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[導(dǎo)讀]嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計


摘要:根據(jù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的特點及VOIP技術(shù)原理,設(shè)計了一款基于WinCE的嵌入式語音傳輸系統(tǒng)。此系統(tǒng)實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端之間的語音通信,以及網(wǎng)絡(luò)終端和PC機(jī)之間的語音通信功能,具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞:嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端;語音;VOIP;WinCE

引言
    嵌入式系統(tǒng)因其滿足系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗的要求,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在交通、商業(yè)/金融、工業(yè)控制、醫(yī)療等各個領(lǐng)域。目前,嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為了國際研究的熱點技術(shù),許多IT行業(yè)的公司也都在研發(fā)相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端。
    電話是人們最常使用的交流工具,隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信成為了人們研究的熱點。傳統(tǒng)電話的語音傳輸質(zhì)量和可靠性都很好,但資費較高,特別是打國際長途時;而基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信由于是在Internet上傳輸信號,大大節(jié)省了通信線路的成本,從而降低了VOIP資費,使其擁有了巨大的市場潛力。
    目前,VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件,如Skype網(wǎng)絡(luò)電話、UUCall網(wǎng)絡(luò)電話、KC網(wǎng)絡(luò)電話、Mierosoft公司的Netmeeting等,都是基于PC機(jī)的,難以運(yùn)行在嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端這種資源有限的設(shè)備上。同時,許多類庫中的函數(shù)在PC機(jī)上可以正常運(yùn)行,而WinCE嵌入式操作系統(tǒng)卻不支持,因此不能直接對VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件進(jìn)行簡單的裁剪。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    如圖1所示,系統(tǒng)由嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端、電源模塊、以太網(wǎng)口模塊、串口和USB接口模塊、顯示模塊(觸摸屏)、語音采集和播放模塊、外部數(shù)據(jù)存儲模塊以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示和接口模塊構(gòu)成。其中,嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端采用三星公司專門針對手持設(shè)備而設(shè)計的S3C2440A-40微處理器。


1.2 語音采集和播放模塊
    語音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并對信號進(jìn)行PCM編碼。其電路如圖2所示。采用Philips公司的UDA1341 TS型立體聲音頻CODEC進(jìn)行音頻編解碼。該芯片提供2個麥克風(fēng)輸入,可實現(xiàn)單端輸入、差分輸入等靈活配置,并設(shè)置了可編程增益放大器和自動增益控制器,可保證高質(zhì)量的音頻獲?。煌瑫r,還集成了聽筒和喇叭輸出的驅(qū)動器,喇叭音量可以通過編程調(diào)整。S3C2440A-40微處理器與UDA1341TS編解碼器通過I2S總線直接相連,并采用DMA發(fā)送/接收方式,完成系統(tǒng)的錄音和放音。


1.3 嵌入式操作系統(tǒng)
    嵌入式操作系統(tǒng)采用了微軟公司研發(fā)的WinCE。它是一款功能強(qiáng)大的32位嵌入式實時操作系統(tǒng),具有多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點,是專為各種受到嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計的。WinCE支持多種硬件外圍設(shè)備,同時內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使WinCE能夠訪問Internet并收發(fā)E-mail或瀏覽Web。除此之外,WinCE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用。

2 VOIP技術(shù)
2.1 VOIP的基本原理
    VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺,通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理,然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包,經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?,再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來,經(jīng)過解碼解壓處理后恢復(fù)成原來的語音信號,從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。其特點是可以將一路語音數(shù)據(jù)壓縮為8 kb/s甚至更低,同時可使用戶不需要獨占醫(yī)療線路資源,從而提高了線路利用率,并大大降低了資費成本。
2.2 VOIP協(xié)議
    VOIP技術(shù)中最主要的兩種呼叫控制協(xié)議為H.323協(xié)議和SIP協(xié)議。H.323是ITU的一個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇,制定了無服務(wù)質(zhì)量保證的分組網(wǎng)絡(luò)(PBN)上的多媒體通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),已在VOIP領(lǐng)域的到了廣泛的應(yīng)用,呼叫建立比較復(fù)雜。SIP協(xié)議是由IETF(國際互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定組織)制定的面向Internet會議和電話的信令協(xié)議,參照了HTTP和SMTP協(xié)議,呼叫控制在終端完成,呼叫建立相對簡單。
2.3 語音壓縮編碼技術(shù)
    語音壓縮編碼技術(shù)是VOIP技術(shù)的核心,其目的就是在保證語音音質(zhì)和可懂的條件下,采用盡可能少的比特數(shù)來表示語音。常用的語音編碼方式有G.723.1、G.729、G.729A等,其中G.729可將采樣為64 kb/s的話音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8kb/s。本設(shè)計采用了G.729方式的語音壓縮算法,結(jié)合實時傳輸協(xié)議RTP和UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)語音傳輸。

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3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 終端軟件的功能模塊
    終端軟件功能模塊如圖3所示。此終端軟件可為用戶提供良好的交互界面。


3.2 VOIP終端軟件主流程
    用戶打開終端軟件,可以根據(jù)自己的需要選擇語音聊天、文本聊天或者收發(fā)郵件。進(jìn)行語音聊天前,用戶可以直接在好友欄中選擇聊天對象,也可直接輸入對方的IP進(jìn)行連接。語音聊天的過程是:說話方,麥克風(fēng)采集模擬語音信號→語音芯片采集量化編碼→嵌入式系統(tǒng)對信號進(jìn)行壓縮編碼→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸;收聽方,接收語音數(shù)據(jù)→去IP/UDP/RTP包頭→嵌入式系統(tǒng)對信號解碼→語音芯片將數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)為模擬信號→揚(yáng)聲器播放。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)
4.1 語音采集和播放
    語音信號的采集分為從網(wǎng)絡(luò)上采集數(shù)據(jù)和從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)。主要函數(shù)包括:語音采集函數(shù)VoiceCapture(),用線程控制語音采集函數(shù)Thread Voice Capture(),創(chuàng)建用于播放的音頻設(shè)備對象函數(shù)Play Device(),創(chuàng)建音頻捕捉設(shè)備對象函數(shù)Caputer Device(),創(chuàng)建音頻捕捉緩沖區(qū)對象函數(shù)Capture Buffer(),創(chuàng)建輔助緩沖區(qū)函數(shù)Secondary Buffer(),音頻格式設(shè)置函數(shù)Set Wave Format(),通知事件觸發(fā)函數(shù)Notification(),停止語音采集函數(shù)Voice Stop(),從字節(jié)數(shù)組中獲取音頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行播放函數(shù)Get VoiceData()以及語音采集初始化函數(shù)Initialize Voiee()。
4.1.1 Get Voice Data()函數(shù)
    具體流程如圖4所示。從網(wǎng)絡(luò)上獲取的數(shù)據(jù)實際是由Local Socket.Begin Receive From()函數(shù)提取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),再經(jīng)接收數(shù)據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)移給Get Voice Data()函數(shù),Get Voice Data()函數(shù)提取后放入語音緩沖區(qū)供音頻編解碼器提取并播放。Get Voice Data()函數(shù)首先用支持存儲區(qū)為內(nèi)存的流Memory Stream從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)byte Receive,將字節(jié)塊寫入當(dāng)前流:
    Memory Stream.Write(byte Receive,0,intReceive)


    當(dāng)流中存儲的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)據(jù)量時就播放語音:SecondaryBuffer.Write(0,Memory Stream,int Postion Write-in-tPostioPlay,LockFlag.From Write Cursor)Secondary Buffer.Play(0,Buffer Play Flags.Default)
4.1.2 采集音頻編碼器語音數(shù)據(jù)
    從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)時,首先通過UDA1341TS采集語音信號放入語音捕捉緩存區(qū),應(yīng)用程序再從語音捕捉緩沖獲取語音信號并發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。

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4.2 語音傳輸
    語音傳輸是主要包含監(jiān)聽函數(shù)Listen(),數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendVoice(),數(shù)據(jù)接收函數(shù)Receive Data(),綁定自己IP和端口函數(shù)BindSelf(),遠(yuǎn)程終端IP端口設(shè)置函數(shù)SetRemoteIPEnd()、線程關(guān)閉函數(shù)ThreadStop()函數(shù)和初始化函數(shù)InitVoice()。
4.2.1 監(jiān)聽函數(shù)
    監(jiān)聽函數(shù)負(fù)責(zé)監(jiān)聽遠(yuǎn)程計算機(jī)發(fā)送到本機(jī)的信息。每隔一定時間查詢一下網(wǎng)絡(luò),如果有可讀的數(shù)據(jù)就接收:LocalSocket.BeginRecei-veFrom(byteData,0,byteData.Length,SocketFlags.None,ref endPoint,new AsyncCallback(ReceiveData),null)并且將此線程設(shè)置為后臺線程,以便當(dāng)主線程關(guān)閉時,此線程能自動結(jié)束。
4.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)
    數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)的作用是將語音捕捉緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過Client.SendTo(CaptureData,EndPoint)函數(shù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)線程發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)要讀取(即線程被觸發(fā))時,就會循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù),直到?jīng)]有可讀的數(shù)據(jù)為止。CaptureBuffer為語音捕捉緩沖區(qū)對象。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。


4.2.3 數(shù)據(jù)接收函數(shù)
    數(shù)據(jù)接收函數(shù)的功能主要是調(diào)用GetVoiceData()函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)中接收語音數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)。代碼如下:



結(jié)語
    以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的第四階段。本文在基于ARM+網(wǎng)卡芯片+UDA1341TS音頻編解碼芯片模式的硬件平臺實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)資源的對接及語音采集和播放的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的VOIP系統(tǒng)終端軟件,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)終端間的語音通信。

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