基于TMS320C5402的多功能IP電話機的設(shè)計-新品速遞

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譚鵬溫斌吳善培(北京郵電大學(xué)100876)

1.IP電話的發(fā)展趨勢IP電話是指利用IP協(xié)議通過分組交換網(wǎng)絡(luò)進行話音通信的通信方式。因特網(wǎng)是采用統(tǒng)計復(fù)用信道技術(shù)的分組網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的的電路交換網(wǎng)絡(luò)相比，因其帶寬合并和業(yè)務(wù)綜合等特性使其傳輸設(shè)備和信道利用率大大提高，從而降低了系統(tǒng)運營成本。IP電話也因此作為因特網(wǎng)的一個應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。特別是VoIP技術(shù)與其它互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)（如Web）的結(jié)合，并借助智能網(wǎng)技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)許多智能業(yè)務(wù)，如基于web的呼叫中心。這些先進的業(yè)務(wù)應(yīng)用正刺激著傳統(tǒng)的電話通信向真正的基于IP網(wǎng)絡(luò)的電話通信轉(zhuǎn)移。目前IP電話的接入方式是使用普通電話撥入ITSP(InternetTelephonyServiceProvider)提供的IP電話網(wǎng)關(guān)，然后經(jīng)過一系列，再進行呼叫、接通和通話。造成這種情況的原因是因為目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境尚不完善，如帶寬不足，網(wǎng)絡(luò)接口尚不能直達用戶等。但隨著因特網(wǎng)的不斷擴展和新技術(shù)的出現(xiàn)，我們認為這種IP電話的接入方式會逐漸被淘汰，用戶將直接通過IP電話機撥打電話，而這種IP電話機可能是一個直接連接到因特網(wǎng)的一個獨立設(shè)備，也可能是一臺移動電話的手機，還可能是普通桌面PC的外設(shè)，甚至于是一臺連接到因特網(wǎng)的智能家用電器的一個附件。我們所說的這種IP電話的普及首先會出現(xiàn)在大型跨區(qū)域公司的企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部。目前各大公司都已經(jīng)部署了公司內(nèi)部的LAN，有些公司還采用的先進的交換式以太網(wǎng)技術(shù)，或者ATM交換機。這樣如果這些公司部署IP電話系統(tǒng)，不僅無需重新架設(shè)電話布線系統(tǒng)，而且可以大量節(jié)省公司各分部之間的長途通話費用。其次，只要公司內(nèi)部LAN（也可能是一個跨地區(qū)的VPN）的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃做得好，合理劃分網(wǎng)段，合理分配流量，應(yīng)該不會出現(xiàn)QOS問題，甚至可以保證話音達到長途質(zhì)量。引入IP電話網(wǎng)后，公司可以在其上方便地實現(xiàn)各種CTI增值業(yè)務(wù)，如建立一個基于web的24小時呼叫中心，提供關(guān)于公司的業(yè)務(wù)介紹，各項服務(wù)等。下一步的發(fā)展方向必然會是家庭用戶。目前之所以未能在家庭中普及是因為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境尚不具備，話音質(zhì)量得不到保證。普通家庭用戶的接入設(shè)備一般為V.90調(diào)制解調(diào)器，速度較慢，尚不能達到原來老式電話的話音質(zhì)量。在今后幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善，xDSL、CableModem或其它高速IP接入技術(shù)入戶后，IP電話的發(fā)展高峰終將到來。IP電話完全可以通過高速接口（如以太網(wǎng)RJ45接口或USB接口）與CableModem或xDSL連接，從而直接接入因特網(wǎng)，甚至取代傳統(tǒng)的電話網(wǎng)。近幾年來，基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸性增長。因特網(wǎng)從一個科研應(yīng)用的計算機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在短短幾年內(nèi)演變?yōu)槿嫔虡I(yè)化的信息網(wǎng)。據(jù)IDC預(yù)測，未來兩到三年，通過因特網(wǎng)發(fā)生的傳真業(yè)務(wù)將占到10％，電話業(yè)務(wù)將占到11％。可見IP電話的前景十分樂觀。在未來的通信市場中，由它取代傳統(tǒng)電路交換電話業(yè)務(wù)并不是不可能。

2．IP電話機的基本硬件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電話機不同，IP電話機需要處理復(fù)雜的語音編解碼算法和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，必須以具有很強處理能力的處理器為。因此，我們提出了一種以TIDSPTMS320C5402處理器為，另外加一片通用微控制器作為協(xié)處理器，并集成了話機手柄、鍵盤、液晶顯示和包括RJ45、USB、RS232在內(nèi)的多種通信接口的IP電話機原型。它可以通過RJ45接口直接連接IP網(wǎng)絡(luò)，也可以通過USB或RS232接口與普通臺式PC和其他計算機設(shè)備（如路由器等）連接。其基本設(shè)計原理如圖1所示。

接口控制邏輯可以處理電話的普通按鍵(0-9,*,#)和附加按鍵（重撥，號碼存貯等）信息，液晶顯示屏用于顯示話機狀態(tài)，時間，主/被叫號碼等信息。USB接口單元采用NS的USBN9602，它是一種支持USB1.1規(guī)范的單SIE（SerialInterfaceEngine）USB控制器芯片，可以提供12Mb/S通信接口。RS232接口單元是用軟件在DSP上實現(xiàn)的，可提供110－115200波特低速通信接口。系統(tǒng)的是TMS320C5402和MPC860T。C5402是一種具有高處理能力和低功耗特性的16位定點DSP芯片，其主要特點有：1）處理能力高達100MIPS，而且片內(nèi)集成了16K字的雙存取RAM，程序地址空間多可擴展到1M字；2）外設(shè)接口包括2個多通道帶緩沖的串口，1個HPI口，2個定時器，和1個可編程時鐘發(fā)生器；3）電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V，而且提供多種降低功耗的措施，包括系統(tǒng)空閑時可以暫時停止時鐘發(fā)生器的工作，大大減少了系統(tǒng)的耗電量，尤其適合于便攜式或使用電池供電的設(shè)備。因此，該處理器完夠滿足IP電話機中的話音數(shù)據(jù)處理功能的要求。系統(tǒng)中的控制器采用Motorola的MPC860T，它內(nèi)部集成了32位PowerPC微控制器和10/100MbpsEthernetMAC,主要用于處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信令交互、呼叫處理和用戶接口信息。MPC860和數(shù)字信號處理器之間采用主從方式連接，兩者通過HPI接口進行通信。在原型機的開發(fā)中，我們使用PC仿真MPC860T的功能，即話音經(jīng)過DSP壓縮打包后不再通過MPC860T進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，而是通過USB接口將壓縮數(shù)據(jù)送到PC機上，并由PC機完成呼叫處理、信令協(xié)議交互和網(wǎng)絡(luò)路由傳輸?shù)裙δ?。在改進系統(tǒng)中，只需把這部分設(shè)計移植到MPC860T＋VxWorks平臺上即可。所以下面我們將主要描述系統(tǒng)的存儲器配置、接口設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu)，不再對控制器部分設(shè)計進行討論。

3．存儲器設(shè)計及配置C5402片內(nèi)提供了16K字的雙存取RAM可配置為程序存儲空間或數(shù)據(jù)存儲空間。但由于系統(tǒng)軟件將涉及多種語音編碼標準算法、多種通信協(xié)議和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，需要較大的程序存儲空間。因此，系統(tǒng)擴展了一片64K*16bits的SRAM作為片外程序運行空間，擴展了1片128K*8bits的Flash用于存放固化的程序和數(shù)據(jù)。其地址分配如圖2所示。

另外，F(xiàn)lash的可編程特性有利于系統(tǒng)軟件的升級，可以隨時通過USB或RS232接口與主機通信進行在線軟件更新。同時方便話機擴展附加功能，如存儲一些通信錄數(shù)據(jù)、話機數(shù)據(jù)設(shè)置等。

4.C5402與USBN9602的接口USB是由Compaq,Intel,Microsoft,NEC四家公司聯(lián)合提出的新一代串行總線接口標準，它支持熱插拔和PnP技術(shù)，傳輸速率分為低速(1.5Mb/s)和高速(12Mb/s)兩種。串行差分信號在兩根雙絞線上傳輸，另外兩根線分別為＋5V總線電源和地。USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸遵循USB總線協(xié)議。USB總線是一種輪詢式的總線，每次數(shù)據(jù)傳輸由USB主機控制器發(fā)起。各個USB設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的地址和端點號，解碼屬于自己的數(shù)據(jù)包。使用USB總線的系統(tǒng)易于擴展，通過USBHub擴展可連接多達127個外設(shè)。標準USB電纜長度為3米（5米，低速）。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達到30米。為適應(yīng)各種不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，USB1.1規(guī)范定義了四種傳輸類型。它們分別是：適于突發(fā)，非周期數(shù)據(jù)的Control傳輸；用于周期、連續(xù)數(shù)據(jù)通信的同步傳輸(IsochronousTransfers);中斷類型傳輸(InterruptTransfer)以及塊類型傳輸(BulkTransfer)。在我們的原型系統(tǒng)中，IP電話作為桌面PC機的話音外設(shè)，USB總線協(xié)議使用控制傳輸和中斷傳輸實現(xiàn)與PC機交換話音數(shù)據(jù)和信令消息。在改進系統(tǒng)中，將考慮USB總線作為高速通信接口直接與用戶接入設(shè)備連接，如連入帶有USB接口的線纜調(diào)制解調(diào)器或其它數(shù)字用戶環(huán)路設(shè)備。圖3是TMS320C5402與USB接口芯片USBN9602的連接框圖：

USBN9602占用DSP的IO地址空間，DSP通過復(fù)用模式(MultiplexedMode)訪問9602的寄存器和數(shù)據(jù)：訪問每個寄存器時先通過數(shù)據(jù)線D0-D7放入要訪問的寄存器的地址，然后將9602的A0控制管腳置低電平，并從D0－D7讀取數(shù)據(jù)，從而完成寄存器訪問。9602的INTR管腳接54x的中斷INT3管腳，每當(dāng)有USB（接收、發(fā)送、握手消息）事件發(fā)生時，產(chǎn)生中斷通知DSP，DSP讀9602的事件寄存器，具體確定是由哪種事件觸發(fā)的中斷，調(diào)用相應(yīng)的ISR處理USB數(shù)據(jù)。USBN9602有7個FIFO。一個雙向FIFO，深度為8字節(jié)，用于控制傳輸；3個接收FIFO，深度分別為32，32，64字節(jié)；3個發(fā)送FIFO，深度分別為32，32，64字節(jié)。主叫方講話時，話音經(jīng)過A/D變換，通過DSP的串口遞交給G.723語音編碼器，根據(jù)G.723標準（每30ms為一幀，共240個樣點，壓縮完成后，5.3K速率時一幀壓縮完畢后為20字節(jié)，而6.3K速率時一幀壓縮完畢后為24字節(jié)）對語音進行編碼，然后由DSP向端點5的FIFO（TXFIFO3，64字節(jié)深FIFO）中寫數(shù)據(jù)，即通過9602的數(shù)據(jù)寄存器往FIFO中逐字節(jié)寫入，寫完該數(shù)據(jù)包后，置TX_LAST標志，然后置位TX_EN，開始發(fā)送。主機則按固定間隔，如1ms，向9602發(fā)送IN令牌，表示主機將要把該端點FIFO中的數(shù)據(jù)取走。主機成功收到數(shù)據(jù)后，會向9602發(fā)送應(yīng)答ACK消息，完成數(shù)據(jù)交互過程。主叫接聽時，被叫的話音數(shù)據(jù)寫入9602的InterruptOUT類型端點的FIFO時（端點6的FIFORXFIFO3，64字節(jié)深），主機發(fā)送OUT令牌通知9602接收數(shù)據(jù)，9602根據(jù)事件寄存器（MAEV、RXEV等）判斷出中斷原因，然后調(diào)用端點6的ISR進行處理，由G.723.1解碼程序?qū)?shù)據(jù)進行解碼。端點3（TXFIFO2）和端點4（RXFIFO2）負責(zé)傳送雙向電話信令消息。4.基于C5402的軟RS232接口RS232為低速率應(yīng)用提供通信接口，可以與普通PC、路由器連接，還可以與具有RS232接口的PDA連接，以便從PDA上用戶的個人電話號碼簿。系統(tǒng)原型中利用5402的XF，BIO，INT0和定時器實現(xiàn)一個簡RS232接口，支持從110到115200各種波特率。DSP通過XF管腳向RS232口發(fā)送串行數(shù)據(jù)，通過BIO管腳接收來自RS232口的串行數(shù)據(jù)。BIO與INT0相連，可以避免頻繁檢測接收管腳的電平。當(dāng)接收端出現(xiàn)個低電平，認為是接收字節(jié)的開始位，每次判決電平位置在每個比特的中間位置，可以限度的防止誤判的發(fā)生。原理如圖4所示。

RS232接口的主要邏輯都是用5402匯編語言編寫的，減少了硬件成本和系統(tǒng)體積。發(fā)送時先將8位原始數(shù)據(jù)加上1位起始位和2位停止位，然后根據(jù)波特率設(shè)定時鐘間隔。每次時鐘中斷發(fā)生時，發(fā)送1位數(shù)據(jù)，直到包含這8位原始數(shù)據(jù)的11位數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成。接收時由低電平觸發(fā)INT0中斷，表示有新數(shù)據(jù)到來，進入INT0中斷服務(wù)子程序。為防止誤判，中斷子程序首先檢查接收到的第1位是否為開始位，如果不是說明并未有新數(shù)據(jù)到來。如果確是開始位，則屏蔽INT0中斷，根據(jù)波特率設(shè)置定時器，開始數(shù)據(jù)接收。每次接收時鐘中斷發(fā)生，檢測BIO值并將檢測值依次移入接收寄存器。去掉開始位和停止位，將8位數(shù)據(jù)位存入接收緩存，完成1個字節(jié)的接收。

5．系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在我們的原型系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理器作為話音處理器，主要完成話音編解碼、USB通信協(xié)議和RS232通信，而虛線框中的部分目前是在PC機上實現(xiàn)的。在改進系統(tǒng)中，這部分軟件要在MPC860T平臺上實現(xiàn)，同時采用實時操作系統(tǒng)VxWorks作為軟件平臺。整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中話音信號處理模塊完成話音編解碼、話音激活檢測(VAD)、聲學(xué)回波抵消等功能。語音編解碼可以完成5.3/6.3KbpsG.723.1，8KbpsG.729以及64KbpsG.711等編解碼算法。VAD檢測接收到的信號，判斷是否是語音信號。當(dāng)檢測到無聲信號幀時，話機只向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送攜帶噪聲特性信息的低比特數(shù)據(jù)或停止發(fā)送數(shù)據(jù)，從而更有效地節(jié)約傳輸帶寬。我們這里討論地IP電話系統(tǒng)中由于不存在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中的2/4線轉(zhuǎn)換問題，所以不會產(chǎn)生電路回波。但是仍然不能避免聲學(xué)回波的出現(xiàn)，如免提功能的使用、手柄耦合效應(yīng)等，因此必須設(shè)計回波抵消模塊來抑制聲學(xué)回波的產(chǎn)生。液晶顯示模塊用于控制液晶顯示屏的顯示功能，如電子時鐘、主被叫號碼信息等。按鍵掃描模塊用于實時掃描鍵盤狀態(tài)，獲取用戶按鍵信息。信號音發(fā)生模塊用于生成系統(tǒng)所需的各種提示音、震鈴音等音頻信號。主控制模塊除了協(xié)調(diào)其它各模塊之間的通信外，主要實現(xiàn)基于H.323協(xié)議棧的呼叫處理過程。它根據(jù)用戶接口和網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)來的消息進行呼叫的建立、保持和清除等狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。如采用H.225.0呼叫信令在終端之間建立/拆除連接；采用H.245進行終端之間的能力交換、打開/關(guān)閉邏輯通路、流控消息等。主機通信模塊完成RS232、USB、RJ45接口的控制功能。RTP用來承載具有實時特性的話音數(shù)據(jù)，提供端到端的傳輸服務(wù)。這些服務(wù)包括負載類型標志、序列號、時間戳和傳遞監(jiān)聽。RTP自身不提供任何機制保證及時傳送或服務(wù)質(zhì)量，而依賴于更低層的服務(wù)。TCP/IP協(xié)議棧則利用操作系統(tǒng)提供的接口來實現(xiàn)。