摘 要：描述了無線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編解碼單元、語音壓縮解壓處理單元和總線端口適配單元的設(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

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)也開始研究、使用這項(xiàng)技術(shù)。無線VOIP交換設(shè)備（即無線IPPBX）通過GSM無線模塊來實(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，既具備IP電話話費(fèi)低廉的優(yōu)勢，又可以通過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)通過兩條總線實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(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(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(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(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)、來電號(hào)碼通過串口發(fā)給MCU，再由MCU通過I²C總線上報(bào)給主控CPU（MPC860T）。

  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)證明該方法簡單、有效。

   (3)模塊語音口電路的設(shè)計(jì)。GSM模塊的語音輸入、輸出都是差分信號(hào)，而PCM編解碼器的語音口要求單端信號(hào)。在兩個(gè)語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)放電路來實(shí)現(xiàn)差分與單端的轉(zhuǎn)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(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 語音壓縮解壓單元設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)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(gè)語音處理通道，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以一種簡單的I/O讀寫方式即可實(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，具體來說就是將主控CPU的I/O讀寫邏輯轉(zhuǎn)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(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)通過為其編寫VHDL語言來實(shí)現(xiàn)，它的等效內(nèi)部邏輯和外圍接口如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 分層架構(gòu)
無線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、各語音處理通道的配置、語音壓縮包的存取和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(shí)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(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。

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)于上層程序來說只要調(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)用層開啟一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，并在該進(jìn)程下開辟多個(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 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語言設(shè)計(jì)短信網(wǎng)關(guān)的訪問頁面，同時(shí)設(shè)計(jì)好處理用戶輸入信息CGI腳本程序。用戶通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器上的頁面，將目標(biāo)用戶的電話號(hào)碼和待發(fā)短信內(nèi)容填寫在頁面的表單上，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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