基于A(yíng)RM9的嵌入式網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信終端

傳統的語(yǔ)音通信是以公共交換電話(huà)網(wǎng)(PSTN)為語(yǔ)音系統進(jìn)行話(huà)音交流，該系統以電路交換為通信基礎，信道利用率低、通信資費較高。而隨著(zhù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )的快速發(fā)展，越來(lái)越多的用戶(hù)采用IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行語(yǔ)音通信與視頻通話(huà)，該通信系統采用分組交換為基礎，具有靈活的業(yè)務(wù)擴展能力和低廉的話(huà)費價(jià)格。從2013年開(kāi)始到如今，工信部已經(jīng)發(fā)放了兩批虛擬運營(yíng)商牌照，此舉必然會(huì )進(jìn)一步推動(dòng)國內市場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音發(fā)展。

本文采用嵌入式處理器、以太網(wǎng)控制芯片、音頻處理芯片設計出一款語(yǔ)音通信終端，該終端通過(guò)音頻采集、播放語(yǔ)音、處理器進(jìn)行數據處理，通過(guò)網(wǎng)卡進(jìn)行數據傳送與接收，從而實(shí)現終端的語(yǔ)音通信功能。

1 硬件電路設計

網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音終端系統硬件由微處理器、以太網(wǎng)通信模塊、音頻處理模塊、電源等模塊組成。該終端系統各個(gè)模塊之間進(jìn)行數據交互的示意圖如圖1所示。

圖1 系統模塊數據交互圖

網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音終端啟動(dòng)音頻模塊后，從麥克風(fēng)拾取語(yǔ)音進(jìn)行A/D轉換采集，把語(yǔ)音信號轉換為數字信號，經(jīng)I2S總線(xiàn)送給處理器處理，并通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊把數據發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò )上;從IP網(wǎng)絡(luò )上把數據取出，經(jīng)處理器處理后，由I2S總線(xiàn)送給音頻模塊進(jìn)行D/A轉換，然后把語(yǔ)音信號送給揚聲器播放語(yǔ)音。

系統采用S3C2440微處理器實(shí)現數據處理，利用DM9000CEP以太網(wǎng)控制芯片來(lái)實(shí)現與IP網(wǎng)交互，并且采用UDA1341TS音頻芯片進(jìn)行語(yǔ)音采集及播放。其他接口電路比較常見(jiàn)，這里不再贅述。

1.1 以太網(wǎng)通信模塊

主控芯片采用三星公司的S3C2440通用32位微處理器，該處理器采用ARM920內核，具有低功耗、處理計算能力強等特點(diǎn)。以太網(wǎng)控制芯片采用DAVICOM(聯(lián)杰)公司的DM9000CEP芯片。該芯片支持16位數據傳輸，集成10/100M自適應收發(fā)器，可以自動(dòng)協(xié)調功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線(xiàn)路帶寬，且支持IEEE802.3x全雙工流量控制。

為實(shí)現DM9000CEP與S3C2440的連接，對兩者間的數據、地址、控制三大總線(xiàn)進(jìn)行連接和轉換。由于S3C2440是32位微處理器，可尋址1G的地址空間，但其只有27根地址線(xiàn)，理論上只能尋址2的27次方(即128M)的地址范圍。所以引出了8根BANK線(xiàn)(對應nGCS0~nGCS7)，用這8根線(xiàn)來(lái)選通和關(guān)閉不同的存儲器，實(shí)現1G地址空間的尋址。本文DM9000與S3C2440之間數據交換，是通過(guò)NGCS4線(xiàn)選擇基址為0x2000 0000來(lái)實(shí)現的。圖2給出了S3C2440與DM9000CEP的連接方法。

圖2 DM9000CEP與S3C2440的接口圖

1.2 音頻處理模塊

音頻處理芯片選用Philips公司的UDA1341TS音頻芯片，該芯片內部集成了立體聲的ADC、DAC,可以實(shí)現模擬信號和數字信號的相互轉換，并可用可編程增益控制(PGA)和自動(dòng)增益控制(AGC)來(lái)對模擬信號進(jìn)行控制，該芯片還提供數字信號處理功能。微處理器通過(guò)L3總線(xiàn)接口對音頻芯片進(jìn)行控制。其與處理器連接圖如圖3所示。

圖3 UDA1341TS與S3C2440的接口圖

UDA1341TS音頻芯片提供一組I2S總線(xiàn)接口和一組L3總線(xiàn)接口。其中，I2S總線(xiàn)接口包括音頻系統時(shí)鐘線(xiàn)(SYSCLK)、位時(shí)鐘輸入信號線(xiàn)(BCK)、字選擇輸入線(xiàn)(WS)、數據輸出信號線(xiàn)(DATAO)、數據輸入信號線(xiàn)(DATAI)。而L3總線(xiàn)接口由時(shí)鐘線(xiàn)、數據線(xiàn)以及模式選擇線(xiàn)組成。S3C 2440處理器通過(guò)這兩組總線(xiàn)接口實(shí)現與UDA1341TS芯片之間的音頻數據交互及控制。

2 軟件實(shí)現

網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音終端系統軟件部分主要由系統初始化、語(yǔ)音采集播放模塊、網(wǎng)絡(luò )通信模塊等部分構成。

2.1 系統初始化

使用UDA1341TS芯片與I)M9000CEP芯片之前，需要對芯片內部的寄存器進(jìn)行初始化。

DM9000CEP芯片的初始化設置工作方式：通過(guò)CMD與ADDR2引腳相連，高電平時(shí)為數據端口，低電平時(shí)為地址端口。CS與NGCS4引腳相連，選擇DM9000CEP的端口基址為0x2000 0000,偏移300個(gè)單位。發(fā)送給DM9000的地址信息固定放在0x2000 0300上，把存放在該地址的數據放在0x2000 0304，采用此方式可對DM9000CEP內部的寄存器進(jìn)行操作，如啟動(dòng)、復位、TX控制、RX控制以及MAC地址初始化等。其代碼如下：

UDA1341TS芯片的初始化工作需要與L3的總線(xiàn)連接，該L3總線(xiàn)是MCU通過(guò)GPB2、GPB3、GPB4三個(gè)引腳來(lái)模擬控制，用于處理器配置UDA1341內部的寄存器。UDA1341有兩種模式：地址模式和數據傳輸模式。地址模式表示傳輸的是地址信息，它的高6位永遠是000101,低兩位用來(lái)表明模式是狀態(tài)模式、數據0模式還是數據1模式，其中狀態(tài)模式主要用于配置UDA1341的各類(lèi)初始狀態(tài)：采用頻率、ADC、DAC等;數據模式主要用于改善音頻輸入、輸出的效果、音量大小調節等。

此外，要初始化S3C2440芯片內部的特殊寄存器，對I2S、DMA、中斷相關(guān)的各個(gè)寄存器進(jìn)行初始化設置，以及各個(gè)引腳功能的設置，如把GPF7引腳設置為EINT7外部中斷功能引腳，當以太網(wǎng)網(wǎng)卡接收到數據，此引腳電平就會(huì )因中斷跳變以使程序進(jìn)入網(wǎng)卡中斷接收處理函數。

2.2 語(yǔ)音采集播放模塊

完成實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話(huà)，UDA1341TS芯片在錄音同時(shí)也必須完成放音功能。數據傳輸使用兩個(gè)DMA通道。其錄音過(guò)程為：音頻芯片從麥克風(fēng)中拾取聲音信號進(jìn)行采樣、量化、編碼，把采集到的數據通過(guò)I2S總線(xiàn)傳給DMA1通道，并通過(guò)內部總線(xiàn)傳到內存緩沖區中，之后送給處理器處理。放音：內存從處理器中獲取數據，通過(guò)內部總線(xiàn)傳給DMA2通道，之后通過(guò)I2S總線(xiàn)把數據傳給音頻芯片送給揚聲器播音。通過(guò)采用DMA通道數據傳輸方式，處理器不需要花大量時(shí)間參與數據的傳輸，有充足的時(shí)間來(lái)處理其他事件。

本設計需要實(shí)現全雙工語(yǔ)音通信功能，本終端采用雙緩存的設計方法，緩存處理機制以錄音為例，系統在使用緩存2來(lái)存放音頻設備量化好的數據時(shí)，CPU則處理緩存1的數據，當設備填充完緩存2，則轉向緩存1進(jìn)行填充，此時(shí)CPU處理緩存2的數據，如此不斷循環(huán)交替，其處理過(guò)程如圖4所示。