基于ARM的局域網(wǎng)IP電話設(shè)計
關(guān)鍵詞： IP電話；網(wǎng)關(guān)；實時操作系統(tǒng)；高級精簡指令集計算機；
前言
由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展與更新比PBX快，設(shè)備價格降幅大，建立一個以Internet(或Intranet)為基礎(chǔ)的IP電話網(wǎng)絡(luò)，以替代傳統(tǒng)電話設(shè)備系統(tǒng)成為企業(yè)的目標。
局域網(wǎng)IP電話
局域網(wǎng)IP電話使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和布線來傳輸話音和數(shù)據(jù)。 在傳統(tǒng)的PBX (專用小交換機)系統(tǒng)中，話音呼叫通過與辦公PBX連接的一系列標準話音線路進入辦公室，即通過一種專用設(shè)備在標準的電話配線上接收和疏導(dǎo)話音業(yè)務(wù)量。然而在LAN電話話音網(wǎng)絡(luò)中，話音呼叫通過基于IP的PBX進行接收和疏導(dǎo)，而這種IP PBX是與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的。IPPBX可以是一種獨立的解決方案，也可以分解為幾種分散的裝置。具體功能框圖如圖1所示。
圖1 局域網(wǎng)IP電話功能模塊圖
該IP電話的主要優(yōu)點：
可方便的移動和增加終端設(shè)備；
支持多媒體終端；
有利于發(fā)展計算機電話集成技術(shù)；
硬件平臺
通常硬件的基本設(shè)計要求是：高密度、低功耗和低成本。而VoIP的許多性能都對應(yīng)特定的應(yīng)用需求，諸如：(1)系統(tǒng)分割，包括分組數(shù)據(jù)包集合和路由；(2)定義產(chǎn)品功能的軟件性能；(3)滿足高可用性的網(wǎng)絡(luò)管理能力。
LAN電話產(chǎn)品工作在純IP方式下，所以話機在接入廣域網(wǎng)后，在網(wǎng)絡(luò)管理方面應(yīng)該是兼容的。本方案的VoIP話機是一種網(wǎng)關(guān)下移的終端產(chǎn)品，無需通過網(wǎng)關(guān)就可將此設(shè)備直接接入以太網(wǎng)中，配置好相關(guān)的地址信息就可以使用。它的開發(fā)基于Atmel公司的AT75C220開發(fā)板。AT75C220是專為各種因特網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的高性能處理器芯片。它的核心部件—ARM7TDMI 微處理器運行能力為40MIPS，專門用于話音處理的OakDSPCore協(xié)處理器(圖2中的話音處理芯片)，運行能力可達60MIPS。兩者之間信息的交互采用高效的雙端口mailbox機制。這就決定了AT75C220能綜合通用CPU的控制功能和專用CPU的信息處理功能，提高了系統(tǒng)的集成度，同時 ARM處理器的操作指令比較簡單，降低了開發(fā)的復(fù)雜度。
AT75C220開發(fā)板除了具備用于連接計算機的標準串行接口和連接電話手柄的RJ11接口外，還有兩個標準RJ45以太網(wǎng)接口用于連接網(wǎng)守。ARM7TDMI核心處理器控制整個VoIP話機的運行，并提供通用I/O接口用于連接撥號鍵盤、液晶顯示器和振鈴電路。AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 AT75C220的結(jié)構(gòu)框圖
AT75C220開發(fā)板上裝有存儲應(yīng)用程序的閃存(flash)。計算機利用超級終端程序通過開發(fā)板上的串行接口可以與AT75C220芯片進行信息交互，實現(xiàn)對flash的應(yīng)用程序編程和其它軟件管理功能。開發(fā)AT75C220應(yīng)用軟件的PC機必須啟動運行siap-mClinux操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序開發(fā)完畢后，通過220software set提供的工具將包含應(yīng)用程序及操作系統(tǒng)內(nèi)核的img文件下載到220開發(fā)板上的flash中，最終完成系統(tǒng)的開發(fā)。
VoIP話機的構(gòu)造如圖3所示。其用戶接口部分與普通話機無異，顯示器用來顯示相關(guān)的信息，如發(fā)起呼叫時所撥的號碼、來電顯示等。此外，VoIP話機可以由串行口與個人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備相連，實現(xiàn)軟件升級、自動撥號等功能。話音接口的功能是實現(xiàn)話音模擬信號與標準64Kbit/s PCM信號之間的相互轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)接口負責(zé)話音分組的發(fā)送和接收以及各種呼叫信令的交換。VoIP話機通過RJ45插頭與局域網(wǎng)上的網(wǎng)守相連。
圖3 IP話機構(gòu)造圖
軟件實現(xiàn)
該實現(xiàn)依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和實時操作系統(tǒng)(RTOS)。多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要RTOS以便同時處理多個流程和呼叫。采用的RTOS應(yīng)具有以下特點以滿足通信協(xié)議的復(fù)雜性：系統(tǒng)內(nèi)核??；中斷處理時間短；連續(xù)運行時間長；多個毫秒級或微秒級定時器的處理能力。ARM- mClinux是非常優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)，它提供了多種用于實時系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試、和運行的功能，如多任務(wù)機制、內(nèi)核可裁剪、網(wǎng)絡(luò)功能、實存儲器管理策略等。同時，Linux的內(nèi)核源代碼是完全公開的，這對降低開發(fā)成本、提高軟件開發(fā)的復(fù)用度等方面無疑是十分有利的。
對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，本方案采用標準的H.323協(xié)議棧，以便與公網(wǎng)進行互連。從TCP/IP的分層觀點來看，H.323是一個應(yīng)用層協(xié)議族，它包含了適用于各種媒體通信和信令控制的協(xié)議，建立的基礎(chǔ)是TCP或者UDP協(xié)議。根據(jù)實際的使用需求，本文重點討論的協(xié)議有語音編碼方面的G.723.1、G.711等和呼叫控制信令H.225和H.245等。在CPU的正常設(shè)計能力下，系統(tǒng)所有的進程將會阻塞在各自的消息隊列中，只有處于最低的IDLE進程處于運行狀態(tài)，消息隊列中消息總數(shù)處于比較低的數(shù)量水平。增加進程可能要增加共用的數(shù)據(jù)區(qū)和內(nèi)部消息，相應(yīng)的還要引入復(fù)雜的管理機制。
基于上述軟件要求，該VoIP話機要能與符合H.323標準的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)守互通，并實現(xiàn)VoIP話機與VoIP話機及VoIP話機與網(wǎng)關(guān)所帶的普通話機之間的話音通信功能。此外，VoIP話機還應(yīng)具備一定的錄音與重放能力。
對于IP話機而言，主要軟件實現(xiàn)在話機和網(wǎng)守的通信以及話機之間的互通，其呼叫流程如圖4。
圖4 H.323呼叫信令流程
上述過程的通道實現(xiàn)機制是TCP或UDP。IP話機在成功登錄到網(wǎng)守后，其接續(xù)過程完全類似于普通話機之間的接續(xù)，摘機后向網(wǎng)守發(fā)“呼叫請求” (udp)，網(wǎng)守收到后發(fā)“是否運行主叫撥號”(tcp)，如果不允許的話，提示掛機；若允許的話，主叫在收到撥號音后開始撥號，向網(wǎng)守送“撥號信息”報文(tcp)，網(wǎng)守向主叫發(fā)送“被叫空閑信息”報文(tcp)，然后是分別向主叫和被叫送回鈴音和振鈴音。等待被叫摘機后，被叫向網(wǎng)守送“被叫摘機”報文 (udp)，網(wǎng)守向被叫送“停止振鈴”(tcp), 網(wǎng)守向主叫送“被叫摘機”報文(tcp)，進入通話(udp)狀態(tài)。有關(guān)話音的處理要涉及到220話音處理模塊。
網(wǎng)關(guān)向網(wǎng)守發(fā)送的報文：不管是高層用戶端向網(wǎng)守發(fā)送的登錄報文，還是IP話機或交換機側(cè)向網(wǎng)守發(fā)送的呼叫處理報文，都會先放置在名為mqRecvBottom的消息隊列中，然后根據(jù)報文所采用的傳送方式發(fā)往以下三個隊列：信令的TCP傳送_mqSendTCP;信令的UDP傳送_mqSendUDP;話音傳送 _mqSendData(可以通過網(wǎng)守轉(zhuǎn)發(fā)，也可以直接在兩個網(wǎng)關(guān)之間發(fā)送)，然后再通過socket發(fā)送出去。
幾個關(guān)鍵問題的解決
摘掛機檢測與號盤號碼接收
AT75C220提供若干用戶自定義的通用I/O接口。只需通過一定的硬件連接和軟件編程，就可以實現(xiàn)摘掛機狀態(tài)的檢測與用戶所撥號碼的接收。
來話振鈴
AT75C220內(nèi)部寄存器中有專門指示有無來話的比特位。應(yīng)用軟件定期檢測該比特，一旦發(fā)現(xiàn)有來話，立即通過某一個事先編程確定的通用I/O口送出振鈴指示信號，該信號可作為振鈴電路的使能信號。
話音處理模塊
話音處理的功能均由ARM7TDMI控制OakDSPCore共同完成。
在進行IP通話時，將模擬前端電路送來的64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號進行壓縮，送至網(wǎng)絡(luò)接口模塊；同時將網(wǎng)絡(luò)接口模塊送來的壓縮話音信號進行解壓，形成64Kbit/s PCM數(shù)字話音信號送至模擬前端。
通過對OakDSPCore的靈活編程，VoIP話機可以方便地實現(xiàn)語音留言的錄音和回放功能。
在用戶從號盤撥號時，通過編程啟動OakDSPCore的DTMF信號發(fā)生器功能，在用戶聽筒里產(chǎn)生相應(yīng)的雙音多頻信號。如果需要，該DTMF信號還可以象話音信號一樣經(jīng)壓縮編碼后發(fā)送出去。
話音壓縮和解壓采用G.723.1算法。為了執(zhí)行有效的語音壓縮，必須考慮很多重要的因素。首先，當(dāng)所有通道都工作時，必須確保性能沒有任何下降。數(shù)據(jù)包必須是可配置的，以確保最大的靈活性。此外，本課題采用的G.723.1算法采用了話音激活檢測技術(shù),VAD技術(shù)是自適應(yīng)增益控制的基礎(chǔ)，能進一步實現(xiàn)帶寬。
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