基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)終端設計

                             基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)終端設計

                                   楊玉峰，黃煒

              （電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 610054）

摘　要：本文介紹了如何在A(yíng)ltera開(kāi)發(fā)平臺上應用Quartus Ⅱ軟件平臺的SOPC Builder 設計工具,把Nios 軟核處理器、以太網(wǎng)芯片控制電路、其它外圍器件的控制電路及用戶(hù)邏輯電路都集成在了一片FPGA可編程邏輯芯片上。在這個(gè)系統硬件平臺上運行uc/OS 嵌入式操作系統、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議和應用軟件,實(shí)現了基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)功能。
 
關(guān)鍵詞: FPGA  IP電話(huà)  TCP/IP協(xié)議  可編程片上系統  Nios
 
Design of LAN IP Telephone Based on Nios

Yang yufeng, Huang wei
 
(College of Communication & Information Enginnering,University of Electronic Science & Technology of China,Chengdu Sichuan 610054,China)

Abstract:This paper introduced how to integrate Nios soft MCU core、Ethernet MAC/PHY IC controller and other peripheral equipment`s controllers in FPGA by using Quartus Ⅱ and SOPC Builder.Based on the hardware platform,we can run uc/OS embedded system、TCP/IP network protocol and some applications. Thereby,we realized LAN IP Telephone based on Nios.

Key words:FPGA   IP telephon   TCP/IP protocol   SOPC   Nios

一．系統概述

　　隨著(zhù)因特網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)已經(jīng)得到廣泛使用。所謂IP網(wǎng)絡(luò )電話(huà)是指利用因特網(wǎng)以分組數據包形式傳輸語(yǔ)音/傳真等的新型電信業(yè)務(wù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VoIP(Voice over IP:IP網(wǎng)絡(luò )承載語(yǔ)音業(yè)務(wù))。它以低廉的價(jià)格，靈活的應用使傳統電信業(yè)務(wù)受到極大的挑戰，截止目前，已經(jīng)超過(guò)長(cháng)途業(yè)務(wù)量的50%。當然，這包括各大電信運營(yíng)商推廣IP電話(huà)卡形式的IP電話(huà)長(cháng)途業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)是接入部分使用傳統電信終端（如電話(huà)機、手機），以特殊號碼形式識別（179XX），在主干線(xiàn)上以分組數據包的形式在因特網(wǎng)上傳輸話(huà)音。目前專(zhuān)家普遍認為VOIP將代表電話(huà)未來(lái)的發(fā)展方向，甚至有這樣一句話(huà)：every thing is over IP（一切都將基于IP）。許多人相信IP電話(huà)時(shí)代即將到來(lái)，Frost&Sullivan調研公司的報告中預計，到2007年VOIP的通話(huà)量將占全部通話(huà)量的75%，甚至更高一些。因此，在未來(lái)的幾年內，IP電話(huà)必將在電信市場(chǎng)占到舉足輕重的地位，對以太網(wǎng)電話(huà)終端的研究是符合市場(chǎng)需求并具有巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。
 
　　Nios是Altera 公司開(kāi)發(fā)的一種采用流水線(xiàn)技術(shù)軟核處理器，專(zhuān)門(mén)針對可編程邏輯器件進(jìn)行了優(yōu)化，因此是一種可配置的通用RSIC微處理器，可以與用戶(hù)自定義邏輯結合。構成完整、功能強大的SOC系統，在嵌入式系統設計中已成為趨勢。應用SOPC 技術(shù)把Nios 配置進(jìn)FPGA 芯片后,網(wǎng)絡(luò )電話(huà)終端設備不再需要外部處理器,用單一FPGA 芯片就可以實(shí)現以前需要FPGA + MCU 才能完成的功能。

    嵌入式操作系統是嵌入式系統的靈魂，可以顯著(zhù)提高軟件操作效率并進(jìn)行軟件復用。針對當前日益復雜的系統開(kāi)發(fā)，應用操作系統是保證產(chǎn)品上市時(shí)間的關(guān)鍵。嵌入式uc/OS操作系統是一種性能優(yōu)良、源碼公開(kāi)的免費操作系統，具有高度靈活性。為此我們自行移植了uc/OS操作系統的Nios CPU版本，繼而在操作系統上完成了IP電話(huà)的設計。
 
二．系統功能說(shuō)明

    基于Nios的IP電話(huà)分為接受方和呼叫方，發(fā)起通話(huà)請求的一端稱(chēng)為呼叫方，另一端為接受方。根據不同的應用場(chǎng)景，呼叫方和接受方可以調換角色，也就是說(shuō)任意一方都可以發(fā)起通話(huà)請求。
 
    呼叫方發(fā)起通話(huà)請求，輸入接受方IP地址，兩方通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接成功后，利用麥克風(fēng)和聽(tīng)筒，就可以進(jìn)行談話(huà)了。
 
    本設計的實(shí)現分為硬件和軟件兩個(gè)部分。
 
    硬件部分由帶Nios 軟核CPU 的FPGA芯片、外部數據存儲器Flash RAM 和SRAM、帶AD 和DA 變換的PCM語(yǔ)音編解碼芯片電路、RS232 串行通信電路、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )模塊及RJ45接口、JTAG配置接口電路組成，此外還有電源電路等。

    軟件實(shí)現主要包含以下幾個(gè)步驟：

1．    將嵌入式操作系統uc/OS移植到NIOS處理器上；
2．    開(kāi)發(fā)語(yǔ)音采集編解碼芯片的接口驅動(dòng)程序；
3．    開(kāi)發(fā)操作系統下的應用程序，實(shí)現IP電話(huà)功能。分別為呼叫方和接受方的應用程序，提供IP電話(huà)的電話(huà)呼叫和等待通話(huà)功能。
 
三．性能參數

　　支持頻率范圍在300到3400HZ的單聲道模擬語(yǔ)音信號通話(huà)；

    系統將20ms的PCM語(yǔ)音數據直接打成語(yǔ)音數據包封裝傳輸到因特網(wǎng)；

    工作電壓低，具有低功耗的特性。

四．系統構成

    系統主要以?xún)惹禢ios軟核處理器的FPGA為核心處理單元，輔以以太網(wǎng)MAC/PHY控制器和PCM語(yǔ)音編解碼芯片完成整個(gè)系統中的信號處理工作。其主要工作是完成模擬語(yǔ)音信號到PCM語(yǔ)音信號的編解碼，以太網(wǎng)數據的接收和發(fā)送，協(xié)議處理，談話(huà)的呼叫建立和釋放等。
 
本系統的硬件結構框圖如圖4.1所示：
 

 
系統軟件體系結構如圖4.2所示：

圖4.2  系統軟件體系結構圖

五．設計描述

　　本系統的設計分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件設計由于借助Altera的Stratix開(kāi)發(fā)板，所以主要任務(wù)是擴展一塊語(yǔ)音板，用來(lái)實(shí)現語(yǔ)音信號的數模變換和PCM語(yǔ)音編解碼功能；軟件部分移植uc/OS操作系統，編寫(xiě)驅動(dòng)程序和上層應用程序的開(kāi)發(fā)。

1. 硬件部分

1.1 語(yǔ)音板電路設計

     該部分采用OKI公司的A律PCM語(yǔ)音信號編/解碼芯片MSM7702-3完成模擬語(yǔ)音到PCM信號的轉換。該芯片支持頻率范圍在300到3400HZ的單聲道模擬語(yǔ)音信號到PCM語(yǔ)音信號信號相互轉換。該芯片具有如下特點(diǎn):

    1.工作電壓低(2. 7-3. 8V )，低功耗的特性。
 
    2.支持64/128/256/512/1024/2048 kHz等頻率的串行數據輸出。
 
    3.內置PLL電路，低電壓運算放大器，具有可調的輸出增益。
 
    4.芯片模擬信號輸出引腳能直接驅動(dòng)1.2k的負載。
 
    這部分的原理圖如圖5.1所示，該部分的輸入增益可調是通過(guò)調節圖中的電阻R4和R3的值來(lái)實(shí)現的。其增益的具體運算公式如式(5.1)所示。該增益的最大的增益值不能超過(guò)l0。

    增益:Gain=1-1-R4/R3 …………… 式(5. 1)

 
圖5.1  MSM7702-3原理圖

    FPGA接收和發(fā)送PCM語(yǔ)音數據時(shí)，按照MSM7702-3的接口時(shí)序進(jìn)行。MSM7702-3提供了發(fā)送PCM信號接口(BCLK,XSYNC和PCMOUT引腳)和接收PCM信號接口(BCLK, RSYNC和PCMIN引腳)，其時(shí)序如圖5.2和圖5.3所示。
 
    BCLK:接收和發(fā)送數據的時(shí)鐘，頻率為64KHz。
    XSYNC:用于同步PCMOUT引腳的數據輸出的同步信號。
    PCMOUT:為輸出的串行PCM語(yǔ)音數據引腳。
    RSYNC:用于同步PCMIN引腳的數據輸入的同步信號。
    PCMIN:為輸入的串行PCM語(yǔ)音數據引腳。
 
圖5.2  發(fā)送PCM數據時(shí)序

 
圖5.3  接收PCM數據時(shí)序
   

　　根據MSM7702-3芯片數據收發(fā)時(shí)序，設計FPGA和MSM7702-3的接口電路結構如圖5.4所示。

 
1.2 用SOPC Builder設計系統模塊硬件

　　用SOPC Builder可以進(jìn)行系統模塊硬件設計和底層軟件生成。進(jìn)行硬件模塊設計時(shí),SOPC Builder提供圖形化配置界面,備有一些常用外設的IP ( Intellectual Property) 模塊,如SRAM、Flash RAM、UART、Ethernet Interface、Interval timer 、Parallel I/ O 等。這些已開(kāi)發(fā)好并已經(jīng)引入到SOPC Builder 環(huán)境中的功能模塊被稱(chēng)為部件(Component) ,打開(kāi)SOPC Builder 的圖形界面時(shí)可以在左邊模塊池中看到這些功能部件。用戶(hù)還可以用“Interface to User Logic”加入自己的外設設計文件,或直接加外設接口?？梢圆捎玫耐庠O設計文件是用輸入的電路原理圖或HDL描述語(yǔ)言寫(xiě)的. vhd 或. v 文件。對于本設計來(lái)說(shuō)，就是將在前面提到的MSM7702-3 接口以用戶(hù)自定義接口的方式添加進(jìn)來(lái)，SOPC Builder 可以進(jìn)行系統配置以及生成,系統配置除了對外設設置外還包括啟動(dòng)程序、中斷向量表、系統啟動(dòng)地址等的設置。具體如圖5.5所示：

 
圖5.5  系統硬件模塊
2．軟件部分

    軟件設計包括嵌入式操作系統的移植、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧、驅動(dòng)設計及應用級代碼編寫(xiě)等部分，下面就對這幾部分作簡(jiǎn)單介紹。
 
2.1  uc/OS 操作系統移植

    uc/OS 操作系統是美國人Jean Labrosse 于1992 年開(kāi)始編寫(xiě)的，它是一種適合于小型、微控制器的可剝奪實(shí)時(shí)操作系統。uc/OS 的內核除了沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧之外，也沒(méi)有文件系統，但是本設計中并不需要對語(yǔ)音數據按文件方式保存，因而使用uc/OS 可以滿(mǎn)足需要。

　　uc/OS 在設計時(shí)就充分考慮到在不同平臺上移植的需求，將同平臺相關(guān)的部分局限在一個(gè)很小的范圍內，對于不同的平臺只需對下面一些函數和宏進(jìn)行重寫(xiě)。
 
◆ OS_ENTER_CRITICAL 和OS_EXIT_CRITICAL ：這是兩個(gè)宏，用來(lái)進(jìn)行臨界段保護。在本設計中使用匯編代碼開(kāi)關(guān)中斷來(lái)實(shí)現。
 
◆ OS_TASK_SW ：這是一個(gè)用于進(jìn)行任務(wù)切換的宏。本設計中利用C P U 的軟件中斷方式實(shí)現。也就是說(shuō)調用此宏產(chǎn)生軟件中斷，然后由相應的中斷處理程序來(lái)具體實(shí)現任務(wù)上下文保護和任務(wù)切換。
 
◆ OSIntCtxSw：實(shí)現中斷級任務(wù)切換，用純匯編實(shí)現。
 
◆ OSCtxSw：實(shí)現用戶(hù)級上下文切換，用純匯編實(shí)現。

◆ OSTickISR：為系統定時(shí)器中斷的處理函數，用純匯編實(shí)現。

◆ OSTaskStkInit：用來(lái)在創(chuàng )建任務(wù)時(shí)，對任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化。
 
　　OS_CFG.H 用來(lái)配置內核，用戶(hù)根據需要對內核進(jìn)行定制，設置系統的基本情況；INCLUDES.H 為系統頭文件，包括了整個(gè)實(shí)時(shí)系統所需要的內核以及用戶(hù)的頭文件。
2.2  網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

    本系統采用的是SOPC Builder 中包含針對Nios 的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，該棧以名為Plugs 的函數庫的形式提供給設計者，該庫向軟件編寫(xiě)者隱藏了底層硬件細節，以類(lèi)似于unix 套接字的方式實(shí)現了一個(gè)精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。它支持以下一些網(wǎng)絡(luò )協(xié)議：IP、ARP、ICMP 、UDP 、TCP 。

　　使用該庫在硬件上有四個(gè)要求：必須使用Nios CPU，需要20KB 的代碼存儲空間，需要4KB 的數據存儲空間，系統中需要有一個(gè)專(zhuān)供其使用的定時(shí)器。

2.3 驅動(dòng)及應用級代碼編寫(xiě)設計

    語(yǔ)音板驅動(dòng)程序設計主要由以下幾個(gè)部分組成：讀緩沖區內容、寫(xiě)入緩沖區數據、產(chǎn)生中斷信號等。

　　另外應用級程序中的呼叫連接處理部分是系統中非常重要的部分，它主要完成通話(huà)前的呼叫建立過(guò)程及通話(huà)結束后的釋放過(guò)程。下面對其進(jìn)行詳細描述，圖5.5是呼叫連接處理部分的狀態(tài)轉換圖。

    系統上電復位后，處于IDLE狀態(tài):如果檢測到用戶(hù)輸入的IP地址，系統進(jìn)入MASTER CALL狀態(tài);如果此時(shí)系統接收到一個(gè)CALL消息后，系統產(chǎn)生一個(gè)Informuse信號，使指示燈工作亮，通知用戶(hù)有電話(huà)打進(jìn)來(lái)，用戶(hù)拿起話(huà)筒時(shí)，系統將置Informuse信號無(wú)效，指示燈熄滅停止工作，系統進(jìn)入SLAVE CONNECT狀態(tài)。
 
    系統處于MASTER CALL狀態(tài):系統產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送CALL消息使能信號xmitC.allMessageEn，控制發(fā)送部分發(fā)送一個(gè)CALL呼叫信號，當發(fā)送模塊發(fā)送完該信號后，產(chǎn)生一個(gè)SendMessageOk信號，系統檢測到該信號后，進(jìn)入WAIT CONNECT狀態(tài)。

    系統處于WAIT CONNECT狀態(tài):系統等待接收CONNECT消息，同時(shí)設置一個(gè)定時(shí)器(最大值為4000)。定時(shí)接收CONNECT消息。該定時(shí)器是一個(gè)時(shí)鐘頻率8KHz計數器，當計數到最大值后，產(chǎn)生超時(shí)信號用于控制接收CONNECT消息是否超時(shí)。如果在規定時(shí)間內正確收到CONNECT消息，系統發(fā)送一確認消息ACK，然后進(jìn)入TALK狀態(tài)，開(kāi)始通話(huà)。如果系統超時(shí)未接收到CONNECT消息，系統置重發(fā)呼叫CALL信號寄存器有效，返回MASTER CALL狀態(tài)，重新發(fā)送呼叫請求CALL信號，同時(shí)將呼叫次數寄存器(calltimes)加1。一旦系統檢測到呼叫次數寄存器(calltimes)值大于3，即系統連續3次發(fā)送呼叫請求，都沒(méi)有完成，則本次呼叫連接過(guò)程失敗，系統返回IDLE狀態(tài)。如果系統沒(méi)收到CONNECT消息，收到被呼叫方發(fā)來(lái)的BUSY消息(說(shuō)明被呼叫方正在通話(huà))，系統無(wú)法建立呼叫連接，系統返回IDLE狀態(tài)。

    系統處于TALK狀態(tài):系統內部的一個(gè)指示通話(huà)進(jìn)行的狀態(tài)寄存器(StartTalk)的值為1表示系統處于通話(huà)。系統檢測用戶(hù)是否掛機，一旦檢測到用戶(hù)掛機，表示通話(huà)結束，系統將通話(huà)狀態(tài)寄存器((StartTalk)置為0，系統進(jìn)入RELEAS COMPLETE狀態(tài)。系統如果檢測到呼叫方發(fā)來(lái)的release complete消息后，寄存器(StartTalk)置為0，同時(shí)系統進(jìn)入IDLE狀態(tài)。如果系統收到另一呼叫方所發(fā)的CALL消息，系統由于已經(jīng)在和一個(gè)用戶(hù)在通話(huà)，不能接收另一個(gè)用戶(hù)的呼叫請求，系統進(jìn)入BUSY狀態(tài)。

    系統處于RELEASE COMPLETE狀態(tài):系統發(fā)送一個(gè)release complete消息，該消息發(fā)送完畢后，系統進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
 
    系統處于SLAVE CONNECT狀態(tài):系統發(fā)送一個(gè)CONNECT消自，該消息發(fā)送完畢后，系統進(jìn)入WAIT ACK狀態(tài)。

    系統處于WAIT ACK狀態(tài):系統等待接收ACK消息，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器工作(最大值為4000)，當計數到最大值后，產(chǎn)生超時(shí)信號用于控制接收ACK消息是否超時(shí)。如果系統超時(shí)未收到ACK消息，系統則重發(fā)呼叫CALL信號寄存器有效，返回SLAVE CONNECT狀態(tài)，重新發(fā)送CONNECT信號，同時(shí)將呼叫次數寄存器 (calltimes)加1。一旦系統檢測到呼叫次數寄存器(calltimes)值大于3，即系統連續3次發(fā)送呼叫連接請求，都沒(méi)有收到確認ACK消息，則本次呼叫連接過(guò)程失敗，系統返回IDLE狀態(tài)。如果系統正確收到確認ACK消息，系統進(jìn)入TALK狀態(tài)，可以開(kāi)始通話(huà)。
 
    系統處于BUSY狀態(tài):該BUSY狀態(tài)是指，當前系統正在通話(huà)階段，同時(shí)接收到另一呼叫方發(fā)來(lái)的呼叫請求CALL消息時(shí)所處的狀態(tài)。系統在此狀態(tài)時(shí)，發(fā)送一個(gè)BUSY消息給該呼叫方，拒絕本次呼叫請求。完畢后，系統返回TALK狀態(tài)。

2.4  數據的協(xié)議處理

    需要說(shuō)明的是，在本系統中呼叫信息和語(yǔ)音信息采用不同的協(xié)議處理方式。呼叫消息用TCP報文封裝傳送，以確保呼叫信息傳輸的可靠性；語(yǔ)音消息用UDP報文封裝傳送。呼叫前后的協(xié)議處理流程如圖5.6所示。
 

 
通話(huà)狀態(tài)時(shí)語(yǔ)音數據處理流程如圖5.7所示

  
    在本設計中沒(méi)有采用語(yǔ)音數據包沒(méi)有進(jìn)行壓縮后傳輸，而是直接對G. 711標準的PCM語(yǔ)音信號直接打包，故圖中語(yǔ)音壓縮編/解碼未用到。

六.    系統特點(diǎn)

1．    在目前數字系統開(kāi)發(fā)中，傳統的MCU+FPGA的方式成本較高。本系統采用嵌入Nios軟核的FPGA芯片，并通過(guò)Avalon總線(xiàn)接口，將系統最大限度地集成在一塊芯片中實(shí)現，提高了穩定性，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統軟硬件設計。

2．    uc/OS 操作系統的移植。uc/OS 操作系統源代碼公開(kāi)，便于自行開(kāi)發(fā)各種應用軟件程序，因此，進(jìn)行Nios CPU的移植具有極其重要的意義和價(jià)值。
 
3．    編寫(xiě)操作系統下的語(yǔ)音板的驅動(dòng)程序。在嵌入式系統設計中，常需要根據數據或處理任務(wù)進(jìn)行外設定制，從而提高整個(gè)系統性能，這也是SOPC Build的長(cháng)處所在。只有為這些自定制的外設進(jìn)行驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，才能完成操作系統下的應用程序開(kāi)發(fā)。

4．    完成uc/OS 下的應用程序。分別為呼叫方和接收方應用程序提供IP電話(huà)的呼叫和等待通話(huà)功能。

5．    由于SOPC Builder 開(kāi)發(fā)環(huán)境的完備功能， 可以把注意力集中在系統整體構架和功能上來(lái)，而無(wú)需過(guò)多的考慮細節性的電路設計，縮短了產(chǎn)品面市周期；同時(shí)由于FPGA和Nios的靈活性，為系統的功能升級帶來(lái)方便。

七．總結

　　基于Nios 進(jìn)行嵌入式IP電話(huà)系統設計有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。首先，硬件設計快速靈活，可擴展性強。SOPC Builder 降低了硬件設計的難度，縮短了硬件開(kāi)發(fā)周期，提高了設計的可靠性。CPU 本身是以軟核的方式實(shí)現，其功能可根據需要進(jìn)行定制。其次，軟件開(kāi)發(fā)容易。SOPC Builder 不但在硬件設計上提供了支持，在軟件上也為設計者提供了較好的支持，方便驅動(dòng)程序和上層應用軟件的編寫(xiě)，并提供了現成的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。

   由于本系統中是直接對PCM語(yǔ)音信號打包發(fā)送，因而要求的帶寬較大。系統的功能也相對簡(jiǎn)單，下一步的工作可以將語(yǔ)音數據壓縮編/解碼引入到FPGA中，減小系統要求的帶寬。同時(shí)還可以將基于H. 263實(shí)時(shí)圖象傳輸系統引入FPGA中，構建局域網(wǎng)IP可視電話(huà)。

參考文獻

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原創(chuàng )性聲明

    本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。
                                                              楊玉峰
                                                            2006.03.18
作者簡(jiǎn)介：楊玉峰（1983－ ），男，江蘇鹽城人，電子科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統開(kāi)發(fā)應用；黃煒（1952－ ），男，湖南寧鄉人，電子科技大學(xué)副教授，碩士生導師，主要研究方向為現代通信中的信號處理、音頻及視頻數據通信、嵌入式系統開(kāi)發(fā)應用。

作者聯(lián)系方式：
 
楊玉峰：地址：電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2004201050班

 郵編：610054 
 
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