《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無(wú)線IPPBX系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

《電子技術(shù)應(yīng)用》2007年第1期
2007-11-13
作者:黃寧成, 石江宏

摘 要:描述了無(wú)線VOIP交換機(jī)的硬件設(shè)計(jì)原理與軟件實(shí)現(xiàn)方法。在描述系統(tǒng)整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上,介紹了其硬件設(shè)計(jì)部分的GSM工作單元、PCM編解碼" title="編解碼">編解碼單元、語(yǔ)音壓縮" title="語(yǔ)音壓縮">語(yǔ)音壓縮解壓處理單元和總線端口適配" title="適配">適配單元的設(shè)計(jì)方法以及工作原理;描述了系統(tǒng)軟件分層思想,介紹各層的功能和設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞:VOIP? GSM? 短信網(wǎng)關(guān)? SIP協(xié)議? 嵌入式Linux? Web服務(wù)器

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隨著以太網(wǎng)寬帶技術(shù)的發(fā)展,以IP網(wǎng)絡(luò)為媒介的語(yǔ)音通信技術(shù)(VOIP技術(shù))憑借其低廉的話費(fèi)受到消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)始研究、使用這項(xiàng)技術(shù)。無(wú)線VOIP交換設(shè)備(即無(wú)線IPPBX)通過(guò)GSM無(wú)線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)的電話用戶與普通電話用戶之間的通信。它融合了以太網(wǎng)和GSM網(wǎng)絡(luò),具備GSM網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)兩方面的優(yōu)勢(shì),既具備IP電話話費(fèi)低廉的優(yōu)勢(shì),又可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)IP電話落地而不受固定電話線的束縛,同時(shí)結(jié)合以太網(wǎng)的http協(xié)議可以在其上實(shí)現(xiàn)短信網(wǎng)關(guān)的功能。本文將從硬件和軟件的角度來(lái)闡述該設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)硬件系統(tǒng)由GSM工作單元、PCM編解碼工作單元、語(yǔ)音壓縮/解壓處理單元(DSP)、CPLD總線適配單元和MPC860T核心控制單元構(gòu)成。系統(tǒng)通過(guò)兩條總線實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作:通過(guò)I2C總線向GSM工作單元、PCM編解碼單元發(fā)送控制信令" title="信令">信令和讀取狀態(tài)信息;通過(guò)HPI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音壓縮解壓處理單元(DSP)語(yǔ)音壓縮包的讀取和發(fā)送。系統(tǒng)通過(guò)CPLD以及與之相連的一塊MCU實(shí)現(xiàn)兩條總線的適配并在MPC860T核心控制單元端提供了統(tǒng)一的I/O" title="I/O">I/O接口。

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系統(tǒng)的工作流程如下:若系統(tǒng)要傳送語(yǔ)音數(shù)據(jù)到以太網(wǎng),GSM模塊或普通話機(jī)的模擬話音經(jīng)PCM編解碼器A law/μlaw 編碼后送到E1數(shù)據(jù)總線上,然后DSP將E1線上的PCM碼流按G.729/G.723的標(biāo)準(zhǔn)壓縮成低比特率的語(yǔ)音包,并在相應(yīng)的端口產(chǎn)生一定的狀態(tài)信號(hào),該狀態(tài)信號(hào)經(jīng)CPLD處理后轉(zhuǎn)化為MPC860T的中斷信號(hào),MPC860T處理器響應(yīng)中斷,通過(guò)CPLD將語(yǔ)音壓縮包從DSP的HPI口讀取出來(lái)并通過(guò)以太網(wǎng)控制器將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。系統(tǒng)從以太網(wǎng)接收語(yǔ)音壓縮包,并將其還原成模擬話音,其過(guò)程與此相反。
1.2 GSM工作單元設(shè)計(jì)
GSM工作單元由MCU、GSM模塊以及一些外圍接口電路構(gòu)成,其原理框圖如圖2所示。MCU是工作單元的控制部件,它通過(guò)自身的I2C接口與系統(tǒng)的I2C總線連接,并通過(guò)串口與GSM模塊連接。單元工作時(shí)先從I2C總線接收系統(tǒng)發(fā)送的控制信令,然后由MCU將控制信令轉(zhuǎn)化為具體的AT指令并通過(guò)串口發(fā)送給GSM模塊。GSM模塊根據(jù)收到的AT指令執(zhí)行相應(yīng)的操作(發(fā)送撥號(hào)信息、建立語(yǔ)音通路、發(fā)送短信等)。當(dāng)然GSM模塊也可以將自己的狀態(tài)信息如自己的忙閑狀態(tài)、來(lái)電號(hào)碼通過(guò)串口發(fā)給MCU,再由MCU通過(guò)I2C總線上報(bào)給主控CPU(MPC860T)。

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? GSM單元的設(shè)計(jì)中需要特別注意以下幾點(diǎn):
?? (1)電源設(shè)計(jì)。GSM模塊在整個(gè)系統(tǒng)中屬于功耗比較大的部件,空閑時(shí)工作電流為35mA,工作時(shí)的平均電流為350mA,突發(fā)工作電流可以達(dá)到2A。所以GSM模塊要采用單獨(dú)的電源芯片供電,并且有足夠的負(fù)載能力。在設(shè)計(jì)中采用DC-DC的電源芯片給模塊提供4V電壓并在電源的輸出端并聯(lián)一個(gè)2200μF的大電容,以防止模塊的突發(fā)大電流使電源芯片的供電電壓發(fā)生瞬時(shí)下降。
???(2)串行接口電路的設(shè)計(jì)。GSM模塊的串行口(UART)使用的不是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平,不能與控制它的MCU串口直接相連,在它們之間要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換接口電路。該電路要能實(shí)現(xiàn)模塊的3V高電平與MCU端5V TTL高電平的相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中使用三極管的開(kāi)關(guān)電路和電阻分壓電路就可實(shí)現(xiàn)該功能,如圖3所示。實(shí)驗(yàn)證明該方法簡(jiǎn)單、有效。

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???(3)模塊語(yǔ)音口電路的設(shè)計(jì)。GSM模塊的語(yǔ)音輸入、輸出都是差分信號(hào),而PCM編解碼器的語(yǔ)音口要求單端信號(hào)。在兩個(gè)語(yǔ)音端口之間要有差分信號(hào)與單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路,才可實(shí)現(xiàn)兩者的連接。設(shè)計(jì)中采用運(yùn)放電路來(lái)實(shí)現(xiàn)差分與單端的轉(zhuǎn)換。由于GSM模塊的語(yǔ)音口特別容易受到射頻干擾,所以模塊的語(yǔ)音口還要連接一些濾波電容。此外,PCB布板也要保證語(yǔ)音信號(hào)線遠(yuǎn)離模塊的天線,這樣才能將噪聲干擾降到最低,保證話音質(zhì)量。
1.3 PCM編解碼單元設(shè)計(jì)
PCM編解碼單元主要有兩個(gè)任務(wù):將來(lái)自GSM模塊或普通話機(jī)的模擬話音進(jìn)行A law/μ law PCM編碼,然后發(fā)送到系統(tǒng)E1數(shù)據(jù)線上;獲取系統(tǒng)E1數(shù)據(jù)總線某個(gè)時(shí)隙的PCM編碼并將其還原成模擬話音。設(shè)計(jì)中采用一塊帶I2C接口的MCU作為PCM編解碼器的控制器。該控制器從I2C總線接收主控CPU(MPC860T)發(fā)送的控制信令并將該信令轉(zhuǎn)化為PCM編解碼器命令序列,PCM編解碼器接受命令后完成相應(yīng)的編解碼功能。
1.4 語(yǔ)音壓縮解壓?jiǎn)卧O(shè)計(jì)
語(yǔ)音壓縮解壓?jiǎn)卧墓ぷ魇牵簩⑶岸薖CM編碼器發(fā)送來(lái)的PCM數(shù)據(jù)壓縮成低比特率的語(yǔ)音包后交由主控CPU處理;將主控CPU發(fā)送來(lái)的語(yǔ)音壓縮包還原成PCM編碼。該單元的設(shè)計(jì)中采用AudioCodes公司的AC48304C_C作為語(yǔ)音PCM編碼的壓縮解壓處理器。該處理器支持四個(gè)語(yǔ)音處理通道,每個(gè)通道可以單獨(dú)編程,配置不同的PCM時(shí)隙和壓縮/解壓算法(G.723、G.729等)。根據(jù)主控CPU(MPC860T)的數(shù)據(jù)包處理能力,本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中掛載四片AC48304C_C,可同時(shí)處理16路語(yǔ)音的編解碼(壓縮/解壓)。
1.5 總線端口適配單元設(shè)計(jì)
總線端口適配單元的功能是從硬件上屏蔽I/O總線操作的復(fù)雜性,使主控CPU以一種簡(jiǎn)單的I/O讀寫(xiě)方式即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩大總線的操控(I2C總線和HPI總線)。該單元的設(shè)計(jì)采用一片CPLD和一塊帶I2C接口的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)總線適配功能。CPLD的功能是實(shí)現(xiàn)不同I/O口間邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換,具體來(lái)說(shuō)就是將主控CPU的I/O讀寫(xiě)邏輯轉(zhuǎn)換為AC48304C_C的HPI口的讀寫(xiě)邏輯或MCU I/O口的讀寫(xiě)邏輯。MCU的作用是進(jìn)一步將CPLD的接口邏輯轉(zhuǎn)化為I2C總線上的通信協(xié)議。CPLD的I/O邏輯功能的設(shè)計(jì)通過(guò)為其編寫(xiě)VHDL語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),它的等效內(nèi)部邏輯和外圍接口如圖4所示。

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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 分層架構(gòu)
無(wú)線IPPBX軟件系統(tǒng)以嵌入式 Linux為操作系統(tǒng)平臺(tái),采用軟件分層的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)分為三層:設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、通信協(xié)議層和通信事件處理層,如圖5所示。每一層都為上層提供API,圖中虛線表示分層,箭頭表示層與層之間API的調(diào)用關(guān)系。


2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)層屬于系統(tǒng)軟件的最底層,它根據(jù)所處理的硬件對(duì)象的不同又可分為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)處理以太網(wǎng)控制器的操控,它控制以太網(wǎng)芯片從以太網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各工作單元信息處理的物理實(shí)現(xiàn),包括AC48304C_C初始化、各語(yǔ)音處理通道的配置、語(yǔ)音壓縮包的存取和DTMF信號(hào)處理,以及各控制單元(AM79Q02,GSM模塊)信令發(fā)送、狀態(tài)讀取。通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過(guò)Linux虛擬文件系統(tǒng)接口向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的API,上層可以不管設(shè)備的復(fù)雜性,只要調(diào)用這些API就可以。
在上述設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)中與GSM工作單元信息交互的實(shí)現(xiàn)方法需要特別注意,這也是實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)線通信功能的核心所在。與GSM工作單元的信息交互是通過(guò)向控制GSM模塊的MCU發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)的。這些控制指令通過(guò)I2C總線傳送。本系統(tǒng)I2C總線是一個(gè)多主機(jī)通信系統(tǒng),當(dāng)主控CPU(MPC860T)在該總線傳送信息時(shí),先要偵聽(tīng)信道是否空閑(該功能由總線適配單元實(shí)現(xiàn)),如果空閑則將待發(fā)送的指令序列分解成一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包,然后一個(gè)包一個(gè)包地發(fā)送出去(與以太網(wǎng)相似)。
鑒于I2C總線的這個(gè)特性,在驅(qū)動(dòng)層要制定一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議才可實(shí)現(xiàn)主控CPU與GSM控制單元(MCU)間信令的傳遞。系統(tǒng)采用HDLC幀的方式,即在傳遞信令前先將要發(fā)往GSM控制單元的控制信令打成HDLC幀的格式,然后再將此幀分解成固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包發(fā)往I2C總線,控制GSM模塊的MCU接收這些數(shù)據(jù)包并將其還原成HDLC幀,再根據(jù)幀中各字節(jié)的定義將該幀解析成具體的AT指令發(fā)送給GSM模塊。系統(tǒng)HDLC幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

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控制GSM模塊的MCU接收到HDLC幀后先讀取類型字段,根據(jù)該字段判斷載荷內(nèi)容,然后再執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如收到HDLC幀的類型為0x01時(shí)表示撥號(hào)操作,后面的載荷就是電話號(hào)碼,此時(shí)就執(zhí)行撥號(hào)的AT指令。又如收到HDLC幀的類型為0x04則表示發(fā)送短信操作,載荷則為電話號(hào)碼和短信內(nèi)容的PDU碼,那么就執(zhí)行發(fā)送短信AT指令。
2.3? 通信協(xié)議層設(shè)計(jì)
通信協(xié)議層主要為上層應(yīng)用程序提供各通信協(xié)議棧。本系統(tǒng)通信協(xié)議層實(shí)際還可細(xì)分為兩層:TCP/IP協(xié)議層和應(yīng)用層協(xié)議(SIP協(xié)議和RTP協(xié)議)。設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí),TCP/IP協(xié)議是Linux操作系統(tǒng)自帶的運(yùn)行在內(nèi)核當(dāng)中,SIP協(xié)議和RTP協(xié)議需要從外部移植,運(yùn)行時(shí)以函數(shù)庫(kù)的形式存在于用戶空間。不論TCP/IP協(xié)議層還是應(yīng)用層協(xié)議都為其上層提供了標(biāo)準(zhǔn)的API,對(duì)于上層程序來(lái)說(shuō)只要調(diào)用這些API就可實(shí)現(xiàn)協(xié)議功能。
2.4 通信事件處理層設(shè)計(jì)
通信事件處理層是運(yùn)行在應(yīng)用層為一些具體的通信事件(如用戶的摘掛機(jī)、電話的呼入呼出、呼叫轉(zhuǎn)移等)服務(wù)的程序。具體的設(shè)計(jì)方法是在系統(tǒng)的應(yīng)用層開(kāi)啟一個(gè)守護(hù)進(jìn)程,并在該進(jìn)程下開(kāi)辟多個(gè)監(jiān)控線程。每個(gè)監(jiān)控線程負(fù)責(zé)監(jiān)控一類通信事件,如果有通信事件發(fā)生,則監(jiān)控它的線程就調(diào)用相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)服務(wù)程序,而狀態(tài)機(jī)服務(wù)程序會(huì)調(diào)用具體的協(xié)議棧并驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)具體的通信過(guò)程。
2.5 短信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)短信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)通過(guò)http協(xié)議以及CGI技術(shù)予以實(shí)現(xiàn):首先在該系統(tǒng)上移植boa web服務(wù)器程序,然后用html語(yǔ)言設(shè)計(jì)短信網(wǎng)關(guān)的訪問(wèn)頁(yè)面,同時(shí)設(shè)計(jì)好處理用戶輸入信息CGI腳本程序。用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器上的頁(yè)面,將目標(biāo)用戶的電話號(hào)碼和待發(fā)短信內(nèi)容填寫(xiě)在頁(yè)面的表單上,然后提交表單。運(yùn)行在Web服務(wù)器上的CGI程序處理提交表單的內(nèi)容并將處理結(jié)果送入一個(gè)消息隊(duì)列。運(yùn)行在通信事件處理層的一個(gè)監(jiān)控線程(流程如圖6所示)讀取該消息隊(duì)列的消息并調(diào)用通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的API發(fā)出信令讓GSM模塊將短信發(fā)出。


無(wú)線IPPBX融合了GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù),它與傳統(tǒng)的IP電話交換設(shè)備相比,不但避免了固定電話線的束縛,而且還具備短信網(wǎng)關(guān)的功能。由于它使用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IP電話的落地工作,從而使該設(shè)備得到了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的支持。該設(shè)備目前已成功應(yīng)用于企業(yè),承載了他們的IP電話業(yè)務(wù)與短信網(wǎng)關(guān)職能。
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