何花,王平,徐世武

(福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院,福州350008)

引 言

嵌入式系統(tǒng)因其滿足系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗的要求,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在交通、商業(yè)/金融、工業(yè)控制、醫(yī)療等各個領(lǐng)域[1]。目前,嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為了國際研究的熱點技術(shù),許多IT行業(yè)的公司也都在研發(fā)相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端。

電話是人們最常使用的交流工具,隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信成為了人們研究的熱點。傳統(tǒng)電話的語音傳輸質(zhì)量和可靠性都很好,但資費較高,特別是打國際長途時;而基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信由于是在Internet上傳輸信號,大大節(jié)省了通信線路的成本,從而降低了VOIP資費,使其擁有了巨大的市場潛力。

目前,VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件,如Skype網(wǎng)絡(luò)電話、UUCall網(wǎng)絡(luò)電話、KC網(wǎng)絡(luò)電話、M icrosoft公司的Net meeting等,都是基于PC機的,難以運行在嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端這種資源有限的設(shè)備上。同時,許多類庫中的函數(shù)在PC機上可以正常運行,而W inCE嵌入式操作系統(tǒng)卻不支持,因此不能直接對VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件進(jìn)行簡單的裁剪。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示,系統(tǒng)由嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端、電源模塊、以太網(wǎng)口模塊、串口和USB接口模塊、顯示模塊(觸摸屏)、語音采集和播放模塊、外部數(shù)據(jù)存儲模塊以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示和接口模塊構(gòu)成。其中,嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端采用三星公司專門針對手持設(shè)備而設(shè)計的S3C2440A-40微處理器。

1.2 語音采集和播放模塊

語音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并對信號進(jìn)行PCM編碼。其電路如圖2所示。采用Philips公司的UDA 1341TS型立體聲音頻CODEC進(jìn)行音頻編解碼。該芯片提供2個麥克風(fēng)輸入,可實現(xiàn)單端輸入、差分輸入等靈活配置,并設(shè)置了可編程增益放大器和自動增益控制器,可保證高質(zhì)量的音頻獲取;同時,還集成了聽筒和喇叭輸出的驅(qū)動器,喇叭音量可以通過編程調(diào)整[2]。S3C2440A-40微處理器與UDA 1341TS編解碼器通過I2S總線直接相連,并采用DMA發(fā)送/接收方式,完成系統(tǒng)的錄音和放音。

圖1 網(wǎng)絡(luò)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 語音采集和播放模塊電路圖

1.3 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)采用了微軟公司研發(fā)的WinCE。它是一款功能強大的32位嵌入式實時操作系統(tǒng),具有多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點,是專為各種受到嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計的[3]。WinCE支持多種硬件外圍設(shè)備,同時內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使W inCE能夠訪問Internet并收發(fā)E-mail或瀏覽Web。除此之外,WinCE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用[4]。

2 VOIP技術(shù)

2.1 VOIP的基本原理

VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺,通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理,然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包,經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來,經(jīng)過解碼解壓處理后恢復(fù)成原來的語音信號,從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的[5]。其特點是可以將一路語音數(shù)據(jù)壓縮為8 kb/s甚至更低,同時可使用戶不需要獨占醫(yī)療線路資源,從而提高了線路利用率,并大大降低了資費成本。

2.2 VOIP協(xié)議

VOIP技術(shù)中最主要的兩種呼叫控制協(xié)議為H.323協(xié)議和SIP協(xié)議。H.323是ITU的一個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇,制定了無服務(wù)質(zhì)量保證的分組網(wǎng)絡(luò)(PBN)上的多媒體通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[6],已在VOIP領(lǐng)域的到了廣泛的應(yīng)用,呼叫建立比較復(fù)雜。SIP協(xié)議是由IETF(國際互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定組織)制定的面向Internet會議和電話的信令協(xié)議[7],參照了H TTP和SMTP協(xié)議,呼叫控制在終端完成,呼叫建立相對簡單。

2.3 語音壓縮編碼技術(shù)

語音壓縮編碼技術(shù)是VOIP技術(shù)的核心,其目的就是在保證語音音質(zhì)和可懂的條件下,采用盡可能少的比特數(shù)來表示語音[8]。常用的語音編碼方式有G.723.1、G.729、G.729A等,其中G.729可將采樣為64 kb/s的話音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8 kb/s。本設(shè)計采用了G.729方式的語音壓縮算法,結(jié)合實時傳輸協(xié)議RTP和UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)語音傳輸。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 終端軟件的功能模塊

終端軟件功能模塊如圖3所示。此終端軟件可為用戶提供良好的交互界面。

圖3 終端軟件功能模塊

3.2 VOIP終端軟件主流程

用戶打開終端軟件,可以根據(jù)自己的需要選擇語音聊天、文本聊天或者收發(fā)郵件。進(jìn)行語音聊天前,用戶可以直接在好友欄中選擇聊天對象,也可直接輸入對方的IP進(jìn)行連接。語音聊天的過程是:說話方,麥克風(fēng)采集模擬語音信號→語音芯片采集量化編碼→嵌入式系統(tǒng)對信號進(jìn)行壓縮編碼→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸;收聽方,接收語音數(shù)據(jù)→去IP/UDP/RTP包頭→嵌入式系統(tǒng)對信號解碼→語音芯片將數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)為模擬信號→揚聲器播放。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 語音采集和播放

語音信號的采集分為從網(wǎng)絡(luò)上采集數(shù)據(jù)和從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)。主要函數(shù)包括:語音采集函數(shù)Voice-Captu re(),用線程控制語音采集函數(shù)Thread Voice Capture(),創(chuàng)建用于播放的音頻設(shè)備對象函數(shù)PlayDevice(),創(chuàng)建音頻捕捉設(shè)備對象函數(shù)CaputerDevice(),創(chuàng)建音頻捕捉緩沖區(qū)對象函數(shù)CaptureBuffer(),創(chuàng)建輔助緩沖區(qū)函數(shù)SecondaryBuffer(),音頻格式設(shè)置函數(shù)SetWaveFormat(),通知事件觸發(fā)函數(shù)Notification(),停止語音采集函數(shù)VoiceStop(),從字節(jié)數(shù)組中獲取音頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行播放函數(shù)GetVoice-Data()以及語音采集初始化函數(shù)InitializeVoice()。

4.1.1 GetVoiceData()函數(shù)

具體流程如圖4所示。從網(wǎng)絡(luò)上獲取的數(shù)據(jù)實際是由Local Socket.Begin ReceiveF rom()函數(shù)提取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),再經(jīng)接收數(shù)據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)移給GetVoiceData()函數(shù),GetVoiceData()函數(shù)提取后放入語音緩沖區(qū)供音頻編解碼器提取并播放。GetVoiceData()函數(shù)首先用支持存儲區(qū)為內(nèi)存的流MemoryStream從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)byteReceive,將字節(jié)塊寫入當(dāng)前流:

MemoryStream.Write(byteReceive,0,intReceive)

當(dāng)流中存儲的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)據(jù)量時就播放語音:SecondaryBuffer.Write(0,MemoryStream,intPostionWrite-intPostioPlay,LockFlag.FromWriteCursor)SecondaryBuffer.Play(0,BufferPlayFlags.Default)

圖4 語音采集并播放流程

4.1.2 采集音頻編碼器語音數(shù)據(jù)

從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)時,首先通過UDA 1341TS采集語音信號放入語音捕捉緩存區(qū),應(yīng)用程序再從語音捕捉緩沖獲取語音信號并發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。

4.2 語音傳輸

語音傳輸是主要包含監(jiān)聽函數(shù)Listen(),數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendVoice(),數(shù)據(jù)接收函數(shù)ReceiveData(),綁定自己IP和端口函數(shù)BindSelf(),遠(yuǎn)程終端IP端口設(shè)置函數(shù)SetRemoteIPEnd()、線程關(guān)閉函數(shù)ThreadStop()函數(shù)和初始化函數(shù)InitVoice()。

4.2.1 監(jiān)聽函數(shù)

監(jiān)聽函數(shù)負(fù)責(zé)監(jiān)聽遠(yuǎn)程計算機發(fā)送到本機的信息。每隔一定時間查詢一下網(wǎng)絡(luò),如果有可讀的數(shù)據(jù)就接收:

LocalSocket.BeginReceiveFrom(byteData,0,byteData.Length,SocketFlags.None,ref endPoint,new AsyncCallback(Receive-Data),null)并且將此線程設(shè)置為后臺線程,以便當(dāng)主線程關(guān)閉時,此線程能自動結(jié)束。

4.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)的作用是將語音捕捉緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過Client.Send-To(CaptureData,End-Point)函數(shù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)線程發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)要讀取(即線程被觸發(fā))時,就會循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù),直到?jīng)]有可讀的數(shù)據(jù)為止。Capture-Buffer為語音捕捉緩沖區(qū)對象。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

圖5 從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4.2.3 數(shù)據(jù)接收函數(shù)

數(shù)據(jù)接收函數(shù)的功能主要是調(diào)用GetVoiceData()函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)中接收語音數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)。代碼如下:

……

結(jié) 語

以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的第四階段。本文在基于ARM+網(wǎng)卡芯片+UDA 1341TS音頻編解碼芯片模式的硬件平臺實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)資源的對接及語音采集和播放的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于W inCE嵌入式操作系統(tǒng)的VOIP系統(tǒng)終端軟件,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)終端間的語音通信。

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