基于嵌入式Linux和MiniGUI的SIP電話設(shè)計

0 引言
    隨著VoIP的迅猛發(fā)展，越來越多的個人用戶正在使用軟件電話、IP電話通過VoIP系統(tǒng)撥打國內(nèi)和國際長途，IP電話的需求量越來越大，同時，人們對IP電話的要求也越來越高，例如要求IP電話體積小、方便攜帶、功耗低、待機時間長、漂亮的人機交互界面，功能可擴展等。解決這些需求的可行方案就是用嵌入式系統(tǒng)，具體而言就是采用一款32位嵌入式處理芯片(如ARM、Power PC)，將Linux操作系統(tǒng)和MiniGUI圖形庫經(jīng)過裁減移植到這些嵌入式處理芯片所構(gòu)建的硬件平臺上。由于Linux具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，而MiniGUI是一款優(yōu)秀的針對嵌入式Linux的輕量級圖形用戶界面庫，在它們的基礎(chǔ)上做應(yīng)用開發(fā)，能夠保證IP電話的穩(wěn)定性和功能擴展，也能開發(fā)出漂亮的人機交互界面。
    目前用來實現(xiàn)VoIP系統(tǒng)的協(xié)議有三種：SIP、MGCP和H．323，其中SIP協(xié)議是應(yīng)用得最廣泛的協(xié)議，所謂SIP電話就是支持SIP協(xié)議的IP電話。

1 SIP電話實現(xiàn)方案
    根據(jù)IP電話的功能需求，SIP電話應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)人機界面的交互、呼叫處理、語音的采集和播放、語音的編碼和解碼、語音的實時傳輸。本設(shè)計人機界面的交互使用嵌入式系統(tǒng)硬件平臺上的LCD和功能按鍵，采用MiniGUI圖形庫和Linux按鍵驅(qū)動；呼叫處理模塊使用硬件平臺上的網(wǎng)絡(luò)接口，采用eXoSIP協(xié)議棧；語音的采集與播放使用硬件平臺上的音頻接口，采用Linux音頻設(shè)備驅(qū)動；語音的編碼和解碼直接采用開源G.7-29A源代碼；語音的實時傳輸使用RTP協(xié)議，采用開源的JRTPLIB庫。
    SIP電話軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。SIP電話由八個模塊組成。每一模塊對應(yīng)一個線程。其中，主線程(線程1)的任務(wù)是：a．加載配置文件到內(nèi)存中；b．初始化音頻設(shè)備和功能按鍵設(shè)備；c．創(chuàng)建RTP會話實例和初始化eXoSIP協(xié)議棧；d．初始化四個數(shù)據(jù)區(qū)緩沖結(jié)構(gòu)；e．創(chuàng)建、管理、撤消子線程；f. 顯示SIP配置文件的配置信息和狀態(tài)信息，處理來自呼叫處理模塊子線程的消息。呼叫處理模塊子線程(線程2)的任務(wù)是：通過調(diào)用eXoSIP協(xié)議棧的API函數(shù)，實現(xiàn)SIP電話的呼叫過程控制。語音采集模塊子線程(線程3)的任務(wù)是：實現(xiàn)語音的采集并將采集到的語音數(shù)據(jù)存儲到全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列1中。語音編碼模塊子線程(線程4)的任務(wù)是：從全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列1中讀取PCM碼流并對其進行編碼，將轉(zhuǎn)化過后的G．729碼流存儲到全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列2中。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊子線程(線程5)的任務(wù)是：從全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列2中提取G．729碼流，打包成RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送到出去。數(shù)據(jù)接收模塊子線程(線程6)的任務(wù)是：檢測接收端口上的RTP語音包，提取G．729碼流存儲到全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列3中。語音解碼模塊子線程(線程7)的任務(wù)是：從全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列3中讀取G．729碼流對其進行解碼，將轉(zhuǎn)化過后的PCM碼流存儲到全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列4中。語音播放模塊子線程(線程8)的任務(wù)是：從全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列4中讀取PCM碼流，通過D／A轉(zhuǎn)換成模擬語音信號。

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2 各線程模塊的實現(xiàn)
    主線程模塊主要完成系統(tǒng)各個功能模塊的初始化工作，也是程序的入口點，MiniGUI程序的入口點為MiniGUIMain()函數(shù)；配置文件的加載擬完成從根文件系統(tǒng)到內(nèi)存的加載，然后進行解析，存放在全局SIP配置參數(shù)結(jié)構(gòu)中。配置文件用來存放呼叫處理模塊和語音傳輸模塊使用的參數(shù)，具體包括：本機IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址、SIP服務(wù)器IP地址，SIP端口號、用戶名、本機電話號碼、密碼、RTP端口號、被叫電話號碼和注冊間隔時間。初始化音頻設(shè)備擬完成打開音頻設(shè)備文件，設(shè)置音頻設(shè)備的采樣頻率，量化位數(shù)和聲道數(shù)目。打開音頻設(shè)備文件可
通過調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)audio_fd=open(“／dev／dsp”，O_RDWR)來實現(xiàn)，調(diào)用成功后將返回音頻設(shè)備的文件描述符。設(shè)置音頻設(shè)備的采樣頻率，量化位數(shù)和聲道數(shù)目可通過調(diào)用ioctl(fd，…．)函數(shù)來實現(xiàn)。功能按鍵設(shè)備的初始化很簡單，直接調(diào)用buttons_fd=open“／dev／b-uttons”,O)函數(shù)打開按鍵設(shè)備文件即可。創(chuàng)建RTP會話實例，可通過調(diào)用JRTPLIB庫的RTPSession類來完成，然后調(diào)用RTPSession類的Create()方法來對其進行初始化，創(chuàng)建完成后，需設(shè)置RTP會話實例的傳輸參數(shù)和會話參數(shù)。eXoSIP協(xié)議棧的初始化直接調(diào)用eXoSIP協(xié)議棧所提供的初始化函數(shù)。七個子線程的創(chuàng)建可通過調(diào)用pthread_create函數(shù)來完成。SIP配置信息的顯示擬完成配置文件中的信息在MiniGUI主窗口上的顯示，主要顯示本機的IP地址和端口號、SIP服務(wù)器的IP地址、本機號碼、本機用戶名。SIP狀態(tài)信息的顯示擬完成對整個SIP事務(wù)遷移狀態(tài)的顯示。例如，如果收到"180Ringing"消息，則在MiniGUI主窗口上顯示“對方正在響鈴”，如果收到定時器的超時消息，則在MiniGUI主窗口上顯示“無人接聽，請稍后再撥”。SIP狀態(tài)信息的顯示是一個消息驅(qū)動的動態(tài)顯示。SIP配置信息和狀態(tài)信息的顯示直接采用MiniGUI的窗口模型和消息處理機制。SIP配置信息的顯示直接通過調(diào)用MiniGUI提供的TextOut(hdc,O,O,host_ip)將SIP參數(shù)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)顯示在MiniGUI主窗口上。SIP狀態(tài)信息的顯示必須為每個SIP事務(wù)消息定義相對應(yīng)的MiniGUI消息，以"180 Ringing"消息和定時器超時消息為例，自定義消息如下：
    #define MSG_180Ringing(MSG_USER+10)
    #define MSG_TimerC(MSG_USER+11)
    當(dāng)呼叫處理模塊子線程收到IP網(wǎng)絡(luò)上的“180 Ringing”消息和Linux內(nèi)核的定時器超時消息后，則通過調(diào)用SendMessage(hWnd,MSG_180-Ringing,0,0L)向MiniGUI主線程發(fā)送MSG_180Ringing消息，主線程通過調(diào)用GetMessage()函數(shù)獲取呼叫處理模塊子線程所發(fā)過來的消息，通過調(diào)用DispatchMessage(&Msg)函數(shù)把這些消息發(fā)送到窗口過程函數(shù)進行處理。窗口過程函數(shù)收到相應(yīng)的消息，首先判斷消息的類型，若是MSG_180Ringing消息，然后調(diào)用TextOut(hdc,0,0,“對方正在響鈴”)函數(shù)在窗口上顯示“對方正在響鈴”字樣。
    呼叫處理模塊子線程可直接調(diào)用eXoSIP協(xié)議棧所提供的API函數(shù)集,eXoSIP是在oSIP2的基礎(chǔ)上對SIP消息的API作了更上層的封裝，能夠很容易實現(xiàn)SIP電話的呼叫過程控制。呼叫處理模塊子線程實現(xiàn)的難點是當(dāng)呼叫連接成功后，如何啟動語音采集、語音編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、語音解碼和語音播放6個子線程。本設(shè)計采用Linux線程間通信-管道機制向其它6個子線程發(fā)送啟動標(biāo)識，6個子線程接收到啟動標(biāo)識后，喚醒各自的線程，進行相應(yīng)的語音處理和語音的傳輸。同樣，當(dāng)呼叫連接釋放時，呼叫處理模塊子線程向6個子線程發(fā)送停止標(biāo)識，6個子線程接收到停止標(biāo)識后，停止語音處理和語音的傳輸，阻塞各自的線程。
    語音采集模塊、語音編碼模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、語音解碼模塊和語音播放模塊6個子線程的過程控制是一樣的，首先進入主循環(huán)，調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)select()阻塞本線程，偵聽本線程與呼叫處理模塊子線程之間的管道，若管道中有數(shù)據(jù)，則調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)read()讀取數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否為啟動標(biāo)識，若是，則進入子循環(huán)進行相應(yīng)的處理；若為其它數(shù)據(jù)，則重新回到新一輪的循環(huán)。進入子循環(huán)進行相應(yīng)的處理的同時，將select()設(shè)為非阻塞模式，調(diào)用select()函數(shù)偵聽本線程與呼叫處理模塊子線程之間的管道，若管道中有數(shù)據(jù)，則調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)read()讀取數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否為停止標(biāo)識，若為停止標(biāo)識，則跳出子循環(huán)重新回到主循環(huán)，線程重新回到阻塞狀態(tài)；若為其它數(shù)據(jù)，則不做任何處理，重新回到子循環(huán)。
    由于各子線程共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列，為了正確讀寫數(shù)據(jù)，在設(shè)計數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列結(jié)構(gòu)和讀寫操作函數(shù)時，使用了Linux下線程間的同步和互斥機制，保證了對內(nèi)存資源的安全共享。為了設(shè)計出通用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列結(jié)構(gòu)和讀寫操作函數(shù)，不妨將向緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)的子線程定義為生產(chǎn)者線程，將從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的子線程定義為消費者線程。為了保證對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊列進行安全的讀寫操作，生產(chǎn)者線程和消費者線程必須滿足兩個條件：
    (1)生產(chǎn)者線程寫入緩沖區(qū)的數(shù)目不能超過緩沖區(qū)容量；
    (2)消費者線程讀取的數(shù)目不能超過生產(chǎn)者線程寫入的數(shù)目。
    為了實現(xiàn)這兩個條件，在程序?qū)崿F(xiàn)中使用了寫指針和讀指針來判斷緩沖區(qū)是空還是滿。在初始化時讀指針和寫指針為0；如果讀指針等于寫指針，則緩沖區(qū)是空的；如果(寫指針+1)％N等于讀指針，則緩沖區(qū)是滿的，％表示取余數(shù)，N表示緩沖區(qū)隊列的長度。

3 結(jié)語
    本文提出了基于嵌入式Linux和MiniGUI的SIP電話終端的實現(xiàn)方案，并給出了各線程模塊的實現(xiàn)方法，與傳統(tǒng)的臺式IP網(wǎng)絡(luò)電話解決方案相比，本方案具有如下突出的特點與創(chuàng)新點：a．體積小、功耗低，由于系統(tǒng)所依賴的硬件平臺是嵌入式系統(tǒng)平臺，而嵌入式硬件平臺本身具有體積小、功耗低特點。b．功能可擴展。由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件可裁剪，可以方便開發(fā)人員進行功能擴展。c．圖形界面漂亮。由于系統(tǒng)采用嵌入式圖形界面MiniGUI，可以開發(fā)出漂亮的圖形界面。d．采用多線程機制和緩沖區(qū)隊列對語音的采集與播放、語音的編碼與解碼和語音的實時傳輸進行并行處理，保證了語音通話的連續(xù)性。
    對系統(tǒng)進行測試的結(jié)果表明，本設(shè)計能夠?qū)艚羞M行穩(wěn)鍵的控制，能夠保證語音通話的連續(xù)性，對從事相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)具有一定的參考價值。