楊 進(jìn)

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通號(hào)學(xué)院，南京210035；2.江蘇省軌道交通控制工程中心)

?

USB接口單片機(jī)的VoIP終端設(shè)計(jì)

楊 進(jìn)1,2

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通號(hào)學(xué)院，南京210035；2.江蘇省軌道交通控制工程中心)

介紹了一種以單片機(jī)SONIX2202、D類功放AX2012和語(yǔ)音芯片NY3P010AS8為核心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)，該裝置通過USB接口連接到計(jì)算機(jī)上，可撥打國(guó)際國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途電話及手機(jī)，系統(tǒng)還帶有語(yǔ)音撥號(hào)等功能。本文對(duì)該裝置的工作原理、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)及功能進(jìn)行了詳細(xì)論述,經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明,其各項(xiàng)功能均可很好地實(shí)現(xiàn)。

SONIX2202；AX2012；網(wǎng)絡(luò)電話

引 言

自1999年網(wǎng)絡(luò)電話試驗(yàn)網(wǎng)開通以來，隨著軟交換技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)電話的通話質(zhì)量有了明顯改善[1]。由于網(wǎng)絡(luò)電話采用數(shù)據(jù)壓縮與分組交換方式傳遞語(yǔ)音信息，占用帶寬僅有傳統(tǒng)電話的1/5，因此有非常明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，越來越多的用戶在使用IP電話[2-4]。參考文獻(xiàn)3對(duì)Voce Over Internen Protocol 電話終端進(jìn)行了研究與探討，參考文獻(xiàn)[4]～[7]對(duì)SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)論述。但普遍存在的問題是這些系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜。本文所設(shè)計(jì)的VoIP終端電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定可靠。下面主要從硬件和軟件方面闡述該終端的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由USB矩陣鍵盤、單片機(jī)、語(yǔ)音電路、D類功放音頻接口電路4個(gè)部分組成。單片機(jī)完成矩陣鍵盤按鍵識(shí)別，并負(fù)責(zé)通過單片機(jī)自帶的USB接口發(fā)送數(shù)字代碼給PC機(jī)上的USB主機(jī)；語(yǔ)音電路完成按鍵語(yǔ)音播報(bào)功能；音頻接口電路主要是用D類功放電路對(duì)音頻線語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大，完成掛機(jī)時(shí)語(yǔ)音外放功能，并對(duì)摘機(jī)和掛機(jī)兩種狀態(tài)的語(yǔ)音進(jìn)行分流。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線通信單元系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由USB接口提供5 V電源。

1.2 USB矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤采用非編碼式行列鍵盤，電路原理圖如圖2所示。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在按鍵去抖動(dòng)方面，未采用專用鍵盤芯片或門電路作硬件處理，也沒有采用延時(shí)查詢方式去抖動(dòng)，而是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)方法，用定時(shí)掃描和計(jì)數(shù)去抖的鍵盤處理方法。按鍵有數(shù)字0～9、回車鍵、開始撥號(hào)鍵、刪除鍵。

經(jīng)過軟件處理好的按鍵代碼通過USB接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)USB主機(jī)。SONIX2202是一款帶USB1.1內(nèi)核的高性能廉價(jià)、低功耗單片機(jī)。USB高速方式的傳輸速率為12 Mbps，低速方式的傳輸速率為1.5 Mbps，完全可以滿足發(fā)送鍵盤碼的要求。

圖2 矩陣鍵盤電路原理圖

圖4 D類功放音頻接口電路原理圖

1.3 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心芯片選用臺(tái)灣Nyquest公司單晶片CMOS語(yǔ)音合成芯片NY3P010AS8，可通過專用工具將數(shù)字0～9、回車鍵、開始撥號(hào)鍵、刪除鍵以及其他需要錄制的中文語(yǔ)音依次燒寫到該OPT芯片中，然后通過單片機(jī)編程，讀取各個(gè)地址的聲音文件。外圍電路僅需一個(gè)電容和一個(gè)喇叭即可工作。電路原理圖如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音單元電路原理圖

BUSY引腳在芯片工作時(shí)(播放聲音)，輸出低電平，停止工作或者待機(jī)時(shí)保持高電平；DATA引腳是接收控制脈沖的腳位，收到幾個(gè)脈沖，就播第幾個(gè)地址的語(yǔ)音內(nèi)容；RESET引腳在任何時(shí)候，只要收到一個(gè)脈沖，就可以使芯片的播放指針歸零，同時(shí)停止芯片工作，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

1.4 D類功放音頻接口電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)掛機(jī)時(shí)語(yǔ)音的外放功能，本設(shè)計(jì)采用D類功放芯片AX2012作為音頻的放大芯片，并用一個(gè)叉簧開關(guān)轉(zhuǎn)換摘機(jī)和各個(gè)掛機(jī)的語(yǔ)音分流。電路原理圖如圖4所示。AX2012是一款國(guó)產(chǎn)低功耗立體聲無(wú)濾波器類D類音頻放大器，有QFN20和SOP16兩種封裝形式。該芯片的工作僅需很少的外部元件，可以選擇的增益為6、12、18、24dB，可利用G0和G1進(jìn)行增益選擇，同時(shí)該芯片具有較高的抑制噪聲的性能。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 新型非編碼式矩陣鍵盤軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的非編碼式鍵盤軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于軟件延遲去抖法存在兩大缺點(diǎn)：程序浪費(fèi)大量時(shí)間而不能執(zhí)行其他任務(wù)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不好；在噪聲影響下，很可能剛好兩次檢測(cè)都為抖動(dòng)信號(hào)，造成鍵碼誤判。因此本設(shè)計(jì)采用新的算法[8]，整個(gè)軟件系統(tǒng)主要分為按鍵掃描子程序、去抖動(dòng)子程序和計(jì)算鍵碼值三個(gè)部分。

按鍵掃描子程序負(fù)責(zé)將外部按鍵信息讀入到內(nèi)部緩沖器中。下面以0～9數(shù)字鍵為例，在RAM中創(chuàng)建一個(gè)按鍵信息緩沖區(qū)，將每個(gè)鍵的狀態(tài)讀入緩沖器中,如表1所列。

表1 鍵碼緩沖區(qū)

去抖動(dòng)子程序設(shè)計(jì)為逐行掃描，且每調(diào)用一次子程序只掃描一行，其流程圖如圖5所示。

圖5 按鍵掃描子程序流程圖

新的消抖程序設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到有按鍵按下時(shí)，程序首先設(shè)有鍵按下的標(biāo)志位，并打開計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，然后轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他任務(wù)。之后，每運(yùn)行到鍵盤操作，程序都會(huì)檢測(cè)對(duì)應(yīng)鍵的狀態(tài)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，鍵盤消抖處理程序已經(jīng)執(zhí)行了n次，進(jìn)行了n次按鍵狀態(tài)的檢測(cè)。只有當(dāng)n次檢測(cè)鍵的狀態(tài)都沒有發(fā)生變化時(shí)，消抖處理結(jié)束，確認(rèn)本次是一次有效的按鍵，只要有一次檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的鍵的狀態(tài)發(fā)生變化，就認(rèn)為此鍵操作無(wú)效。

計(jì)算鍵碼值程序部分是將鍵盤上對(duì)應(yīng)位置按鍵代碼轉(zhuǎn)換為人為定義的數(shù)據(jù)或者符號(hào)。

2.2 語(yǔ)音軟件設(shè)計(jì)

語(yǔ)音程序部分是通過語(yǔ)音的方式播報(bào)出所按下的按鍵數(shù)字或者符號(hào)。

該語(yǔ)音芯片的控制方式是采用模擬串行控制方式，如需要播放第幾個(gè)地址的內(nèi)容就發(fā)送幾個(gè)脈沖。脈沖時(shí)間大于0.2 ms即可，一般可采用1 ms左右。部分源代碼如下：

Void yuyin(x){

//播放地址x段的語(yǔ)音

RST=1; //發(fā)送給RST一個(gè)2 ms脈沖

Delay_ms(2);

RST=0;

Delay_ms(2);

While(x>0){

DATA=1; //發(fā)送一個(gè)1ms選擇脈沖

Delay_ms(1);

DATA=0;

Delay_ms(1);

x--; //沒有發(fā)送完，則繼續(xù)發(fā)脈沖

}

}

結(jié) 語(yǔ)

[1] 王剛.基于中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的P2P-VoIP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)域若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué),2012:3-10.

[2] 魏德哲,李清寶等.基于VoIP處理器與USB接口的IP電話設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(9):83-84.

[3] 李迎新,林滸等. USB VoIP終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2006,27(3):542-546.

[4] 張振華.基于SIP協(xié)議的VoIP網(wǎng)絡(luò)電話終端的研究與實(shí)現(xiàn),北京交通大學(xué),2009,6:1-8.

[5] 胡亨卓.基于SIP的IP電話系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué).2009.11:30-45.

[6] 徐韜.基于Android終端的小型VoIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011.12:54-55.

[7] 徐志洋.基于SIP協(xié)議的嵌入式VoIP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012,20:14-22.

[8] 徐彩霞.新型非編碼式鍵盤掃描方法研究[J].蘇州：蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.21(1):26-28.

楊進(jìn)(碩士)，從事鐵道信號(hào)、遠(yuǎn)程信息控制方向的教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2013-07-25)

參考文獻(xiàn)

[1] 張起貴，張勝，張剛,等．最新DSP技術(shù)——“達(dá)芬奇”系統(tǒng)、框架和組件[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009．

[2] Texas Instruments Incorporated．TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip, SPRS283E,2007．

[3] 鄭靈翔．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[4] 潘巨龍，黃寧．ARM9嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[5] 吳才章．基于ARM的圖像采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2010,29(3)：118-122．

[6] 郭劍，趙建．嵌入式Linux的圖像采集與顯示[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2006(7)：129-131．

[7] 趙勇，袁譽(yù)樂，丁銳．DAVINCI技術(shù)原理與應(yīng)用指南[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2008．

祝夏雨(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、攝像機(jī)標(biāo)定。

(責(zé)任編輯：高珍 收修改稿日期：2013-08-12)

VoIP Terminal Based on USB Interface Microcontroller

Yang Jin1,2

(1.Department of Signal & Communication, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210035, China; 2. Railway Control Engineering Center of Jiangsu Province)

The VoIP phone based on microcontroller SONIX2202, class-D audio power amplifier AX2012 and voice chip NY3P065 is introduced. The VoIP phone can be connected with computer by USB connector,it can used to call overseas, interstate and mobile,and it also has the function of voice dialing. The working principle, hardware configuration, software design and functions are introduced in details. The circuit of this system works successfully through the test.

SONIX2202; AX2012; VoIP

TP368.1

A