基于STLC1502處理器實現(xiàn)IP電話呼叫的應(yīng)用設(shè)計

STLC1502是基于ST公司的專用于開發(fā)VoIP相關(guān)產(chǎn)品的處理器，是集成了ARM7和D950的雙核芯片。普通雙音頻電話機(jī)可通過以STLC1502為核心的VoIP小型用戶網(wǎng)關(guān)接入Internet，實現(xiàn)IP電話呼叫。

概述

隨著2000年互聯(lián)網(wǎng)泡沫的破滅，IT近幾年徘徊在低谷，復(fù)蘇艱難。然而VoIP（voice over internet protocol）技術(shù)帶來的沖擊波卻在不斷增強(qiáng)。VoIP又叫IP電話，泛指在以IP為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行話音通信的系統(tǒng)，即在IP網(wǎng)上傳送話音。傳統(tǒng)的電話網(wǎng)以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸帶寬為64kbit/s，且通話時獨占電路，通信費用昂貴。VoIP以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺，對模擬語音信號進(jìn)行壓縮，打包等一系列的特殊處理，使之可以采用費用低廉的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。對端從IP網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)后，再把它還原成話音，實現(xiàn)通話。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和日益普及，VoIP無論是研究和應(yīng)用都日益趨熱，VoIP市場前景廣闊。特別是隨著最近寬帶接入的興起，網(wǎng)上多媒體應(yīng)用越來越多，基于IP網(wǎng)絡(luò)提供包括語音，數(shù)據(jù)與視頻等在內(nèi)的綜合多媒體通信服務(wù)，將成為VoIP領(lǐng)域的下一關(guān)鍵性應(yīng)用。因此，各VoIP的廠家推出了很多相關(guān)產(chǎn)品。除了各大VoIP廠家的電信級IP電話產(chǎn)品外，其中最常見的產(chǎn)品還有小型用戶網(wǎng)關(guān)和IP電話終端。

本文采用STMicroelectronics（意法）公司專門用于用戶級VoIP產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計而推出的STLC1502雙核處理器芯片，配合添加相關(guān)外圍芯片后，設(shè)計了一種VoIP小型用戶網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。普通電話機(jī)通過該網(wǎng)關(guān)接入Internet，可實現(xiàn)IP電話呼叫。

STLC1502處理器

STLC1502是ST公司專用于快速設(shè)計開發(fā)IP電話和模擬網(wǎng)關(guān)設(shè)備的高性能VoIP處理器，具有非常豐富的便于開發(fā)小型用戶網(wǎng)關(guān)設(shè)備的接口。該處理器是雙核芯片，內(nèi)部集成了低功耗D950DSP和ARM7/TDMI 微處理器，以及兩個10/100M以太網(wǎng)媒體接入控制接口（MII：media independenti nterface），還包含了方便測試和調(diào)試的JTAG接口（ARM和DSP各一個）。下面將分別介紹ARM7微處理器和D950DSP的部分。

ARM微控制器部分

基于ARM7TDMI處理器核，并具備豐富外圍接口的多總線微處理器系統(tǒng)，主要完成整個系統(tǒng)的控制功能和與外圍設(shè)備的通信，具有以下特性。

（1）60MHz頻率。

（2）系統(tǒng)總線基于高級微控制器總線結(jié)構(gòu)（AMBA），包括兩條獨立的總線：連接高性能系統(tǒng)模塊的高性能總線（AHB）和連接低功率外圍設(shè)備的高級外設(shè)總線（APB）。

（3）高速32位數(shù)據(jù)總線，連接外部存儲器。外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器共享數(shù)據(jù)總線，方便系統(tǒng)存儲器的擴(kuò)展。

（4）16K×32bit內(nèi)部ROM，可存儲系統(tǒng)啟動代碼。

（5）兩個MII接口，與以太網(wǎng)收發(fā)器相連，可構(gòu)成兩個RJ45以太網(wǎng)口。

（6）具有內(nèi)部控制硬件負(fù)責(zé)管理兩以太網(wǎng)端口數(shù)據(jù)幀的交換和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的收發(fā)處理。

（7）SPI（serial peripheral interface）串行外圍接口，可以控制所連接的語音編碼器CODEC。與它相兼容的語音編碼器有STW5093、

STLC5046、 STLC5048等。這是標(biāo)準(zhǔn)的SPI端口，所以除了可連接CODEC，還可以是其他外設(shè)。

（8）IIC端口。連接存儲有啟動程序和配置數(shù)據(jù)的串行EEPROM。在IP電話設(shè)備中，可連接LCD。

（9）GPIO（通用IO）單元作為可選功能，可作為6×6鍵盤矩陣的接口。

（10）UART端口，可連接主機(jī)終端。啟動時，代碼可通過UART下載。

（11）主處理器接口（HPI），可直連一個外部控制處理器。接口直接和MotorolaMPC850外部總線兼容。

DSP部分

STLC1502內(nèi)部集成有基于D950核的DSP處理器，可專用于音視頻多媒體數(shù)據(jù)的處理，它的特點如下，

（1）運行頻率100MHz，120MIPS。

（2）哈佛結(jié)構(gòu)，獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，分別訪問程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。

（3）內(nèi)含48k×16程序ROM，存儲基本系統(tǒng)管理代碼和標(biāo)準(zhǔn)語音編解碼代碼+16K×16程序RAM；48K×16數(shù)據(jù)RAM。

（4）內(nèi)含4k×16大小的DPRAM（雙端口RAM），分別和ARM處理器和DSP相連，作為ARM7和D950之間的通信信箱，控制信息和語音分組經(jīng)

DPRAM交換，還可經(jīng)DPRAM，DSP從ARM側(cè)下載任選的語音編解碼算法。

（5）PCM總線接口，用于與語音編碼器CODEC相連。

（6）JTAG和仿真端口，用于系統(tǒng)軟硬件測試。

小型VoIP用戶網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

下面給出基于此芯片的小型VoIP用戶網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。

VoIP小型用戶網(wǎng)關(guān)

隨著VoIP應(yīng)用的日益廣泛，寬帶接入的興起，IP電話從主干長途網(wǎng)向本地市話網(wǎng)延伸，利用已有的數(shù)據(jù)IP網(wǎng)，在數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口接上網(wǎng)關(guān)，普通電話與網(wǎng)關(guān)連接，即可通過該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IP電話通信，節(jié)省電話費用支出，而且網(wǎng)關(guān)配置、組網(wǎng)、使用靈活方便。小型用戶網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品有很大的市場需求，其一端上聯(lián)到IP網(wǎng)的以太網(wǎng)口，一般有一個到兩個網(wǎng)絡(luò)RJ45接口+一端接模擬電話或PBX（用戶電話交換機(jī)），可以有2~4個模擬電話接口。或者網(wǎng)關(guān)內(nèi)含本地交換功能，直接實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)部電話的交換。

用戶網(wǎng)關(guān)在VoIP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

各個VoIP網(wǎng)關(guān)可經(jīng)IP網(wǎng)實現(xiàn)彼此的呼叫，從而接通電話。圖中的電信級VoIP網(wǎng)關(guān)是IP網(wǎng)和傳統(tǒng)PSTN電話網(wǎng)的互連設(shè)備，常由電信運營商來維護(hù)和管理。

網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)

以STLC1502作為主處理器，外圍配置語音編碼器CODEC芯片、電話機(jī)用戶環(huán)路接口（SLIC）芯片、以太網(wǎng)收發(fā)器芯片等即可構(gòu)成VoIP網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)。

&nbs p; 系統(tǒng)主要包括主處理器模塊、語音編解碼器CODEC模塊、用戶線接口電路SLIC模塊、以太網(wǎng)接口模塊（外擴(kuò)存儲器模塊，RS232串口，用于和主機(jī)相連，主機(jī)通過串口可配置系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，該用戶網(wǎng)關(guān)具有以下的功能。

（1）對外提供4個RJ11普通電話機(jī)接口和2個RJ45以太網(wǎng)接口，

（2）普通話機(jī)通過該網(wǎng)關(guān)直接連入IP網(wǎng)。實現(xiàn)IP電話通信，

（3）在IP網(wǎng)上的話音終端也可直接撥打網(wǎng)關(guān)側(cè)的4個普通話機(jī)，

主處理器模塊

集成了ARM7和D950的雙核STLC1502處理器。ARM7控制整個系統(tǒng)的運行。以及和IP網(wǎng)的連接。D950處理語音數(shù)據(jù)，編碼PCM的語音數(shù)據(jù)，而后交給ARM7，經(jīng)以太網(wǎng)接口傳送出去；反之，ARM7從IP網(wǎng)接收到編碼的語音數(shù)據(jù)包后，把它交給D950，解碼為PCM語音數(shù)據(jù)流，，經(jīng) CODEC和SLIC電路后還原成模擬話音送到普通電話機(jī)。

語音編解碼器CODEC

采用ST公司的STLC5046芯片，STLC5046是單芯片可編程4通道CODEC。連接4塊SLIC電路?？赏瓿伤穆酚脩綦娫捫盘柕腜CM編解碼。 通過對它內(nèi)部41個工作寄存器的配置。可設(shè)置不同的工作參數(shù)。如TX/RX增益、編碼率（A/η）、時隙分配、獨立開閉各話路的電源。參數(shù)設(shè)置有兩種方式：通過芯片控制引腳的靜態(tài)設(shè)置和經(jīng)由主處理器MCU配置。本方案采用主處理器STLC1502通過SPI接口來設(shè)置CODEC的工作參數(shù)。

用戶線接口電路SLIC

采用STLC30R80。是單芯片SLIC電路。具有B（饋電：直流-48V）+O（過壓保護(hù)）、R（振鈴控制）、S（用戶線回路狀態(tài)監(jiān)視）、H（2/4 線交換的混合電路）、T（測試電路）功能，集成了鈴流信號和標(biāo)準(zhǔn)DC電源供給。SLIC電路是網(wǎng)關(guān)設(shè)備與電話終端的接口電路，本方案設(shè)有四塊SLIC芯片、四個RJ45接口。四塊STLC30R80SLIC芯片和一塊STLC4056CODEC芯片相連接。

以太網(wǎng)接口模塊

主處理器芯片STLC1502有兩個MII總線接口，分別連接以太網(wǎng)收發(fā)器芯片STE100，再通過連接變壓器后，形成兩個RJ45以太網(wǎng)插口。

片外擴(kuò)展存儲器

片外擴(kuò)展兩塊8M字節(jié)的HY57V6532200BSDRAM動態(tài)存儲器，4MB的靜態(tài)Flash存儲器，與IIC接口相連的256kbitEEPROM。

以上各部分模塊都在一塊電路板上實現(xiàn)，主要芯片都選擇了ST公司的芯片，使得系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性，兼容性好。這樣，通過簡單的無縫連接就完成了VoIP網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)。

軟件部分

軟件部分分為操作系統(tǒng)支持、網(wǎng)絡(luò)接口、VoIP信令協(xié)議、語音編解碼處理和用戶應(yīng)用配置五大模塊，以美國Windriver公司的VxWorks為操作系統(tǒng)。VxWorks是實時操作系統(tǒng)。實現(xiàn)高效的任務(wù)調(diào)度管理，BSP（板級支持包）作為硬件和軟件的接口。在系統(tǒng)工作之前初始化硬件，VxWorks還包含了TCP/IP協(xié)議棧。在其上可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。本方案以H.323作為VoIP協(xié)議，實現(xiàn)呼叫的建立和控制。DSP的語音編解碼算法是軟件的核心，關(guān)系到通話語音質(zhì)量的好壞。語音編碼符合G.711、G.723.1標(biāo)準(zhǔn)，軟件部分各模塊層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

應(yīng)用開發(fā)注意事項

系統(tǒng)時鐘

系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘可由固定的外部25MHz晶振/振蕩器提供，內(nèi)部PLL（鎖相環(huán)）提供產(chǎn)生獨立的100MHzD950和60MHzARM7時鐘，這樣就簡化了外部時鐘電路的設(shè)計。

圖2 小型VoIP網(wǎng)關(guān)硬件框圖

圖3 軟件部件各模塊層次結(jié)構(gòu)圖

存儲器配置ARM存儲器

內(nèi)部ROM。存儲系統(tǒng)啟動代碼bootloader，啟動代碼輪詢串行外設(shè)（IICEEPROM）UART串口。和HPI，從外部下載應(yīng)用程序到系統(tǒng)。下載后，系統(tǒng)控制權(quán)交給該外部程序?？蓴U(kuò)展四種類型的外部存儲器，F(xiàn)lash、SRAM、DRAM（SDRAM或EDO）和串行EEPROM。其中 Flash、SRAM和DRAM共享32bit數(shù)據(jù)總線和32bit地址總線，串行EEPROM可通過IIC總線連接。我們擴(kuò)展了16M的SDRAM、 4M的Flash和256k的EEPROM、SDRAM和flash和系統(tǒng)數(shù)據(jù)、地址總線相連，EEPROM連接到IIC。

系統(tǒng)也可從Flash或串行EEPROM啟動，這由處理器BOOT_SEL引腳選擇。有以下幾種存儲器配置方式：

（1）Flash，SDRAM，包含BOOTP和TFTP的啟動碼存放在Flash.應(yīng)用程序或者也存放在Flash，或者可通過以太網(wǎng)或UART下載到SDRAM。

（2）EEPROM，SDRAM，內(nèi)部ROM啟動內(nèi)部ROM啟動代碼啟動后，載入存放在EEPROM的BOOTP和TFTP代碼。應(yīng)用程序經(jīng)以太網(wǎng)或UART串口下載到SDRAM。

（3）Flash，SDRAM，EEPROM，就如方案1，但是更靈活。EEPROM可用于存儲網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（MAC地址。和其他特定的板級參數(shù)數(shù)據(jù)，所以 Flash不需要再分成永久存儲區(qū)和可升級存儲區(qū)。通過保存在EEPROM的寫flash程序，也可把經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)口下載的代碼寫到flash，便于用戶更新定制應(yīng)用程序。

（4）SDRAM，從內(nèi)部ROM啟動。應(yīng)用程序經(jīng)HPI接口從主機(jī)下載。經(jīng)由不同的片選，選擇不同的外部存儲設(shè)備。32bit的數(shù)據(jù)總線可選擇以 16bit或8bit位寬訪問外部存儲單元。例如，F(xiàn)lash可選擇為16bit訪問，DRAM可選擇32bit訪問。三個片選供選擇三個靜態(tài)存儲器（每個4MB），四個片選選擇動態(tài)存儲器（每個8Mbyte）。

DPRAM

在ARM的APB（advanced peripheral bus）總線和DSP數(shù)據(jù)總線之間接有2k×16的雙端口RAM（DPRAM），能被ARM7和D950訪問，作為ARM7和D950之間相互通信的郵箱，交換數(shù)據(jù)或控制信息。在ARM7側(cè)，DPRAM地址映射起始為0x0C180000。而在D950側(cè)，DPRAM起始地址為0x8000。

DSP存儲器

DSP內(nèi)有三條存儲器總線，I+X和Y。I是指令存儲器總線，X和Y是數(shù)據(jù)存儲器總線。存有DSP系統(tǒng)代碼和編解碼算法代碼的程序ROM和程序RAM接在I總線，數(shù)據(jù)RAM接在X或Y總線上。

ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換

2k×16的雙端口RAM共16個郵箱，被分成兩組，每組8個郵箱。前8個郵箱用于ARM7傳送信息給D950，剩下的8個郵箱用于D950傳信息給 ARM7。每組中的8個郵箱，4個用于傳送控制信息，4個用于數(shù)據(jù)信息。本文基于STLC1502處理器的VoIP網(wǎng)關(guān)支持四路雙向語音通道，因此每路單向話路配置1個控制郵箱和1個數(shù)據(jù)郵箱。

本文設(shè)計了一款基于ST公司的專用于VoIP相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的STLC1502處理器的小型VoIP用戶網(wǎng)關(guān)。把該網(wǎng)關(guān)連接到以太網(wǎng)上，普通雙音頻電話和該網(wǎng)關(guān)連接，與處于同一局域網(wǎng)上的基于PC的H.323VoIP軟件電話通話，實驗結(jié)果良好。在此網(wǎng)關(guān)方案的基礎(chǔ)上，稍作修改，如在STLC1502的通用 I/O口上添加接鍵盤，在IIC總線上再接一LCD液晶顯示屏，CODEC換作具有話筒和話筒接口的STW5093芯片，即 可實現(xiàn)VoIP可視電話硬件系統(tǒng)。軟件添加視頻編解碼程序后，可實現(xiàn)VoIP可視電話。由此可以看出，基于STLC1502，可快速簡便地開發(fā)出VoIP相關(guān)用戶產(chǎn)品。

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