基于ARM9微處理器S3C2410的IP電話通信設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于SIP協(xié)議的IP電話通信系統(tǒng)的組成原理，給出了一種獨(dú)立式IP電話設(shè)計(jì)方案。該方案通過在S3C24lO微處理器上移植μC／0S-II操作系統(tǒng)來完成多任務(wù)管理，可使用一個(gè)RJ-45以太網(wǎng)接口直接連接Internet來實(shí)現(xiàn)和其他IP電話的通話。
關(guān)鍵詞：IP電話；SIP協(xié)議；ARM9微處理器；μC／0S-11

0 引言
    IP電話以其通話費(fèi)率低、方便集成和智能化等優(yōu)勢(shì)而得到了眾多消費(fèi)者的極大認(rèn)可，并因此而對(duì)原有固定電話運(yùn)營(yíng)者的長(zhǎng)途電話和國(guó)際電話業(yè)務(wù)造成了巨大沖擊。因此，隨著以太網(wǎng)接口的直接入戶，開發(fā)出一種帶有RJ-45以太網(wǎng)接口并直接連入因特網(wǎng)，從而使使用更加方便的IP電話非常需要。利用這種IP電話，用戶可以直接撥叫遠(yuǎn)端的電話號(hào)碼，并通過關(guān)守(gate keeper)把所撥的電話號(hào)碼轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)端IP電話的IP地址，從而建立通話連接。事實(shí)上，新型IP電話終端已經(jīng)可以直接把輸入語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，并按照G．728或G．729等一定的語(yǔ)音壓縮編碼算法來完成對(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)壓縮，使帶寬從64kbps降低到8kbps，從而大大提高了信道的利用率。IP電話終端通常遵循SIP(或者H．323)協(xié)議，并通過網(wǎng)關(guān)(gate way)實(shí)現(xiàn)IP電話和普通電話的互通。

1 IP電話系統(tǒng)組成
    IP電話通信的基本原理是利用數(shù)字通信技術(shù)來對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼處理，然后按TCP／IP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，再經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收地。同時(shí)在接收端將這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)包串起來。再經(jīng)過解碼解壓處理，以使其恢復(fù)成原來的語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到由互聯(lián)網(wǎng)傳送語(yǔ)音的目的。IP電話的基本組成原理如圖l所示。

    IP電話系統(tǒng)一般有網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)(IPPhone)、網(wǎng)關(guān)(Gateway)、多點(diǎn)控制單元MCU(MultipointControl Unit)和網(wǎng)閘(Gatekeeper)等四個(gè)基本組件。其中網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)是IP電話的客戶終端，多以硬件形式出現(xiàn)，它可以直接連接在IP網(wǎng)上，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)的語(yǔ)音或多媒體通信；網(wǎng)關(guān)是通過IP網(wǎng)絡(luò)提供PHONE-TO-PHONE語(yǔ)音通信的關(guān)鍵設(shè)備。是IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN／ISDN／PRX網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備；多點(diǎn)控制單位(MCU)的功能在于利用IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，以使IP電話能夠支持諸如網(wǎng)絡(luò)會(huì)議這樣一對(duì)多的通信；至于網(wǎng)閘，有時(shí)也稱為網(wǎng)守或關(guān)守，主要用來提供對(duì)整個(gè)電話系統(tǒng)端點(diǎn)和呼叫的管理。
    網(wǎng)閘的主要功能包括地址翻譯、呼叫接納控制、呼叫管理以及呼叫權(quán)限等。在H．323建議中，網(wǎng)閘是一個(gè)可選部分，但是對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的局域網(wǎng)IP電話系統(tǒng)來說，網(wǎng)閘則是一個(gè)重要部件。本系統(tǒng)中，網(wǎng)閘設(shè)立在IP地址的一個(gè)終端上。通過網(wǎng)閘可對(duì)所有終端用戶的姓名和IP地址進(jìn)行統(tǒng)一登記和管理，并預(yù)先給每個(gè)終端用戶分配一個(gè)類似電話分機(jī)的虛擬電話號(hào)碼，以便其他終端用戶進(jìn)行呼叫。主叫用戶無需知道被叫用戶終端的IP地址，只需要輸入其對(duì)應(yīng)的虛擬電話號(hào)碼或真實(shí)姓名即可。[!--empirenews.page--]

2 IP電話單機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
    IP電話分為接收方和呼叫方。發(fā)起通話請(qǐng)求的一端稱為呼叫方，另一端為接收方。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，呼叫方和接收方可以調(diào)換角色，也就是說，任意一方都可以發(fā)起通話請(qǐng)求，呼叫方發(fā)起通話請(qǐng)求并輸入接收方的IP地址，兩方通過網(wǎng)絡(luò)連接成功后，利用麥克風(fēng)和聽筒就可以進(jìn)行談話了。
    IP通話的主要工作在網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)單機(jī)部分。隨著現(xiàn)在ARM微處理器技術(shù)的高度發(fā)達(dá)和日趨成熟，設(shè)計(jì)中選擇了ARM9微處理器S3C2410和μC／0S-II搭建平臺(tái)來制作網(wǎng)絡(luò)電話單機(jī)部分。一般單機(jī)的基本工作框圖如圖2所示。

    在圖2中，CPU內(nèi)核模塊是搭建一個(gè)帶CPU及存儲(chǔ)器的工作核心。其中的微處理器采用的就是三星公司的S3C2410(ARM920T)，F(xiàn)lash采用的
是SST公司的SST39VFl60的NOR Flash，SDRAM則采用hynix公司的HY57V641620HG；以太網(wǎng)接口主要幫助CPU完成TCP／IP數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)
送。本設(shè)計(jì)采用的RTL8019AS是一種全雙工的即插即用型以太網(wǎng)控制器，它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8bit或16bit的傳輸，并支持UTP、
AUI、BNC和PNP自動(dòng)檢測(cè)模式，同時(shí)支持外接閃爍存儲(chǔ)器讀寫操作以及I／0口地址的完全解碼，此外，它還具有LED指示功能，其接口符合Ethernet2和E802．3、10Base5、lOBase2、10BaseT等標(biāo)準(zhǔn)。
    系統(tǒng)中的顯示模塊采用一塊普通數(shù)顯LCD，主要用來完成電話號(hào)碼的顯示及一些本機(jī)工作狀態(tài)的顯示；鍵盤模塊和EEPROM主要提供網(wǎng)絡(luò)電
話機(jī)的撥號(hào)鍵盤，以完成撥號(hào)和電話機(jī)的功能設(shè)置。EEPROM主要用于系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和存儲(chǔ)。語(yǔ)音模塊可選用飛利浦半導(dǎo)體公司的UDAl341TS
音頻編解碼器。另外，系統(tǒng)中的上位機(jī)接口主要完成一些參數(shù)的設(shè)定和一些已經(jīng)被記錄的參數(shù)的讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件方面的工作主要是驅(qū)動(dòng)程序的編寫、任務(wù)的劃分和任務(wù)的編寫等三個(gè)方面。由于μC／OS-II基本上不提供API接口庫(kù)或者需要額外購(gòu)
買，因此，網(wǎng)絡(luò)電話中需要編寫的主要驅(qū)動(dòng)軟件有包括TCP／IP、液晶驅(qū)動(dòng)、EEPROM驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、IO驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)等程序。這些驅(qū)動(dòng)程序的編寫一般都有固定的模式和套路。一般情況下，IP電話軟件應(yīng)包括完成語(yǔ)音通話所需的所有功能。該軟件按功能可劃分為圖3所示的四部分。

3．1 呼叫處理模塊
    呼叫處理模塊主要完成呼叫的建立與拆除功能。呼叫控制可采用SIP協(xié)議建立會(huì)話。呼叫建立過程通常是先由一個(gè)SIP終端向本地的代理服務(wù)器發(fā)出呼叫請(qǐng)求，本地的代理服務(wù)器則通過查詢本地的重定向服務(wù)器來查找下一個(gè)代理服務(wù)器的地址，并向其轉(zhuǎn)發(fā)呼叫請(qǐng)求。當(dāng)下一個(gè)代理服務(wù)器收到呼叫請(qǐng)求后，首先通過定向服務(wù)器查找被叫所在網(wǎng)絡(luò)的代理服務(wù)器，然后向該代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)呼叫請(qǐng)求。被叫所在網(wǎng)絡(luò)的代理服務(wù)器確定被叫終端后，再向被叫終端轉(zhuǎn)發(fā)呼叫請(qǐng)求。最后由被叫終端應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)連接。
3．2 語(yǔ)音編碼／解碼模塊
    雖然語(yǔ)音采集所得到的PCM編碼數(shù)據(jù)能夠提供較好的長(zhǎng)途通信語(yǔ)音質(zhì)量，但其速率往往過高，因而占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源過高。為此，一般都需要對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)一步壓縮，以降低語(yǔ)音編碼的速率。這樣，相應(yīng)的，在接收端也就需要同樣的解壓算法來恢復(fù)原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)。編制這部分代碼可采用現(xiàn)在比較成熟的語(yǔ)音編解碼算法，并進(jìn)行一定的改進(jìn)，以提高語(yǔ)音通話質(zhì)量。
3．3 數(shù)據(jù)封包／拆包模塊
    數(shù)據(jù)封包／拆包軟件模塊主要對(duì)壓縮編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，包括添加包頭、時(shí)標(biāo)和其他信息，以使其形成語(yǔ)音包。在接收時(shí)。則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的拆包，并提取語(yǔ)音壓縮包。
3．4 數(shù)據(jù)傳輸模塊
    該模塊主要完成語(yǔ)音包的發(fā)送和接收。因?yàn)榘岩纛l數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給對(duì)方才是保證實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信的關(guān)鍵。所以，在考慮可靠性和實(shí)時(shí)性方面，更應(yīng)注重速度和實(shí)時(shí)性。故在選擇協(xié)議時(shí)，可采用UDP協(xié)議，并在編程時(shí)使用對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)套接字。

4 結(jié)束語(yǔ)
    IP電話通信系統(tǒng)是利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源組成的電話通信系統(tǒng)，它無需鋪設(shè)電話線和購(gòu)置電話通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，故可節(jié)省大量建設(shè)電話網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備費(fèi)、線路費(fèi)和工程費(fèi)用，可在不需要鋪設(shè)電話線的情況下，方便地實(shí)現(xiàn)電話通信，增加電話用戶，縮短安裝工程周期，提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，擴(kuò)大電話的普及范圍，同時(shí)可加大信息傳遞量，因而具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。