基于ARM9的嵌入式网络语音通信终端

传统的语音通信是以公共交换电话网(PSTN)为语音系统进行话音交流，该系统以电路交换为通信基础，信道利用率低、通信资费较高。而随着通信技术和网络的快速发展，越来越多的用户采用IP网络进行语音通信与视频通话，该通信系统采用分组交换为基础，具有灵活的业务扩展能力和低廉的话费价格。从2013年开始到如今，工信部已经发放了两批虚拟运营商牌照，此举必然会进一步推动国内市场的网络语音发展。

本文采用嵌入式处理器、以太网控制芯片、音频处理芯片设计出一款语音通信终端，该终端通过音频采集、播放语音、处理器进行数据处理，通过网卡进行数据传送与接收，从而实现终端的语音通信功能。

1 硬件电路设计

网络语音终端系统硬件由微处理器、以太网通信模块、音频处理模块、电源等模块组成。该终端系统各个模块之间进行数据交互的示意图如图1所示。

图1 系统模块数据交互图

网络语音终端启动音频模块后，从麦克风拾取语音进行A/D转换采集，把语音信号转换为数字信号，经I2S总线送给处理器处理，并通过以太网通信模块把数据发送到IP网络上;从IP网络上把数据取出，经处理器处理后，由I2S总线送给音频模块进行D/A转换，然后把语音信号送给扬声器播放语音。

系统采用S3C2440微处理器实现数据处理，利用DM9000CEP以太网控制芯片来实现与IP网交互，并且采用UDA1341TS音频芯片进行语音采集及播放。其他接口电路比较常见，这里不再赘述。

1.1 以太网通信模块

主控芯片采用三星公司的S3C2440通用32位微处理器，该处理器采用ARM920内核，具有低功耗、处理计算能力强等特点。以太网控制芯片采用DAVICOM(联杰)公司的DM9000CEP芯片。该芯片支持16位数据传输，集成10/100M自适应收发器，可以自动协调功能将自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽，且支持IEEE802.3x全双工流量控制。

为实现DM9000CEP与S3C2440的连接，对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。由于S3C2440是32位微处理器，可寻址1G的地址空间，但其只有27根地址线，理论上只能寻址2的27次方(即128M)的地址范围。所以引出了8根BANK线(对应nGCS0~nGCS7)，用这8根线来选通和关闭不同的存储器，实现1G地址空间的寻址。本文DM9000与S3C2440之间数据交换，是通过NGCS4线选择基址为0x2000 0000来实现的。图2给出了S3C2440与DM9000CEP的连接方法。

图2 DM9000CEP与S3C2440的接口图

1.2 音频处理模块

音频处理芯片选用Philips公司的UDA1341TS音频芯片，该芯片内部集成了立体声的ADC、DAC,可以实现模拟信号和数字信号的相互转换，并可用可编程增益控制(PGA)和自动增益控制(AGC)来对模拟信号进行控制，该芯片还提供数字信号处理功能。微处理器通过L3总线接口对音频芯片进行控制。其与处理器连接图如图3所示。

图3 UDA1341TS与S3C2440的接口图

UDA1341TS音频芯片提供一组I2S总线接口和一组L3总线接口。其中，I2S总线接口包括音频系统时钟线(SYSCLK)、位时钟输入信号线(BCK)、字选择输入线(WS)、数据输出信号线(DATAO)、数据输入信号线(DATAI)。而L3总线接口由时钟线、数据线以及模式选择线组成。S3C 2440处理器通过这两组总线接口实现与UDA1341TS芯片之间的音频数据交互及控制。

2 软件实现

网络语音终端系统软件部分主要由系统初始化、语音采集播放模块、网络通信模块等部分构成。

2.1 系统初始化

使用UDA1341TS芯片与I)M9000CEP芯片之前，需要对芯片内部的寄存器进行初始化。

DM9000CEP芯片的初始化设置工作方式：通过CMD与ADDR2引脚相连，高电平时为数据端口，低电平时为地址端口。CS与NGCS4引脚相连，选择DM9000CEP的端口基址为0x2000 0000,偏移300个单位。发送给DM9000的地址信息固定放在0x2000 0300上，把存放在该地址的数据放在0x2000 0304，采用此方式可对DM9000CEP内部的寄存器进行操作，如启动、复位、TX控制、RX控制以及MAC地址初始化等。其代码如下：

UDA1341TS芯片的初始化工作需要与L3的总线连接，该L3总线是MCU通过GPB2、GPB3、GPB4三个引脚来模拟控制，用于处理器配置UDA1341内部的寄存器。UDA1341有两种模式：地址模式和数据传输模式。地址模式表示传输的是地址信息，它的高6位永远是000101,低两位用来表明模式是状态模式、数据0模式还是数据1模式，其中状态模式主要用于配置UDA1341的各类初始状态：采用频率、ADC、DAC等;数据模式主要用于改善音频输入、输出的效果、音量大小调节等。

此外，要初始化S3C2440芯片内部的特殊寄存器，对I2S、DMA、中断相关的各个寄存器进行初始化设置，以及各个引脚功能的设置，如把GPF7引脚设置为EINT7外部中断功能引脚，当以太网网卡接收到数据，此引脚电平就会因中断跳变以使程序进入网卡中断接收处理函数。

2.2 语音采集播放模块

完成实时语音通话，UDA1341TS芯片在录音同时也必须完成放音功能。数据传输使用两个DMA通道。其录音过程为：音频芯片从麦克风中拾取声音信号进行采样、量化、编码，把采集到的数据通过I2S总线传给DMA1通道，并通过内部总线传到内存缓冲区中，之后送给处理器处理。放音：内存从处理器中获取数据，通过内部总线传给DMA2通道，之后通过I2S总线把数据传给音频芯片送给扬声器播音。通过采用DMA通道数据传输方式，处理器不需要花大量时间参与数据的传输，有充足的时间来处理其他事件。

本设计需要实现全双工语音通信功能，本终端采用双缓存的设计方法，缓存处理机制以录音为例，系统在使用缓存2来存放音频设备量化好的数据时，CPU则处理缓存1的数据，当设备填充完缓存2，则转向缓存1进行填充，此时CPU处理缓存2的数据，如此不断循环交替，其处理过程如图4所示。

图4 双缓存处理过程

其录音与播放过程都采用双缓存设计方案，以录音为例，程序流程图如图5所示。

图5 录音程序流程图

2.3 网络通信模块

处理器首先将从麦克风采样的数据信号封装成规定格式(其封装步骤如图6所示，封装到14字节以太网层)，然后把封装好的数据交给DM 9000CEP驱动部分的发送函数dm_tran_packet(unsigned char*datas,intlength)，通过设置TCR的发送请求位将数据发送出去，数据发送过程就是对数据打包的过程。而数据的接收是通过DM9000CEP的网络中断函数DM9000ISR()进行的，网卡每接到一个数据包将会产生一个中断，进入中断处理函数，按规定的格式从数据包中取出其语音数据，之后数据经处理器处理送到扬声器上播放外音。网络各层数据封装如图6所示。

图6 数据封装示意图

语音数据进行封装之后，不管是发送数据帧还是接收数据帧，都需要底层网卡驱动函数提供服务，本文以发送数据帧为例，简述底层网卡驱动原理，在发送数据和接收数据过程中，特别需要注意的是关闭网卡中断，以防打断数据处理过程。DM9000CEP内部有3 KB的SRAM用于发送数据缓存。在发送之前，数据是暂存在这个SRAM中的。当需要连续发送时，需要用DM9000CEP寄存器MWCMD赋予数据端口，这样就指定了SRAM中的某个地址，并且在传输完一个数据后，指针会指向SRAM中的下一个地址，从而达到连续访问数据的目的。如果在此过程中到达发送数据缓冲区末尾，指针将折回缓冲区的开头。发送数据帧的流程图如图7所示。

图7 发送数据帧流程

3 终端语音测试结果

使用ADS软件将程序编译成可执行文件，下载到语音终端A和B上。在两个终端分别接上麦克风和耳麦进行话音通信，通过实验验证了系统可以进行清晰的语音对话。另外，可将终端A的麦克风接口与函数信号发生器相接，终端B的扬声器接口与示波器相连。函数信号发生器将正弦信号送给终端A,其频率为1 kHz，幅度为100mVpp。在示波器上可以看到经放大的正弦信号，其输出信号波形如图8所示。测试结果表明，该网络语音终端系统可以应用于远程网络语音通信。

图8 终端B输出信号图

结语

本文作者利用嵌入式技术开发的网络语音终端具有可靠性高、控制界面强大以及可扩展性好的特点，使该终端可不通过计算机、直接连上网络进行数据传输，能充分利用现有网络通道实现快捷的语音通话。