針對對講機的VOIP中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計

常海濱，王帑

針對對講機的VOIP中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計

常海濱，王帑

針對當(dāng)前對講機在特定領(lǐng)域中發(fā)揮的重要作用，并考慮到傳統(tǒng)中繼臺在轉(zhuǎn)發(fā)對講機語音信號上的缺陷，參考當(dāng)前流行的VOIP技術(shù)，設(shè)計了一種搭建簡單，但功能齊全的針對對講機的中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計。利用兩臺對講機進行中繼臺的雙頻收發(fā)，利用嵌入式技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)將中繼臺的信號通過網(wǎng)絡(luò)進行遠距離轉(zhuǎn)發(fā)。大大增加了對講機語音信號的中繼距離。用了互聯(lián)網(wǎng)中SIP和RTP協(xié)議完成會話的建立刪除，利用微處理器來控制中繼臺接口。經(jīng)過試驗證明，設(shè)計大大簡化了中繼臺搭建的復(fù)雜程度，并且有效的擴大了中繼臺的中繼范圍。具有很強的創(chuàng)新性和實用價值。

對講機；中繼臺；語音網(wǎng)關(guān)；VOIP；嵌入式

0 引言

綜合考慮現(xiàn)今技術(shù)趨勢和傳統(tǒng)模擬通信弊端，本文介紹了一種基于對講機和嵌入式系統(tǒng)結(jié)合的嵌入式中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計，利用因特網(wǎng)在速度與距離上的優(yōu)勢，重新發(fā)掘傳統(tǒng)對講機在各種應(yīng)用場合下的優(yōu)勢。在本設(shè)計中采用因特網(wǎng)傳輸對講機中的語音與其他信令信息，使用兩臺對講機和嵌入式處理核心實現(xiàn)中繼臺的基本功能。利用兩臺對講機完成兩個頻點上信號的收發(fā)，經(jīng)過嵌入式處理器進行相關(guān)信號采集，并將語音信號打包通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠距離通信，最終實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)提高中繼臺的中繼范圍。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由中繼終端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。中繼終端在接收到中繼請求后，判斷發(fā)起請求的對講機所發(fā)出的信令信號，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取目標IP地址，然后連接到目標中繼終端，并最終完成遠距離中繼。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

中繼終端由兩部對講機和兩塊嵌入式控制板組成。一塊是作為語音網(wǎng)關(guān)核心的ARM9處理器，另一塊是由單片機為核心的底層電信號控制單元。底層控制單元主要負責(zé)完成兩組對講機的信號采集與控制信號的生成。由兩部對講機分別完成信號的收發(fā)，來實現(xiàn)中繼臺的基本中繼功能。其中一臺采集接收到的信號，產(chǎn)生傳輸觸發(fā)信號。核心處理器通過該信號觸發(fā)語音信號發(fā)送線程，并在該線程中對信道中的語音信號進行采樣量化，并完成打包傳輸。接收到語音包之后，語音網(wǎng)關(guān)核心模塊對其進行解包，觸發(fā)PTT信號，并通過DA將語音信號合成輸出。同時考慮到在傳輸過程中會需要相應(yīng)信令傳輸，本設(shè)計還添加了DTMF編解碼模塊，完成對應(yīng)的雙音頻信號的獲取與生成。并最后通過服務(wù)器根據(jù)撥號選擇中繼IP，發(fā)起中繼會話。

2 硬件設(shè)計

1）硬件總體設(shè)計：

針對雙對講機拼接完成的中繼臺，本文設(shè)計一種簡易而且功能完全的硬件接口電路。其中包含了對PTT發(fā)射鍵、信號接收和語音收發(fā)信號的處理。硬件上主要包括ARM核心處理板、單片機控制板和接口控制電路3部分組成。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，單片機作為底層核心控制器，利用其IO引腳對邏輯信號進行控制，完成對DTMF信號的編解碼、PTT發(fā)射鍵控制和對接收信號監(jiān)控的功能。對講機組成的中繼臺產(chǎn)生的語音信號，通過阻抗網(wǎng)絡(luò)，連接到ARM核心處理器中。同時ARM處理器從網(wǎng)絡(luò)接收到的語音信號也經(jīng)由阻抗網(wǎng)絡(luò)送至中繼臺發(fā)送出去。

2）DTMF收發(fā)模塊設(shè)計：

常見的雙音頻編解碼的方式有模擬電路方式、DSP方式和FPGA的方式實現(xiàn)。這里采用標準IC芯片實現(xiàn)的方式。本次設(shè)計采用了敏特爾MT8880CE芯片實現(xiàn)DTMF編解碼功能，系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機作為控制芯片，完成對該芯片的初始化設(shè)置，實現(xiàn)雙音多頻的編碼與解碼功能。基本電路設(shè)計參考手冊中給出的推薦電路，接口接入單片機。參考電路及相應(yīng)參數(shù)如圖3所示：

圖3 MT8880參考功能電路

圖3 中元件參數(shù)為：

與單片機連接后設(shè)計電路如圖4所示：

圖4 MT8880ce單片機控制電路

3）語音與控制信號接口設(shè)計：

中繼網(wǎng)關(guān)接口的電氣連接需要進行簡單處理。針對語音信號，在AD和DA的輸入輸出接口前，需要對語音信號進行調(diào)整。在這里通過使用集成運放設(shè)計電路調(diào)理網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)另外，考慮到單片機與ARM核心處理器之間的引腳工作電平不兼容，需要在單片機和ARM處理器之間進行電平調(diào)整，完成數(shù)據(jù)傳輸。最后設(shè)計一個開關(guān)電路，將開關(guān)信號連接至對講機PTT發(fā)射鍵上。至此硬件基礎(chǔ)基本完成。

3 軟件設(shè)計

1）軟件總體設(shè)計：

本次設(shè)計中，需要編寫三大部分的應(yīng)用軟件。分別是針對單片機的控制軟件、針對ARM核心處理器的應(yīng)用軟件和針對服務(wù)器中的服務(wù)代碼。單片機中的控制代碼主要負責(zé)監(jiān)控中繼臺中發(fā)出的接收信號，并根據(jù)上層ARM處理器給予的信息完成PTT的開關(guān)。另外還要完成對MT8880DTMF芯片的操作，完成對雙音頻信號的編解碼功能。這里的ARM核心處理器選擇三星公司的Scs2440處理器，該處理器運算速率高，完美支持Linux嵌入式操作系統(tǒng)，本次設(shè)計中利用Linux系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的強大支持，移植SIP和RTP協(xié)議，完成中繼網(wǎng)關(guān)之間的遠距離通信功能。同時，編寫驅(qū)動程序，完成IO引腳與單片機的通信功能。最后服務(wù)器上的程序是將掛載到網(wǎng)絡(luò)上的各路語音網(wǎng)關(guān)列入狀態(tài)表中，并初始化狀態(tài)記錄各自IP。當(dāng)有語音網(wǎng)關(guān)發(fā)起服務(wù)請求時，查找被請求目標網(wǎng)關(guān)的IP發(fā)送發(fā)起請求網(wǎng)關(guān)。

2）單片機及MT8880控制程序：

對于芯片的驅(qū)動程序，由于該芯片接收到信號并解碼后會產(chǎn)生中斷脈沖信號，首先要對單片機進行初始化，初始化之后應(yīng)當(dāng)對芯片進行初始化設(shè)置，即讀寫芯片內(nèi)部相應(yīng)寄存器。將常用操作分成四個獨立模塊：

讀狀態(tài)寄存器：char readreg()

寫控制寄存器：void writereg(char d)

讀數(shù)據(jù)寄存器：char readdat()

寫數(shù)據(jù)寄存器：void writedat(char d)

實現(xiàn)以上各功能之后將芯片工作模式設(shè)置成為：發(fā)送50ms的DTMF雙音多頻音頻段，使能接收DTMF雙音多頻信號并解碼，解碼和發(fā)送完數(shù)據(jù)之后有中斷脈沖產(chǎn)生。

設(shè)置參數(shù)方式為：

之后應(yīng)當(dāng)設(shè)置好外部中斷，并在外部中斷的響應(yīng)中編寫相應(yīng)的處理程序。主要步驟為：開總中斷：EA=1；開外部中斷：EX0=1；設(shè)置外部中斷為上升沿：TCON=0x01;

在中斷處理程序中要首先查詢芯片狀態(tài)寄存器，判斷是接收到信號還是發(fā)送完畢的信號。然后根據(jù)不同結(jié)果執(zhí)行不同功能。控制程序流程圖如圖5所示：

圖5 控制程序流程圖

3）系統(tǒng)主代碼編寫：

整個系統(tǒng)由多個線程并行執(zhí)行，主要由SIP、RTP的收發(fā)線程和核心調(diào)度線程組成。主要負責(zé)監(jiān)控整個中繼臺狀態(tài)，根據(jù)各種信號發(fā)起結(jié)束會話；管理中繼臺的收發(fā)設(shè)置；設(shè)置偵聽循環(huán)，來獲取客戶端輸入命令；創(chuàng)建SIP用戶代理客戶端線程和SIP用戶代理服務(wù)器端線程，以實現(xiàn)兩個角色的不停切換；創(chuàng)建RTP接收和RTP發(fā)送線程，實現(xiàn)全雙工通信。主要代碼如：

創(chuàng)建線程后，初始化每個線程需要的驅(qū)動模塊，包括音頻OSS驅(qū)動，通用IO引腳讀寫驅(qū)動。然后初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊，設(shè)定IP和端口地址。然后開始偵聽和檢測。完成中繼網(wǎng)關(guān)功能。主程序代碼流程圖如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 總結(jié)

完成要求的線纜鏈接，將四部對講機中所需信號引出，接到中繼網(wǎng)關(guān)接口處，完成兩臺中繼網(wǎng)關(guān)A、B，設(shè)置兩部網(wǎng)關(guān)工作于不同頻點，這樣方便本地測試。使用兩部對講機，并工作于不同頻點中。給中繼網(wǎng)關(guān)各模塊設(shè)備上電，開始正常工作。手持對講機，將頻率調(diào)整至中繼網(wǎng)關(guān)A工作頻點，按住發(fā)射鍵，講話。可以在另一端將另一部對講機調(diào)整至網(wǎng)關(guān)B發(fā)送頻點，此時可以看到另一部對講機的busy指示燈被點亮，對講機中有一側(cè)對講機內(nèi)講話的聲音，至此測試完成。

經(jīng)測試表明，本設(shè)計可以在使用多個對講機時，利用對講機搭建簡易但是傳播距離更遠的中繼臺。該中繼臺設(shè)計使用因特網(wǎng)VOIP的技術(shù)，憑借網(wǎng)絡(luò)的巨大便利和強大功能，突破了傳統(tǒng)中繼臺在中繼距離上的限制，具有很強的創(chuàng)新性和實用性。僅需要對兩部對講機進行簡易鏈接就可以完成傳統(tǒng)中繼臺無法實現(xiàn)的遠距離中繼，對未來相關(guān)語音通信產(chǎn)品有較強的指導(dǎo)意義。

[1] 肖勇軍，李海標，楊文，杜明.基于SIP的嵌入式語音網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2009，8：120-123.

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Design of VOIP Relay Gateway for Interphone

Chang Haibin1, Wang Tang2
(1.Shanxi Xueqian Normal University, Xi'an 710100, China; 2.Xi'an University of Technology, Xian 710048, China)

Considering the need of interphone in many particular area and the shortage of the traditional relay when relaying the signal from each interphone, a design of relay gateway that is easy to be built and fully functional is described in this article. Two interphones are used to build the relay with each of them working on a different frequency. With the help of the technology of embedded system and internet, this machine can expend the distance that the traditional relay spread the signal greatly. In this article, the protocol of SIP and RTP in the Internet is used to establish and cancel the conversation and transmitted the voice signal. A MCU is used to help control the interface of the relay. After testing the machine, it is found that this design reduces the complexity of traditional relay and expends the area that the relay covers. This design is very creative and useful in daily life.

Interphone; Relay; Gateway; VOIP; Embedded System

TN916

A

1007-757X(2016)08-0040-03

2015.12.18）

陜西學(xué)前師范學(xué)院科研基金項目（2015ZDKY020）

常海濱（1981-），男，陜西西安人，碩士，陜西學(xué)前師范學(xué)院，實驗室與設(shè)備管理處，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)開發(fā)與設(shè)計，西安，710000

王 帑（1982-），男，長安大學(xué)機械電子工程系，碩士研究生，西安理工大學(xué)，助理工程師，研究方向：計算機信息應(yīng)用，西安，710048