基于平面調車的VoIP網絡數字語音轉發器的設計

張振國 劉紅北方工業大學

基于平面調車的VoIP網絡數字語音轉發器的設計

張振國 劉紅
北方工業大學

針對鐵路平面調車調度室進行優化整合，原有數字調車區長臺由于無線電波的通訊距離受限，無法滿足調車區長對調車組人員進行遠程指揮和遠程監控的需求，設計了VoIP（Voice over IP）網絡數字語音轉發器，通過本設計將數字區長臺和數字控制盒接入同一局域網，對數字調車區長臺的操控距離進行了拓展，實現了調車區長對平面調車組人員的遠程指揮和遠程監控的能力。本設計給出了以S5PV210為核心，以Linux為操作系統，采用VoIP為通信技術的軟件硬件設計方法。該產品應用于數字平面調車作業系統中，解決了遠程操控數字調車區長臺的難題，開創了VoIP技術在數字平面調車作業中的應用先例。

Linux VoIP 調車區長臺 調車作業

1引言

數字調車區長臺是數字平面無線調車系統中的必備通信設備之一，調車區長通過它下達、變更作業計劃，呼叫調車組人員，監聽調車現場作業情況。為了適應我國鐵路平面調車的快速發展和中長期發展的需要，從2014年開始鄭州局等開始對平面調車指揮中心進行優化整合，廢棄原有的信息化水平低、交通不便的調度室，將原調度室功能轉移到新的調度指揮中心。由于新的調度指揮中心距離調車作業現場的距離遠，數字調車區長臺不能搬遷到新的調度中心。調車區長如何在新的調度中心使用原有數字調車區長臺成了急需解決的問題。

鐵路平面調車地形復雜，天氣多變，涉及部門眾多，需要多方協調，所使用的調車設備較多，其中的數字無線平面調車設備一直都是國內外研究的熱門課題。針對以上問題，作者設計了基于平面調車的VoIP網絡數字語音轉發器，通過本設計將數字調車區長臺和數字控制盒接入網絡，通過數字控制盒遠程操作數字調車區長臺，實現了調車區長對數字調車區長臺的遠程控制，使鐵路運輸部門可以對現有的調車室進行優化整合，提高了鐵路調車的信息化、智能化水平。目前國內還沒有相關VoIP設備可以直接將數字調車區長臺連接到網絡，本設計的成功研制正好填補這一空白。

2VoIP網絡數字語音轉發器構成

本設計利用網絡數字語音轉發器分別將數字控制盒和摩托羅拉數字區長臺接入網絡，這樣調車區長就可以使用數字控制盒遠程操控摩托羅拉數字區長臺，拓展了調車區長與調車組的通話距離。本系統主要包含數字控制盒、數字調車區長臺、VoIP網絡數字語音轉發器、數字機控器和數字手持臺。通過操控數字控制盒可以對數字調車區長臺的信道進行切換，以便可以與多個調車組分別進行通信。數字控制盒、數字機控器和數字手持臺三者之間可以相互通話；數字控制盒通過數字調車區長臺可以向數字機控器和數字手持臺傳送數據。

利用鐵路現有的網絡，通過VoIP網絡數字語音轉發器延伸數字區長的收受話及數據的傳輸距離，從而實現遠程控制調車組的目的。

2.1VoIP網絡數字語音轉發器功能

通過VoIP網絡數字語音轉發器實現遠程操控數字調車區長臺的目的，本設計需要實現以下三個功能。

可以傳輸控制命令：以實現對數字調車區長臺的信道進行切換，通話的接通、掛斷等操作?？梢詡鬏攲崟r數據：以實現數字調車作業單的發送及鉤確認的操作?？梢詡鬏攲崟r話音數據：以保障調車區長與調車組人員的順利溝通。

2.2VoIP網絡數字語音轉發器組成

VoIP網絡數字語音轉發器主要有電源模塊、網絡模塊、話音模塊、數據通信模塊、USB模塊、SD卡模塊及接口電路組成。話音模塊又分為話音數據采集、話音數據傳輸、話音數據處理三個部分。數據通信模塊又分為RS232和RS485兩個部分。

2.3VoIP網絡數字語音轉發器工作原理

VoIP網絡數字語音轉發器主要完成將數據和話音從網絡的一端傳輸到另一端。本設計中通過網絡模塊實現對話音和數據的端到端的傳輸；話音模塊完成對話音的采集、壓縮、解壓和播放的功能；數據通信模塊完成對串口指令數據的接收、傳輸和寫入。

3VoIP網絡數字語音轉發器的硬件設計

為了縮短開發時間，節省開發成本，本設計采用核心板加底板的方法進行硬件設計，核心板采用了華天正公司的E210COREV2核心板，底板上添加電源模塊、SD卡模塊和設備接口等電路。

該核心板使用了S5PV210為主控芯片進行設計。它集成了2 個USB2.0接口，一個100M以太網接口，四組UART，一個AC97接口HIFI聲卡。在外設資源方面能夠滿足本設計的要求。

下面主要對硬件電路中的網絡模塊、話音模塊和數據通信模塊三個關鍵模塊進行介紹。

3.1 網絡數字語音轉發器網絡模塊設計

本設計中，網絡模塊電路使用的網絡芯片是DM9000A，網絡變壓器使用的是HS9016。 DM9000A與S5PV210的接線示意圖如圖3.1所示。

圖3.1 DM9000A接線示意圖

3.2 網絡數字語音轉發器話音模塊設計

本設計的話音模塊主芯片采用的是WM9713，它的主要功能是實現A/D轉換和D/A轉換，由數字控制盒輸入的話音是雙端信號，而WM9713是單端輸入，所以加入了1：1的音頻變壓器進行信號的轉換。為了防止話音信號的指標變差，在電路設計上采用了模擬地和數字地分離的方法。圖3.2是音頻接口電路的原理圖。

圖3.2音頻接口電路原理圖

圖3.3網絡數字語音轉發器與數字控制盒的數據通信模塊設計

3.3與數字控制盒及數字調車區長臺的數據通信模塊設計

為實現本設計與數字控制盒和摩托羅拉數字調車區長臺的控制命令和數據的通信，摩托羅拉數字調車區長臺的數據接口是由與其配套的選項板上的RS232提供的。由于數字控制盒與網絡數字語音轉發器在使用時放置距離較遠，采用了RS485進行數據傳輸。網絡數字語音轉發器與區長臺的連接很簡單，故連線圖略。網絡數字語音轉發器與數字控制盒的數據通信模塊設計如圖3.3所示。

4 VoIP網絡數字語音轉發器的軟件設計

以嵌入式Linux為操作平臺，進行驅動程序和應用程序的開發。

4.1 嵌入式Linux操作系統

嵌入式Linux的開發包括開發環境的搭建（Fedora14、交叉編譯工具arm-linux-gcc）、Linux內核的移植、構建根文件系統、設備驅動程序的開發及應用程序的開發。主要任務在設備驅動程序的開發［8］和應用程序的開發。設備驅動程序主要涉及到字符設備開發，在網上有很多資料可供參考，此文篇幅有限只對應用程序部分進行介紹。

4.2應用程序的開發

應用程序部分共七個模塊。完成了從軟件配置、數據和命令的收發，音頻數據的采集，播放等功能。

圖 4.1 應用程序模塊框圖

4.2.1應用程序模塊概述

根據本設計要完成的功能，應用程序模塊框圖如圖4.1所示。主控模塊負責啟動和維護另外幾個模塊的功能，另外程序中使用了部分Linux開源代碼作為程序的函數庫（portaudio庫和ortp庫），音頻數據的采集播放的相關函數放于portaudio庫中，音頻數據傳輸的相關函數放于ortp庫中。下面主要對主控模塊、話音模塊、通信模塊及配置文件讀取模塊作詳細介紹。

4.2.2主控模塊流程

主控模塊起到了組織、管理其它模塊的功能。首先建立程序所需的信號量、然后讀取配置文件，對內存變量（如ip地址，串口參數，采樣參數）進行設置，并啟動http server線程和串口監聽服務線程。

當用戶按下CTRL+C時，程序就會收到信號SIGQUIT，程序就會關閉串口監聽服務線和http server線程，退出程序的執行。

當程序收到的并非SIGQUIT信號，而是配置信息改動的信號時，程序將會自動重新起動。

4.2.3話音模塊流程

話音模塊主要完成音頻數據的采集、傳輸及播放，其主要工作過程描述如圖圖4.2所示。

圖4.2話音模塊工作進程描述圖

發送端首先打開默認的錄音設備，按照預設的錄音參數，開啟錄音過程。錄音開啟后，通過開啟時注冊的錄音回調函數，周期性的獲得數字化后的音頻數據，使用RTP協議對其進行打包封裝，發送給預設的目標主機。同時，在整個音頻會話過程中，我們還可以周期性的發送RTCP（發送）狀態報告給目標主機，以便在此次會話結束后，統計此次音頻傳輸的質量。

接收端主機首先根據會話開始時接收到的音頻播放參數打開默認的放音設備，注冊放音回調函數。而后當它周期性的從網絡上接收到RTP音頻封包時，先從封包中提取出音頻數據，而后直接寫入到放音回調緩存中，從而播放出聲音。同時在整個音頻會話過程中，我們還可以周期性的發送RTCP（接收）狀態報考給源主機，以便在此次會話結束后，統計此次音頻傳輸的質量。

4.2.4通信模塊流程

通信模塊主要完成串口指令數據的接收、傳輸、寫入，其主要工作過程描述如下：

（1） 根據預設的串口名稱、波特率打開串口及串口監聽服務程序。

（2） 監聽串口指令數據。

（3） 獲取到一條合法的串口指令數據后，如果是話音指令，則交給“話音模塊”處理；如果是普通指令，則封裝HTTP POST報文，發送給預設的目標主機并等待響應回復。

（4）目標主機收到HTTP POST請求后，解析指令，如果是話音指令，則交給“話音模塊”處理；如果是普通指令，則寫入本地已打開的串口，并發送響應回復。

（5） 當接收到程序退出信號后，關閉串口監聽服務程序，并關閉已打開的串口。

4.2.5配置文件讀取模塊

為了設置和調試的便利，在程序中編寫了配置文件，可以對網絡語音數據轉發器的本機和遠端IP地址進行設置，數據收發延時時間進行設定。

5 系統功能測試

當VoIP網絡數字語音轉發器的軟硬件設計完成后，需要將轉發器接入系統中，根據功能要求進行測試，找出設計不足進行改進。

5.1 測試環境搭建

測試中用到的主要設備有數字控制盒一個，摩托羅拉數字區長一臺，VoIP網絡數字語音轉發器兩臺， 摩托羅拉數字手持臺一臺，路由器一臺（帶RG-45網口），網線兩根，另配數字控制盒連接線和數字區長連接線各一根，通過VoIP網絡數字語音轉發器分別將數字控制盒和數字調車區長臺接入網絡。

連接前摩托羅拉數字調車區長臺和摩托羅拉數字手持臺都必須通過摩托羅拉公司提供的寫頻軟件對其進行設置，添加要使用的數字信道，并保證數字調車區長臺和數字手持臺頻點的一致性。

5.2 主要功能測試

控制信令數據傳輸測試。通過數字控制盒的數字按鍵發送切換信道命令，如果摩托羅拉數字調車區長臺的LCD屏幕顯示的當前信道號與所按下的數字鍵一致，說明信令數據傳輸成功。

發送語音功能測試。拿起數字控制盒手柄，按下PTT按鍵，對著話筒說話，如果數字對講機可以接收到話音，說明語音語音可以從數字控制盒端通過網絡傳送到數字調車區長臺一端，發送語音功能工作正常。

接收語音功能測試。按下數字手持臺的PTT按鍵，并對著MIC講話，如果數字控制盒有講話音，說明語音可以從數字調車區長臺一端通過網絡傳送到數字控制盒端，接收語音功能工作正常。

6 結論

VoIP適用于基于IP網絡的語音通信，結合Linux操作系統的優勢提出了VoIP網絡語音數字轉發器的軟硬件實現，通過此設備將數字控制盒與數字調車區長臺分別接入網絡，實現了通過數字控制盒遠程控制數字調車區長臺的目的。為區長室集中優化中的數字調車區長臺的升級改造提出了可行方案。本文下一步工作研究如何消除系統通話過程中的背景音，提高用戶體驗。本文對數字調車區長的遠程操作提出了解決方案是值得推廣的。

［1］王本良VoIP技術現狀及發展分析《商業現代化》，2005年第5期

［2］三星 S5PV210［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/ view/8123492.htm

［3］嵌式入 linux［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/ view/1195294.htm

［4］ REAL210 LINUX用戶手冊.廣州華天正科技有限公司.2011

［5］袁安富. 夏生鳳.基于ARM和Linux的DM9000網絡接口設計及驅動實現［J］.計算機工程與科學.2011，33（2）

［6］WM9713L-AC97 Audio+TouchpanelCODEC.Wolfson Microelectronics plc.2004.1～14

［7］ADM3488 Datasheet.ADCorp.1994.1～15

［8］曹忠明程姚根編著《從實踐中學嵌入式Linux操作系統》北京電子工業出版社 2012年

［9］陳剛馮利美編著《從實踐中學嵌入式Linux應用程序開發》北京電子工業出版社 2012年

［10］oRTP：A Real-time Transport Protlcol stack［J］. http：//www.linephone.org

張振國，1977-，男，北方工業大學，在讀工程碩士研究生，主要研究方向：嵌入式計算機、鐵路平面調車、智能卡、物聯網。劉紅，1967-，女，北方工業大學電子信息工程學院，副教授、主要研究方向：信號分析、信息處理、嵌入式系統開發、基于Web的大型系統開發、計算機應用技術。