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。