA80D51的基本結構如圖1所示,由其組成單元來看,實現(xiàn)三種主要功能,即語音壓縮(DSP)、系統(tǒng)管理及信令控制(8051微處理器)、語音編碼(CODEC)。語音信號在芯片集成的語音采樣接口模塊進行A/D和D/A轉換,語音的壓縮處理則由DSP模塊進行,但傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)打包是由這個C51模塊完成的。編解碼壓縮處理后由控制模塊進行對語音的接收發(fā)送控制,同時主控模塊還要完成對整個系統(tǒng)控制工作。

圖1 SDA80D51工作原理示意圖

2、網(wǎng)絡接口控制模塊

網(wǎng)絡接口控制模塊采用Realtek公司的具有高度集成化的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。這一芯片具有很多優(yōu)點,已廣為采用。它與NE2000兼容,支持8位、16位數(shù)據(jù)總線;全雙工,收發(fā)可同時達到10Mbps,有睡眠模式,可有效地降低功耗;內(nèi)置16kb的SRAM用于收發(fā)緩沖,可減輕主處理器在速度上的壓力;可選擇連接同軸電纜和雙絞線,并可自動檢測所連接的介質。

系統(tǒng)使用RTL8019AS來實現(xiàn)以太網(wǎng)媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能,包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā),地址識別,CRC編碼校驗,超時重傳,鏈路完整性測試,信號極性檢測糾正等。主處理器在RTL8019AS的外部總線上讀寫MAC幀。其中,接收控制器用于將接收的串行數(shù)據(jù)拼成字節(jié)送到CRC校驗單元,發(fā)送控制器則是將送來的字節(jié)送到CRC編碼單元并逐個按位移出;CRC邏輯在接收時對輸人的數(shù)據(jù)進行CRC校驗,發(fā)送時對幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC校驗序列,并附加在數(shù)據(jù)尾傳遞;地址識別邏輯對接收幀的目的地址與預先設置的本地物理地址進行比較,如不符合要求則拒收。RTL8019AS還使用內(nèi)部存儲緩沖器對與核心控制單元數(shù)據(jù)交換進行緩沖,以優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。

3、其它電路設計

考慮到協(xié)議代碼的存儲需求,使用一塊FLASH作為擴展存儲單元存放代碼,同時還設計了撥號鍵盤到核心控制單元的控制電路。硬件的設計還可以根據(jù)不同的需求,進行相應的調(diào)整,以實現(xiàn)其它的增值業(yè)務功能。

三、軟件設計

系統(tǒng)的軟件是基于SDA80D51設計開發(fā)的。話機軟件結構框圖2如下:

圖2 以太電話機軟件框圖

系統(tǒng)軟件開發(fā)以C51的C語言編程為主,對占用系統(tǒng)資源比較大的部分使用匯編語言來完成。程序開發(fā)主要完成網(wǎng)絡接口控制、TCP/IP協(xié)議棧、RTP/RTCP、H.323協(xié)議棧、語音編解碼和主控程序這6部分。

1、TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

通常編程環(huán)境中,TCP/IP協(xié)議棧的功能是基于操作系統(tǒng)中相應的socket機制實現(xiàn)的,像以太話機這種嵌入式系統(tǒng),考慮到操作系統(tǒng)占用資源太大,一般不采用任何操作系統(tǒng)。這樣,只能由用戶編程來完成任務調(diào)度、存儲器管理和TCP/IP協(xié)議棧等功能。

在協(xié)議棧開發(fā)時,充分考慮了資源有限,在保證實現(xiàn)以太電話正常工作的前提下,從兩個方面進行了TCP/IP協(xié)議棧的優(yōu)化,從而使開發(fā)得到的協(xié)議棧程序代碼最少,RAM的需求最低。

(1)、協(xié)議棧本身的優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)的實際需求,只實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的部分協(xié)議,即:ARP(地址解析協(xié)議)、IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)、ICMP(互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議)、UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)等5部分。協(xié)議棧的編程采用事件驅動機制,采用ARP完成對電話的尋址,通過對相應的應用程序的調(diào)用來實現(xiàn)事件響應(如圖3所示)。

圖3 TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)過程示意圖

(2)、協(xié)議功能的優(yōu)化

在對協(xié)議棧優(yōu)化的過程中,結合系統(tǒng)的使用要求,還針對每個協(xié)議的一些不必要的功能進行了簡化。例如,對于TCP協(xié)議,標準的TCP協(xié)議使用慢啟動的滑動窗口機制。在實現(xiàn)TCP協(xié)議時,考慮到系統(tǒng)所需傳送的信令數(shù)據(jù)很少,基本不可能產(chǎn)生擁塞,同時為了減少存儲器的使用,TCP只使用單個窗口,就變成了一種簡單確認的處理方法。所有的處理只是對單個數(shù)據(jù)報的發(fā)送和確認,節(jié)約了系統(tǒng)的資源,也使維護更加方便。同時考慮到,話機系統(tǒng)的突發(fā)事件很少,這樣對于流量控制可以不做考慮。對于差錯控制,程序處理過程中只對信令數(shù)據(jù)設置重傳機制,而語音數(shù)據(jù)處理不考慮重傳。

(3)、存儲空間的共享

協(xié)議開發(fā)中,為了盡量減少對存儲空間的需求,設計使用共用緩存區(qū)用于輸人輸出數(shù)據(jù)的存放。其中RBuff用于存放網(wǎng)絡接口收到的數(shù)據(jù),SBuff用于存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這樣各程序之間只提供相互要處理數(shù)據(jù)所在的指針,就可以完成數(shù)據(jù)的傳遞,從而節(jié)約了大量的存儲空間,同時也利于工程研發(fā)人員之間的相互協(xié)調(diào)。

2、H.323協(xié)議的信令過程

信令控制過程是H.323以太話機控制的核心內(nèi)容之一,整個H.323終端系統(tǒng)的信令控制是由H.245、H.225.0和RAS這3個協(xié)議來實現(xiàn)的。在兩個話機間建立基于H.323的呼叫連接,需要使用TCP建立兩個連接。其中第一個TCP的連接承載的是H.225.0中定義的呼叫建立消息,通常叫做Q.931通道或呼叫信令通道。第二個TCP連接承載H.245呼叫控制消息,在收到呼入的同時,被呼叫方也在一個動態(tài)端口上監(jiān)聽TCP的連接。被呼叫方于是在這個端口上應答呼叫接收信息。然后,呼叫方會隨后在這個端口上建立第二個TCP連接。一旦H.245通道建立成功,第一個連接就不再需要了,任何一端都可以將其關閉。終端使用H.245通道交換音頻信息格式,即能力交換,并確定主從關系。同時通過它打開音頻的邏輯信道,從而建立用于媒體流傳輸?shù)腞TP會話。H.245通道在會話過程一直保留,因為它還要關閉媒體通道。

一個話機到話機的基于H.323協(xié)議的簡單呼叫建立過程有5個階段(如圖4所示),即呼叫初始化、建立控制通道、呼叫開始、通話和結束呼叫。


圖4 呼叫建立過程示意圖

在設計中,考慮到系統(tǒng)不同于IP電話網(wǎng)關系統(tǒng),只需實現(xiàn)單路連接,同時考慮到系統(tǒng)資源有限的特點,對H.323協(xié)議棧的實現(xiàn)進行了很大程度的簡化。其中H.225只實現(xiàn)四個,即SETUP、ALERTING、CONNECT、RELEASE COMPLETE;RAS實現(xiàn)基本的6個功能,也就是網(wǎng)守發(fā)現(xiàn)、端點登記、端點定位、呼叫接納、呼叫退出和狀態(tài)查詢;建立H.245通道只保留了能力交換、主從確定、開閉邏輯信道和終止會話消息。在實現(xiàn)上述3個協(xié)議的過程中,對于它們每個消息中的可選項參數(shù),在編碼時盡量簡化,解碼時保留。通過采用上述的措施優(yōu)化H.323信令過程,盡可能的減少了代碼量和存儲器空間,同時又保證了與其它產(chǎn)品的兼容性。

3、以太話機中語音的處理過程

以太電話機進行語音傳輸,要完成以下幾個過程:模擬語音首先經(jīng)CODEC編碼為64K的PCM碼,經(jīng)壓縮形成語音數(shù)據(jù);語音數(shù)據(jù)再由RTP封裝后再交由UDP進行封裝;攜帶語音數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)報在IP層被封裝為IP包;最后IP包通過以太網(wǎng)接口程序形成以太幀發(fā)送至以太網(wǎng)上傳送;攜帶語音數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀在目的話機被以太網(wǎng)卡接收并拆包恢復為語音數(shù)據(jù),其處理是語音發(fā)送的逆過程,語音數(shù)據(jù)解碼為模擬語音送至話筒。

4、系統(tǒng)性能優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)中的優(yōu)化十分重要。根據(jù)處理器的性能,盡可能地提高代碼運行速度,減少代碼和數(shù)據(jù)存儲空間,這是系統(tǒng)優(yōu)化所要解決的基本問題。雖然C編譯器提供了一定的代碼優(yōu)化,但編譯器的優(yōu)化僅涉及執(zhí)行速度和代碼大小的平衡,不能使程序達到小而精,因而必須在開發(fā)程序時采取一定的優(yōu)化方案。系統(tǒng)調(diào)試中,在確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎上,采取了以下的措施進行系統(tǒng)優(yōu)化。

對于代碼優(yōu)化主要采取以下措施:

(1)、根據(jù)發(fā)生頻率對條件跳轉語句排序,提高代碼運行速率。
例如switch-case、if這類語句,程序中使用了很多,而每一個由機器語言實現(xiàn)的測試和跳轉僅是為了決定下一步要做什么,這樣就浪費了處理的時間。優(yōu)化時對具體情況按照發(fā)生的相對頻率排序,即把最常發(fā)生的情況放在第一位,最不可能發(fā)生的情況放在最后,這樣會減少平均的代碼執(zhí)行時間,從而有效的提高程序的運行速度。

(2)、盡量使用全局變量,減少函數(shù)調(diào)用參數(shù)。
這樣比向函數(shù)傳遞參數(shù)效率更高,去除了函數(shù)調(diào)用前參數(shù)入棧和函數(shù)完成后參數(shù)出棧。

(3)、努力減小代碼的大小。

盡量避免使用標準庫例程,很多大的庫例程沒法處理所有可能的情況,會占用龐大的內(nèi)存空間,因而應盡可能地減少使用標準庫例程。 
對于存儲區(qū)優(yōu)化問題,是使用了下面一些方法進行的:

(1)、使用前述協(xié)議棧開發(fā)提到的共用緩沖區(qū)的方法。

由于基于協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝的特點,在對共用緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理時,只需在程序中使用地址指針進行調(diào)用,這樣在保證系統(tǒng)正常工作的前提下,大幅度減少了對數(shù)據(jù)存儲空間的需求。同時,使用指針代替數(shù)組索引還能使代碼運行速度加快。

(2)、編程時將一些固定的數(shù)據(jù)定義為代碼類型,同樣可以有效的減少存儲區(qū)的使用量。

優(yōu)化過程中,還考慮到代碼優(yōu)化與存儲區(qū)占用量的相互影響,以及程序可讀性等問題。綜合考慮以上因素后,通過以上的措施以及對協(xié)議實現(xiàn)的具體優(yōu)化,得到了優(yōu)化的以太電話系統(tǒng)。在優(yōu)化前的程序,數(shù)據(jù)段需要至少150K字節(jié);優(yōu)化后的系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)段不到70K。同時,系統(tǒng)的響應速度也得到較大提高。由此可以看出,對程序的合理優(yōu)化,對提高程序運行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)處理速度,都可以起到至關重要的作用。

四、結束語

嵌入式以太網(wǎng)技術作為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的熱點之一,越來越多的解決方案在不斷的被提出和驗證。本文提出的設計是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)基礎上,使用SDA80D51芯片,實現(xiàn)較高性價比的以太網(wǎng)電話機。由于該芯片的集成度很高,設計電路時就省去了許多的相關模塊,使得設計得到的硬件簡單,便于調(diào)試檢測。同時通過對協(xié)議棧等的優(yōu)化,使系統(tǒng)達到了預期的低成本,高可靠性等特點。該設計得到的樣機,工作穩(wěn)定、可擴展性強,在以太網(wǎng)環(huán)境的語音傳輸完全可以達到預期目標,整個設計方案和實現(xiàn)方法是可行的。

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