EP9302的嵌入式VOWiFi電話終端設計

引 言

　　下一代網絡NGN(Next Generation Network)已經成為通信網絡發展的方向，VoIP是NGN研究的一個熱點，具有廣闊的應用市場。VoIP技術可以在分組交換網絡上傳輸語音業務，滿足人們在數據通信網上對語音業務的需求。目前，IP電話領域存在兩個呼叫信令和控制標準：ITU—T的H．323協議和1ETF的SIP協議。H.323協議因其提出時間較早已經獲得了成熟的應用，而IETF提出的SIP協議，因其簡單、靈活的技術特點而呈現出后來居上的趨勢。

　　與此同時無線局域網(WLAN)技術發展迅速。

　　WLAN主流技術標準已從802．11發展到802．11a／b／g，接入速率已從最高l Mbps發展到54 Mbps，而且技術成熟，成本低，普及率提高迅速，迎合了便攜式終端的發展要求，已得到大量國際廠商的支持和市場的廣泛認同。但是目前802．11a／b／g技術只提供高速數據接入業務，不能提供語音業務，因此有必要在該數據業務基礎上采用VoIP技術，研制一種無線VoIP電話(VOWiFi)，以適應嵌入式通信網絡設備應用越來越廣泛的現實。實現VoWiFi的軟硬件平臺，可以采用當前最流行的嵌入式開發平臺和開源的Linux操作系統。基于以上技術可以構建一個嵌入式VoWiFi電話終端，具有重要的應用價值。

　　1 技術方案

　　嵌入式VoWiFi電話是能夠在802．11a／b／g無線局域網上進行電話通信的設備。為了能在802．1la／b／g上實現電話通信，必須采用VoIP技術，本系統VoIP標準可以選擇更靈活的SIP協議。為了能實現各種通信協議，完成各種控制和管理工作，滿足今后進一步開發需要，需采用基于微控制器的嵌入式系統。為了提高硬件設計的靈活性和軟件代碼在平臺間的可移植性，本系統軟硬件的設計采用了模塊化的方法。在硬件上，把系統劃分為以太網接口、USB無線網卡接口、音頻接口、串行接口等幾個功能單元；在軟件上，利用嵌入式操作系統分離底層硬件平臺和上層應用，通過對終端系統的模塊劃分和模塊間的接口定義，有效分離各模塊間的相關性，從而使得各個模塊可以同時進行開發，提高開發效率。

　　2 硬件設計

　　2．1 總體方案

　　VoWiFi電話硬件技術方案如圖1所示。ARM9處理器是整個終端的核心部分，外圍包括802．11b／g無線模塊、語音信號處理模塊、鍵盤和LCD電路。ARM嵌入式系統是VoWiFi電話通信控制和管理的核心，它負責操作系統的運行、資源的管理和分配、信息數據的處理以及與外部擴展單元的通信，完成與各個模塊的接口和通信、TCP／IP協議和SIP協議的操作等。綜合考慮各種因素，本系統采用ARM9微控制器芯片EP9302。為了使系統能夠支持多任務，使得程序開發更加容易、便于維護，同時能夠提高系統的穩定性和可靠性，采用嵌入式操作系統Linux。

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　　802．11b／g無線模塊實現空中無線接口和無線局域網接入功能。選用VIA威盛公司的VT6656 USB無線網卡，VT6656 wLAN控制器包括1個IEEE802．11a／b／gMAC，并集成了一枚基帶處理器支持USB2．O。該控制器可提供54Mbps高速的無線連接。

　　在ARM9開發板內部含有1個USB2．O接口控制器，接口電路如圖2所示。共有3個LISB接口(2個Host和1個Device)，通過選擇開關SW800進行選通控制。74HC08作為4個二輸入與門邏輯電路，負責控制信號的邏輯組合。該接口用來連接USB接口的外部設備。

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音信號處理模塊用于對語音信號的數字化處理。本終端的音頻接口由I2S音頻總線接口和UDAl341TS音頻編解碼器組成，I2S接口采用DMA的數據傳輸模式。UDAl341TS是一款經濟型音頻編解碼器，它通過I2S數字音頻接口實現音頻信號的數字化處理。圖3是EP9302與UDAl341TS的引腳連接示意簡圖。

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　　LCD顯示器和4×4鍵盤用于人機接口，在ARM嵌入式系統支持下實現各種人機操作。考慮到LCD顯示器主要用于號碼以及各種狀態標識顯示，因此采用背光的128×64圖形點陣LCD模塊。

　　3 軟件設計

　　本嵌入式WLAN SIP電話終端的軟件結構如圖4所示。具體來說，需要如下的軟件。

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　　(1)嵌入式操作系統嵌入式操作系統

　　提供了嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺，具有將CPU時間、中斷、I／0、定時器等資源包裝起來而留給用戶標準的API系統調用，對任務進行合理調度以保證實時性和可靠性等功能。無線網卡驅動程序、TCP／IP協議棧、液晶顯示器及鍵盤驅動程序等都屬于操作系統模塊。

　　(2)SIP協議

　SIP協議主要用于呼叫控制，包括呼叫的建立、維護和終結，以及根據呼叫進展情況動態調整和修改相關屬性。SIP協議的相關操作包括：SIP消息的發送和接收、消息的生成與分析、狀態機的保存與轉換、SIP對話的管理、SIP事務處理機制的運行、SDP消息的構造、解析和雙方媒體協商處理，以及終端的注冊等功能。

　　(3)語音處理軟件

　　語音處理軟件用于實現用戶間完整的語音交互，可進一步劃分為：

　　①語音處理模塊。負責語音數據的采集、編解碼和播放，這里采用全世界的電路電話交換網中使用的G．711語音編碼技術。

　　②實時媒體傳輸模塊。完成數據包的RTP封裝與分解，以及數據包的發送和接收。SIP協議和語音處理是兩個獨立的過程，按照建立SIP會話在前、建立媒體流連接在后，拆除媒體流連接在前、拆除SIP會話在后的順序工作。

　　(4)硬件設備驅動

　　硬件設備驅動包括無線網卡、鍵盤和LCD驅動。將驅動程序編譯成內核的一個可載入模塊并鏈入內核，生成新的可以在目標板上運行的內核，然后將內核燒入目標板的Flash中，使它們能正常使用。

　　(5)終端應用程序

　　終端應用程序實現終端程序的初始化，創建線程；管理程序中各模塊信息，為它們分配資源；通過與用戶的交互，負責在全局上控制和管理其他各模塊的工作及模塊間的通信；并作為SIP用戶代理的運行平臺，實現整個系統的呼叫發起、呼叫響應及呼叫結束的功能。

　　在整個系統的工作過程中，包括信令控制協議的傳輸、信令控制功能的使用、建立連接之后的語音傳輸、實時媒體的傳輸與控制，都是采用UDP方式實現的。語音數據要求比較高的實時性及處理速度，而且語音數據質量對可能出現的因可靠性問題而產生的丟包現象不是很敏感，所以使用UDP作為語音數據的傳輸載體。

　　在整個會話過程中，用來保障實時數據傳輸的協議是RTP協議。RTP算法并不作為一個獨立的網絡層來實現，而是作為應用程序代碼的一部分。實時傳輸控制協議RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務。

　　4 工作過程與實驗測試

　　4．1 工作過程

　　采用嵌入式VOWiFi電話終端、無線AP和基于PC機的SIP軟電話為實驗環境。VoWiFi終端工作過程為：音頻信號首先經過MIC后送入音頻處理單元，完成聲音信號的模／數轉換，再經過語音編解碼自上而下分別以RTP協議、UDP協議、IP協議將數據封裝。ARM9處理器則通過I2S總線由DMA方式把封裝后的數據讀取到片外緩存單元SDRAM，當所開辟的緩存區域存滿后，運行無線網卡驅動，把IP包通過無線網卡發送出去。在PC上運行的SIP軟電話收到發送過來的數據后，通過應用層軟件把IP包中的音頻數據取出，然后調用PC聲卡驅動，并把數據送入聲卡還原成模擬話音。反方向的數據傳輸類似，只是數據是由運行于宿主機上TCP／IP的客戶端程序發送。

　　4．2 實驗測試

　　經過對終端的注冊、呼叫、撤銷呼叫、語音通信等功能進行測試，終端可以對SIP信令過程進行很好的控制，從而實現注冊、呼叫等基本功能。在語音傳輸方面，本終端可以與被叫RTP通道進行實時語音傳輸，在局域網環境內語音質量較好，延遲較小；在互通方面，除了與另一同樣終端可以互通，還可以與Linphone、X—lite等終端建立呼叫和語音通信，互通性較好。

　　結 語

　　在介紹VoIP原理的基礎上，設計了基于ARM9平臺的嵌入式VoWiFi電話終端的軟硬件。該設計采用當前最流行的嵌入式開發平臺和開源的Linux操作系統實現了無線局域網上VoIP語音通話功能。創新點在于：在802．11a／b／g無線局域網(wLAN)上，采用VoIP技術實現VoWiFi電話終端語音通話功能。