基于軟核CPU技術(shù)的IP電話接口設(shè)計

摘 要：提出了一種基于會話初始化協(xié)議的VoIP系統(tǒng)(包括IP電話終端、SIP服務(wù)器和PSTN接入端口)，并對SIF，與PSTN的互聯(lián)進(jìn)行了系統(tǒng)級構(gòu)建。利用Ahera的SOPC軟核CPU技術(shù)和Nios II處理器構(gòu)建了一個IP電話終端。該設(shè)計具有靈活的可擴展性，能夠在實現(xiàn)語音通信的基礎(chǔ)上較容易地擴展視頻接口、短信平臺等多媒體功能，給產(chǎn)品用戶和運營商提供了一種低成本的多媒體網(wǎng)絡(luò)通信終端設(shè)備，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：VoIP技術(shù)；SOPC；IP電話終端；NiosⅡ；軟核CPU技術(shù)

l 引 言

VoIP技術(shù)是一種基于IP數(shù)據(jù)網(wǎng)的語音傳輸技術(shù)，它將標(biāo)準(zhǔn)的語音信號轉(zhuǎn)換成壓縮的數(shù)據(jù)報后在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而非傳統(tǒng)的電話網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，是一種實時語音通信技術(shù)。在利用VoIP技術(shù)進(jìn)行通信時，一般先使用語音壓縮算法對語音信號進(jìn)行壓縮編碼處理，再按IP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，經(jīng)Internet發(fā)送到接收地；接收端把這些語音數(shù)據(jù)報串起來，經(jīng)解碼解壓縮處理后恢復(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。其關(guān)鍵技術(shù)包括：信令、媒體編碼、媒體實時傳輸、業(yè)務(wù)質(zhì)量保障和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/p>

當(dāng)然，VoIP不是非電話網(wǎng)上傳送語音業(yè)務(wù)的惟一方式，實際上，存在另外兩種快速、高效、價格合理的能達(dá)到長途話音傳輸?shù)姆椒�，即幀中繼語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Voice over Frame Relay，VoFR)和ATM語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Voice over Asynchronous Transfer Mode，VoATM基于異步傳輸模式的語音網(wǎng)絡(luò)技術(shù))，但目前這兩種技術(shù)的發(fā)展速度較緩，技術(shù)不夠成熟。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

一個完整的VoIP系統(tǒng)應(yīng)包含IP電話終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、網(wǎng)管系統(tǒng)、計費系統(tǒng)等幾部分。本文重點研究可直接掛接在計算機網(wǎng)絡(luò)上的IP電話終端。

2．1 硬件系統(tǒng)方案

通過對國內(nèi)外VoIP技術(shù)的研究，要面向社會推廣價格低廉的IP電話業(yè)務(wù)，普通用戶的電話終端成本，運營商的設(shè)備、管理成本都是必須考慮的因素。因此，設(shè)計出了一個VoIP系統(tǒng)方案，如圖1所示。

該設(shè)計方案具有一個功能可擴展的基于軟核CPU技術(shù)的IP電話終端；具備基于會話初始化協(xié)議的SIP服務(wù)器，該協(xié)議是專為網(wǎng)絡(luò)會話而生的；并利用語音接口卡實現(xiàn)SIP與PSTN的互聯(lián)。具有技術(shù)先進(jìn)、針對性強和通用性好等特點，是可行有效的。

2．2 IP電話終端硬件設(shè)計

根據(jù)1P電話終端的硬件需求，為該終端配置了音頻接入口、音頻編解碼芯片WM8731；網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A；存儲器IC42S16400；主控制器EP2C35；直流電源9 V，如圖2所示。

IP電話終端采用直流9 V供電，通過穩(wěn)壓芯片(輸出+5 V)為電路板供電．終端的A／D、D／A轉(zhuǎn)換器選用了Wolfson公司的24 b音頻編解碼芯片WM8731，以太網(wǎng)傳輸部分選用了Davicom公司的網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A，并為輸入撥號配備了鍵盤(號碼撥盤)，為實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)存儲，還在電路上給終端配置了存儲器(SDRAM，SRAM，F(xiàn)LASH)，用戶可以根據(jù)自己的情況選擇包含所有或其中任一種存儲器的電話機。本設(shè)計選用了其中的SDRAM作語音數(shù)據(jù)存儲器。

2．2．1 撥號電路

為實現(xiàn)IP電話與普通電話的通用性，該終端加入鍵盤模塊，按鍵開關(guān)KEY0～KEY9，KEY_X，KEY_Y，KEY_ON，KEY_OFF(其中，除KEY_ON和KEY_OFF是鎖閉式按鍵外，其余均為非鎖閉式按鍵)采用行列掃描式接法，加入了74HC245總線收發(fā)器作為緩沖器，電路如圖3所示(由于按鍵過多，圖中僅給出KEY0～KEY3電路)。

每個這種開關(guān)用來控制史密特觸發(fā)電路，史密特觸發(fā)裝置的14個出口直接與CycloneⅡFPGA相連。每個開關(guān)當(dāng)不按下時提供一個高電平(3．3 V)。在按下時提供一個低電平(0 V)。非鎖閉式按鍵開關(guān)是反彈的，它們相當(dāng)于電路的時鐘或復(fù)位輸入；鎖閉式按鍵是不可反彈的，按下時相當(dāng)于一個邏輯低電平(0 V)，彈出時提供一個邏輯高電平(3．3 V)。

2．2．2 音頻輸入及編解碼

音頻輸入及編解碼電路是通過Wolfson公司的WM8731編解碼器(編碼器和解碼器)實現(xiàn)的。它可以提供高質(zhì)量的24 b／s音頻，由一系列的I2C總線接口控制，這些接口連接到Cyclone II FPGA的引腳上。硬件電路如圖4所示。

3 軟核CPU的構(gòu)建

Altera推出的Nios／NiosⅡ系列嵌入式處理器擴展了目前世界上最流行的嵌入式軟核處理器的性能，是Altera公司為其FPGA產(chǎn)品配套開發(fā)的軟核CPU。在邏輯功能上，它們是32 b的精簡指令集CPU，用戶可以獲得超過200 DMIPS(Dhrystone Millions of Instructions Per Sec—ond，百萬條指令／秒)的性能，并從三種處理器(e型、s型、f型)以及超過60個的IP核中選擇所需要的。NiosⅡ系統(tǒng)為用戶提供了最基本的多功能性，設(shè)計師可以據(jù)此創(chuàng)建一個最適合他們需求的嵌入式系統(tǒng)。Nios及NiosⅡ處理器通過FPGA編程的方式實現(xiàn)用戶所需，這是與傳統(tǒng)的CPU的一個根本的差別。

SOPC系統(tǒng)的平臺包括：Altera的Nios處理器、Aval—on總線，片內(nèi)外存儲器以及外設(shè)模塊等。利用SOPCBuilder，用戶可以很方便地將處理器、存儲器和其他外設(shè)模塊連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)。其中，SOPC Build—er中已包含了Nios處理器和其他一些常用的外設(shè)IP模塊。用戶也可以設(shè)計自己的外設(shè)IP。

可見，利用SOPC的軟核CPU技術(shù)在以下方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢：提高系統(tǒng)性能；更低的系統(tǒng)成本；應(yīng)對產(chǎn)品的生命周期；功能強大、易用的開發(fā)工具等。

SOPC Builder是QuartusⅡ附帶的一個用來開發(fā)基于處理器、外圍以及存儲器的片上可編程系統(tǒng)的開發(fā)工具。SOPC Builder可以根據(jù)用戶的編輯實時地生成．ptf文件；系統(tǒng)PTF文件類似于一個數(shù)據(jù)庫文件，它存儲了系統(tǒng)模塊列表，模塊信息等。

在SOPC Builder環(huán)境里，用戶可以直接調(diào)用軟件提供的用于構(gòu)建CPU的基本模塊，也可以自定義模塊。本課題需要的模塊中，網(wǎng)絡(luò)接口與語音處理接口需要自定義，在構(gòu)建前必須有二者的源文件，設(shè)計采用了Verilog HDL書寫源程序，事先寫好了DM9000A．v和Open_I2C．v兩個底層程序。

前述SDRAM接口、鍵盤輸入接口、網(wǎng)絡(luò)接口芯片接口、音頻處理接口和I2C接口均連接到Avalon總線，相當(dāng)于總線的外掛設(shè)備。構(gòu)建完成，選擇自動生成地址，其結(jié)果如圖5所示。

構(gòu)建完成后生成(Generate)．bsf格式文件system．bsf，轉(zhuǎn)到QuartusⅡ環(huán)境下可以直接調(diào)用，相當(dāng)于一個自定義的控制器芯片。

作者：許文建，付慧生，陳洪波，閻靜杰 中國礦業(yè)大學(xué) 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)