無線VoIP系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

VoIP(Voice over IP)由于其在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)語音通信，促進了網(wǎng)絡(luò)資源的利用，降低了語音業(yè)務(wù)成本，在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)將用戶從有線的網(wǎng)絡(luò)連接中解放出來。在企業(yè)中部署WLAN網(wǎng)絡(luò)之后建立VoIP的應(yīng)用，并不需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行改造就能滿足在企業(yè)內(nèi)部進行語音通信的需求，并且滿足下一代移動通信應(yīng)用在單一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進行數(shù)據(jù)、語音、多媒體的傳輸?shù)陌l(fā)展方向。本文將VoIP和WLAN(Wireless LAN)結(jié)合到一起，在MIPS(Microprocessor without Interlocked PipelineStages)架構(gòu)的處理器ADM5120上實現(xiàn)了在無線局域網(wǎng)內(nèi)進行IP通話的功能。系統(tǒng)以終端的形式進行通信，可移動性強。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

1.1 硬件的整體架構(gòu)

系統(tǒng)硬件的整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由五部分組成：ADM5120主處理器部分、通話控制部分、無線子卡部分、存儲部分和外設(shè)連接部分。通話控制部分采用Infineon公司語音芯片VINETIC-2CPE，Version 2.1(PEB3322)為子處理器，外接A／D，D／A轉(zhuǎn)換功能的用戶接口電路SLIC-DC PEB4268，與存儲部分一起構(gòu)成語音實時處理骨架；無線子卡部分采用Atheros公司的WMIA-165G 802.11g Mini PCI模塊，并用Madwifi驅(qū)動無線子卡；存儲部分使用2塊SDRAM存儲器和1塊NOR FLASH存儲器；外設(shè)連接部分包括一個WAN口和四個LAN口、Mini-PCI接口、輸出模擬電話信號的RJ-11接口，以及用于調(diào)試的RS 232串口。



1.2 ADM5120主處理器

德國Infineon公司的ADM5120是一款基于哈佛體系結(jié)構(gòu)的SoC(片上系統(tǒng))的嵌入式處理器，具有5級流水線，并使用了32位MIPS指令集。同時ADM5120還是一款典型的寄存器型微處理器，其配置了32個通用寄存器和一對存儲64位數(shù)據(jù)的寄存器Hi和Lo以及異常PC寄存器，其中Hi和Lo寄存器用于存放定點乘法的結(jié)果。ADM5120中還內(nèi)置了32／16位MIPS32 4KEC處理器，其采用TLB(TranslationLookaside Buffer)實現(xiàn)了內(nèi)存管理和流水線中的異常處理功能，并使用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)在內(nèi)存和寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，加快了程序的執(zhí)行速度。另外，ADM5120還集成了多種外圍部件，主要有：PCI(Peripheral Component Interconnect)總線接口，5個100 Mb／s的以太網(wǎng)接口，并且還配置了ADM5120內(nèi)置的PHY芯片，內(nèi)嵌了16 MB／85 MHzSDRAM存儲器，給系統(tǒng)設(shè)計提供了很大的方便。

在本系統(tǒng)中，微控制器接口(非緩沖接口)與VINETIC，F(xiàn)ALSH-RAM，SDRAM并行連接，并分別使用8 B，16 B，32 B的總線寬度。ADM5120通過微控制器接口控制與之相連的VINETIC并將語音數(shù)據(jù)從WLAN接口傳給VINETIC，反之亦然。ADM5120的通用輸入／輸出端口GPIOs控制VINETIC的復(fù)位信號并為VINETIC生成片選信號，同時GPIOs還作為VINETIC準(zhǔn)備功能和中斷信號的輸入。而連接到ADM5120的LED指示燈顯示W(wǎng)AN口和LAN口連接狀態(tài)以及模擬輸出接口的模擬線路狀態(tài)。

1.3 VINETIC語音模塊

VINETIC(Voice and Internet EnhanceTelephony Interface Circuit)是Infineon公司的一款語音處理模塊，它將編解碼器和語音處理功能集成在一起，能達到與傳統(tǒng)語音服務(wù)相同的語音質(zhì)量。VINETIC處理模擬電話信號，語音壓縮包，并提供實時壓縮包的緩沖，具有自適應(yīng)回聲抵消，靜音檢測，DTMF信號產(chǎn)生、譯碼等功能。

VINETIC芯片的主接口電路如圖2所示。其中4和5為片選輸入端；AD0～AD7：雙向的輸入／輸出信號，相應(yīng)的引腳有3種運行狀態(tài)：低電平、高電平或高阻抗，當(dāng)CSQ為高電平時，DOUT呈高阻狀態(tài)，此時需要外接10 kΩ的上拉電阻；28和29輸出數(shù)字電平，漏極開路，相應(yīng)的引腳有2種運行狀態(tài)：低電平有效或三態(tài)，并允許多個設(shè)備共享為線或。芯片供電電路部分：66外接鎖相環(huán)路，此鎖相環(huán)重要地影響到芯片的總性能，因此應(yīng)特別注意對鎖相環(huán)供電的濾波器；64將鎖相環(huán)接地。


1.4 存儲模塊

系統(tǒng)存儲模塊包括1塊NOR FLASH芯片MX29LV320和2塊SDRAM芯片W986432DH。MX29LV320的引腳分布如圖3所示。
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其中A0～A20：地址輸入；DQ0～DQ14：數(shù)據(jù)輸入／輸出；DQ15／A-1：DQ15(按字模式進行數(shù)據(jù)的輸入／輸出)，A-1(按字節(jié)模式進行最低有效位地址輸入)；CE：切片啟動輸入；WE：寫啟動輸入；OE：輸出啟動輸入；RESET：硬件重啟引腳，低電平有效；RY／BY：讀／忙輸出，連接到主處理器ADM5120的RDY引腳以提高速度。

W986432DH的引腳分布如圖4所示。其中A0～A10：地址引腳；BS0和BS1：存儲體選擇；DQ0～DQ31：數(shù)據(jù)輸入／輸出的復(fù)用引腳；RAS：行地址選通；CAS：列地址選通；WE：允許寫入，命令輸入，當(dāng)在RAS時鐘上升沿取樣時，CAS和WE確定操作將被執(zhí)行；DQM0～DQM3：輸入／輸出掩碼，當(dāng)DQM在讀周期高電平采樣時輸出緩沖區(qū)置于高阻抗(2個時延)，而在寫周期采樣將零時延地阻止寫操作；CLK：在時鐘上升沿抽樣輸入；CKE：時鐘啟動，當(dāng)CKE為低時，進入掉電模式、暫停模式或自我充電模式。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體架構(gòu)如圖5所示，其在無線局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)了基于ADM5120的UDP方式點對點通訊和廣播通訊。UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)主要用來支持那些需要在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。眾多的客戶／服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用例如網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)等都需要使用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議直接位于IP(網(wǎng)際協(xié)議)協(xié)議的頂層，屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的傳輸層協(xié)議。由于UDP協(xié)議不需建立連接，具有效率高、速度快和占用資源少等優(yōu)點，應(yīng)用于消息通信和實時系統(tǒng)中可以提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的效率。UDP具有組播和廣播功能，是分發(fā)信息的一個理想?yún)f(xié)議。本系統(tǒng)還移植了一種基于ADM5120的嵌入式Web服務(wù)器boa，實現(xiàn)了對VoIP系統(tǒng)進行基于B／S方式的Web配置。


2.1 點對點通訊的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，在一個網(wǎng)段內(nèi)的任意兩個應(yīng)用程序之間可以進行全雙工通信，每個應(yīng)用程序既可做為服務(wù)器又可做為客戶端。其UDP編程步驟如圖6所示，以下是兩個應(yīng)用程序A和B之間進行點對點通訊的具體實現(xiàn)過程：



(1)雙方分別建立socket，調(diào)用socket函數(shù)：

s=socket(PF_INET，SOCK_DGRAM，0)

SOCK_DGRAM表示套接字類型為數(shù)據(jù)報套接字，即采用UDP協(xié)議進行通信。

(2)綁定已設(shè)置好的自己的地址和端口信息，調(diào)用bind函數(shù)：

bind(s，(struct sockaddr*)&my_addr，sizeof(structsockaddr))

(3)將select函數(shù)置于阻塞狀態(tài)，直到監(jiān)視文件描述符集合rfds中某個文件描述符發(fā)生變化為止：

select(pCtrl->rwd+1，＆rfds，IFX_NULL，IFX_NULL，NULL)

(4)數(shù)據(jù)傳輸：sendto()和recvfrom()用于在無連接的數(shù)據(jù)報socket方式下進行數(shù)據(jù)傳輸。由于本地socket并沒有與遠端機器建立連接，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)指明目的地址。如圖6所示，A作為發(fā)送方，通過其套接字用函數(shù)sendto()將其服務(wù)請求數(shù)據(jù)發(fā)送到接收方B的指定端口，B通過其套接字用函數(shù)recvfrom()接收數(shù)據(jù)，處理好服務(wù)請求后又將服務(wù)應(yīng)答發(fā)回A，此時A便成了接收方，A接收應(yīng)答后還可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)給B。

2.2 廣播通訊的實現(xiàn)

廣播和多播都用于實現(xiàn)向多個接收者發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報，但是廣播不像多播那樣在接收端有復(fù)雜的控制過程，因而實現(xiàn)比多播簡單的多。以下廣播通訊的實現(xiàn)均在點對點通訊的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

在發(fā)送方，只需要設(shè)置套接字socket的選項為允許發(fā)送廣播，然后在發(fā)送時指定目的IP為廣播地址即可。具體地，允許socket廣播通過setsockopt函數(shù)設(shè)置廣播選項來實現(xiàn)，當(dāng)setsockopt參數(shù)optname為SO_BROADCAST時，表示打開或禁止從該socket廣播，當(dāng)參數(shù)optval為1時允許廣播，為0時禁止廣播。

系統(tǒng)編程實現(xiàn)廣播的部分源碼為：

int bBroadcast=1：
setsockopt(pCtrl-->nAdminSocket，SOL_SOCKET，SO_BROADCAST，&bBroadcast，sizeof(bBroadcast))；
setsockopt(pConn-->nUsedSocket，SOL_SOCKET，SO_BROADCAST，&bBroadcast，sizeof(bBroadcast))；
tO_addr．sin_addr．s_addr=inet_addr(WIRLESS_IP_BROADCAST)；

／*WIRLESS_IP_BROADCAST為廣播地址，其值是將網(wǎng)絡(luò)接口(本系統(tǒng)為ath0)IP地址的主機ID部分設(shè)置為全1，網(wǎng)絡(luò)ID部分不變而得到*／

tO_addr．sin_family=AF_INET；

據(jù)文獻[7]所講，在接收方，一般不需做任何改動即可收到廣播。但在本系統(tǒng)實現(xiàn)的實驗過程中，當(dāng)將socket綁定到非INADDR_ANY的IP地址時，接收方無法收到廣播，并且沒有任何錯誤指示，即需要綁定本地端口地址到通配地址INADDR_ANY才可接收廣播：

my_addr．sin_addr．s_addr=htonl(INADDR_ANY)；

另外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了廣播強插功能，即不管用戶當(dāng)前處于摘機、撥號狀態(tài)，還是處于通話狀態(tài)，當(dāng)有廣播來電時，都斷開原來的連接而與廣播主叫建立新的連接(用戶不用掛機)。為了防止通話混亂，本系統(tǒng)設(shè)定同一時刻只有擁有廣播控制權(quán)的用戶有發(fā)言權(quán)，而其他用戶能聽不能說，當(dāng)其他用戶想發(fā)言時，只要按下“*”鍵就搶到了廣播控制權(quán)，最后只有當(dāng)擁有廣播控制權(quán)的用戶掛機時，廣播才停止，而任一其他用戶掛機，不影響廣播通訊繼續(xù)進行。

系統(tǒng)編程實現(xiàn)廣播強插的部分源碼見表1和表2。




3 結(jié) 語

該系統(tǒng)設(shè)計完成后，成功地應(yīng)用于常德市某一電廠，進行生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)能實現(xiàn)點對點通訊和廣播通訊，并且通話質(zhì)量良好，基本無雜音和抖動。

本系統(tǒng)因自帶無線網(wǎng)卡可以自組織網(wǎng)絡(luò)，它可以作為一種無線指令調(diào)度機被應(yīng)用到通信蔽塞的工廠，另外還可外接喇叭自動接聽電話，機器操作員不用停下手中的工作就可照指令進行相應(yīng)的操作。另外，本系統(tǒng)應(yīng)用可拓展性好，如：系統(tǒng)可通過PCM通道進行FXO連接從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)PSTN互通(見圖1)；在本系統(tǒng)上移植SIP協(xié)議棧便可實現(xiàn)與WIFI手機互通；將本系統(tǒng)整合到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，基于Ad Ioc網(wǎng)絡(luò)的各類移動終端設(shè)備便可應(yīng)運而生，因此本系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。