首頁>>>技術>>>VoIP

無線IPPBX系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

黃寧成 石江宏 2008/06/11

　　隨著以太網(wǎng)寬帶技術的發(fā)展，以IP網(wǎng)絡為媒介的語音通信技術（VOIP技術）憑借其低廉的話費受到消費者的廣泛關注。很多企業(yè)和科研機構也開始研究、使用這項技術。無線VOIP交換設備（即無線IPPBX）通過GSM無線模塊來實現(xiàn)IP網(wǎng)絡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，具備GSM網(wǎng)絡與以太網(wǎng)絡兩方面的優(yōu)勢，既具備IP電話話費低廉的優(yōu)勢，又可以通過GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)IP電話落地而不受固定電話線的束縛，同時結合以太網(wǎng)的http協(xié)議可以在其上實現(xiàn)短信網(wǎng)關的功能。本文將從硬件和軟件的角度來闡述該設備的設計與實現(xiàn)。

1.系統(tǒng)硬件設計

　　1.1 硬件結構

　　系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，整個硬件系統(tǒng)由GSM工作單元、PCM編解碼工作單元、語音壓縮/解壓處理單元（DSP）、CPLD總線適配單元和MPC860T核心控制單元構成。系統(tǒng)通過兩條總線實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作：通過I2C總線向GSM工作單元、PCM編解碼單元發(fā)送控制信令和讀取狀態(tài)信息；通過HPI總線實現(xiàn)對語音壓縮解壓處理單元（DSP）語音壓縮包的讀取和發(fā)送。系統(tǒng)通過CPLD以及與之相連的一塊MCU實現(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接口。


　　系統(tǒng)的工作流程如下：若系統(tǒng)要傳送語音數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)，GSM模塊或普通話機的模擬話音經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的標準壓縮成低比特率的語音包，并在相應的端口產生一定的狀態(tài)信號，該狀態(tài)信號經CPLD處理后轉化為MPC860T的中斷信號，MPC860T處理器響應中斷，通過CPLD將語音壓縮包從DSP的HPI口讀取出來并通過以太網(wǎng)控制器將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。系統(tǒng)從以太網(wǎng)接收語音壓縮包，并將其還原成模擬話音，其過程與此相反。

　　1.2 GSM工作單元設計

　　GSM工作單元由MCU、GSM模塊以及一些外圍接口電路構成，其原理框圖如圖2所示。MCU是工作單元的控制部件，它通過自身的I2C接口與系統(tǒng)的I2C總線連接，并通過串口與GSM模塊連接。單元工作時先從I2C 總線接收系統(tǒng)發(fā)送的控制信令，然后由MCU將控制信令轉化為具體的AT指令并通過串口發(fā)送給GSM模塊。GSM模塊根據(jù)收到的AT指令執(zhí)行相應的操作（發(fā)送撥號信息、建立語音通路、發(fā)送短信等）。當然GSM模塊也可以將自己的狀態(tài)信息如自己的忙閑狀態(tài)、來電號碼通過串口發(fā)給MCU，再由MCU通過I2C總線上報給主控CPU（MPC860T）。


　　GSM單元的設計中需要特別注意以下幾點：

　　(1)電源設計。GSM模塊在整個系統(tǒng)中屬于功耗比較大的部件，空閑時工作電流為35mA，工作時的平均電流為350mA，突發(fā)工作電流可以達到2A。所以GSM模塊要采用單獨的電源芯片供電，并且有足夠的負載能力。在設計中采用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 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)生瞬時下降。

　　(2)串行接口電路的設計。GSM模塊的串行口（UART）使用的不是標準的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電平轉換接口電路。該電路要能實現(xiàn)模塊的3V高電平與 MCU端5V TTL高電平的相互轉換。設計中使用三極管的開關電路和電阻分壓電路就可實現(xiàn)該功能，如圖3所示。實驗證明該方法簡單、有效。


　　(3)模塊語音口電路的設計。GSM模塊的語音輸入、輸出都是差分信號，而PCM編解碼器的語音口要求單端信號。在兩個語音端口之間要有差分信號與單端信號的轉換電路，才可實現(xiàn)兩者的連接。設計中采用運放電路來實現(xiàn)差分與單端的轉換。由于GSM模塊的語音口特別容易受到射頻干擾，所以模塊的語音口還要連接一些濾波電容。此外,PCB布板也要保證語音信號線遠離模塊的天線，這樣才能將噪聲干擾降到最低, 保證話音質量。

　　1.3 PCM編解碼單元設計

　　PCM編解碼單元主要有兩個任務：將來自GSM模塊或普通話機的模擬話音進行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)總線某個時隙的PCM編碼并將其還原成模擬話音。設計中采用一塊帶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的編解碼功能。

　　1.4 語音壓縮解壓單元設計

　　語音壓縮解壓單元的工作是：將前端PCM編碼器發(fā)送來的PCM數(shù)據(jù)壓縮成低比特率的語音包后交由主控CPU處理；將主控CPU發(fā)送來的語音壓縮包還原成 PCM編碼。該單元的設計中采用AudioCodes公司的 AC48304C_C作為語音PCM編碼的壓縮解壓處理器。該處理器支持四個語音處理通道，每個通道可以單獨編程，配置不同的PCM時隙和壓縮/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，本設計在系統(tǒng)中掛載四片AC48304C_C，可同時處理16路語音的編解碼（壓縮/解壓）。

　　1.5 總線端口適配單元設計

　　總線端口適配單元的功能是從硬件上屏蔽I/O總線操作的復雜性，使主控CPU以一種簡單的I/O讀寫方式即可實現(xiàn)系統(tǒng)兩大總線的操控（I2C總線和HPI總線）。該單元的設計采用一片CPLD和一塊帶I2C接口的MCU來實現(xiàn)總線適配功能。CPLD的功能是實現(xiàn)不同I/O口間邏輯關系的轉換，具體來說就是將主控CPU的I/O讀寫邏輯轉換為AC48304C_C的HPI口的讀寫邏輯或MCU I/O口的讀寫邏輯。MCU的作用是進一步將CPLD的接口邏輯轉化為I2C總線上的通信協(xié)議。CPLD的I/O邏輯功能的設計通過為其編寫VHDL語言來實現(xiàn)，它的等效內部邏輯和外圍接口如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

　　2.1 分層架構

　　無線IPPBX軟件系統(tǒng)以嵌入式 Linux為操作系統(tǒng)平臺，采用軟件分層的設計思想。整個系統(tǒng)的軟件架構分為三層：設備驅動層、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的調用關系。


　　2.2 設備驅動層設計

　　設備驅動層屬于系統(tǒng)軟件的最底層，它根據(jù)所處理的硬件對象的不同又可分為網(wǎng)絡設備驅動和通信設備驅動。網(wǎng)絡設備驅動負責處理以太網(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。通信設備驅動負責控制系統(tǒng)各工作單元信息處理的物理實現(xiàn)，包括AC48304C_C初始化、各語音處理通道的配置、語音壓縮包的存取和DTMF信號處理，以及各控制單元（AM79Q02，GSM模塊）信令發(fā)送、狀態(tài)讀取。通信設備驅動通過Linux虛擬文件系統(tǒng)接口向上層提供標準的API，上層可以不管設備的復雜性，只要調用這些API就可以。

　　在上述設備驅動功能的設計中與GSM工作單元信息交互的實現(xiàn)方法需要特別注意，這也是實現(xiàn)設備無線通信功能的核心所在。與GSM工作單元的信息交互是通過向控制GSM模塊的MCU發(fā)送控制指令實現(xiàn)的。這些控制指令通過I2C總線傳送。本系統(tǒng)I2C總線是一個多主機通信系統(tǒng)，當主控CPU（MPC860T）在該總線傳送信息時，先要偵聽信道是否空閑（該功能由總線適配單元實現(xiàn)），如果空閑則將待發(fā)送的指令序列分解成一定長度的數(shù)據(jù)包，然后一個包一個包地發(fā)送出去（與以太網(wǎng)相似）。

　　鑒于I2C總線的這個特性，在驅動層要制定一個簡單的協(xié)議才可實現(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幀結構如表1所示。


　　控制GSM模塊的MCU接收到HDLC幀后先讀取類型字段，根據(jù)該字段判斷載荷內容，然后再執(zhí)行相應的操作。例如收到HDLC幀的類型為0x01時表示撥號操作，后面的載荷就是電話號碼，此時就執(zhí)行撥號的AT指令。又如收到HDLC幀的類型為0x04則表示發(fā)送短信操作，載荷則為電話號碼和短信內容的PDU碼，那么就執(zhí)行發(fā)送短信AT指令。

　　2.3 通信協(xié)議層設計

　　通信協(xié)議層主要為上層應用程序提供各通信協(xié)議棧。本系統(tǒng)通信協(xié)議層實際還可細分為兩層：TCP/IP協(xié)議層和應用層協(xié)議（SIP協(xié)議和RTP協(xié)議）。設計通信協(xié)議時，TCP/IP協(xié)議是Linux操作系統(tǒng)自帶的運行在內核當中，SIP協(xié)議和RTP協(xié)議需要從外部移植，運行時以函數(shù)庫的形式存在于用戶空間。不論TCP/IP協(xié)議層還是應用層協(xié)議都為其上層提供了標準的API，對于上層程序來說只要調用這些API就可實現(xiàn)協(xié)議功能。

　　2.4 通信事件處理層設計

　　通信事件處理層是運行在應用層為一些具體的通信事件(如用戶的摘掛機、電話的呼入呼出、呼叫轉移等)服務的程序。具體的設計方法是在系統(tǒng)的應用層開啟一個守護進程，并在該進程下開辟多個監(jiān)控線程。每個監(jiān)控線程負責監(jiān)控一類通信事件，如果有通信事件發(fā)生，則監(jiān)控它的線程就調用相應的狀態(tài)機服務程序，而狀態(tài)機服務程序會調用具體的協(xié)議棧并驅動實現(xiàn)具體的通信過程。

　　2.5 短信網(wǎng)關設計

　　本系統(tǒng)短信網(wǎng)關的設計通過 http協(xié)議以及CGI技術予以實現(xiàn)：首先在該系統(tǒng)上移植boa web服務器程序，然后用html語言設計短信網(wǎng)關的訪 問頁面，同時設計好處理用戶輸入信息CGI腳本程序。用戶通過瀏覽器遠程訪問服務器上的頁面，將目標用戶的電話號碼和待發(fā)短信內容填寫在頁面的表單上，然后提交表單。運行在Web服務器上的CGI程序處理提交表單的內容并將處理結果送入一個消息隊列。運行在通信事件處理層的一個監(jiān)控線程（流程如圖6所示）讀取該消息隊列的消息并調用通信設備驅動相應的API發(fā)出信令讓GSM模塊將短信發(fā)出。


　　無線IPPBX融合了GSM網(wǎng)絡技術和以太網(wǎng)技術，它與傳統(tǒng)的IP電話交換設備相比，不但避免了固定電話線的束縛，而且還具備短信網(wǎng)關的功能。由于它使用GSM網(wǎng)絡進行IP電話的落地工作，從而使該設備得到了移動運營商的支持。該設備目前已成功應用于企業(yè)，承載了他們的IP電話業(yè)務與短信網(wǎng)關職能。

參考文獻

[1] 張智江,張云勇,劉韻潔.SIP協(xié)議及其應用.北京:電子工業(yè)出版社,2005.
[2] 謝斌. MPC860/850嵌入式系統(tǒng)開發(fā)入門與指導.西安:西安電子科技大學出版社,2004.
[3] 張登銀,孫精科.VOIP技術分析與系統(tǒng)設計.北京:人民郵電出版社,2003.
[4] Alessandro Rubini, Jonathan Corbet著，魏永明, 駱剛, 姜君譯. Linux設備驅動程序(第二版).北京:中國電力出版社,2002.
[5] MC35i Hardware InteRFace Description. 2004.
[6] AC4830xC-C Designer's Manual. 2003.
[7] AC4830xC-C VoPP Data Book. 2003.
[8] Datasheet of Am79Q02/021/031. 1999.

電子技術應用


相關鏈接:
基于Asterisk的VoIP開發(fā)指南—Asterisk模塊編寫指南 2008-06-12
基于Asterisk的VoIP開發(fā)指南—實現(xiàn)基本呼叫功能 2008-06-12
基于Asterisk的VoIP開發(fā)—Asterisk AGI程序編寫指南 2008-06-12
淺論美國寬帶電話（VOIP）監(jiān)管的新動向 2008-06-11
網(wǎng)絡電話（VoIP）成功應用美軍軍事系統(tǒng) 2008-06-06

分類信息: