OMAP5912的嵌入式無線組播通信設(shè)計(jì)

摘要：提出一種便攜式的無線通信系統(tǒng)，它采用OMAP5912作為系統(tǒng)中央處理器，利用Wi-Fi模塊組建Ad-Hoe無線網(wǎng)絡(luò)，采用G729a編解碼傳輸語音信息，并利用混音技術(shù)實(shí)現(xiàn)多方通話功能。測試表明，該系統(tǒng)不需要專用基站，可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音通信，適合應(yīng)急通信等無線應(yīng)用場合。
關(guān)鍵詞：無線通信；嵌入式系統(tǒng)；語音編解碼；Wi-Fi

引言
    當(dāng)前移動(dòng)電話以方便、快捷的通話特點(diǎn)已經(jīng)成為人們的日常生活品之一。然而，它需要基站支持。如果處于基站覆蓋區(qū)外，用戶就很難進(jìn)行通信。并且它一般只適合兩個(gè)用戶之間通信，這難以適用于應(yīng)急通信或臨時(shí)會(huì)議等應(yīng)用場合。針對這一問題，本文提出一種采用Wi-Fi(Wireless Fidelity，無線保真)傳輸技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)。它利用Ad-Hoc進(jìn)行自組織組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)進(jìn)行通話的目的。該系統(tǒng)不需要專用基站，從而解決移動(dòng)電話需要專網(wǎng)的不足。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
    無線多方通話系統(tǒng)是指在同一個(gè)系統(tǒng)中允許多人同時(shí)進(jìn)行對話，它不同于常規(guī)對講機(jī)。對講機(jī)只能實(shí)現(xiàn)半雙工通信，即發(fā)起方在說話時(shí)，聽不到其他人的語音。通信雙方時(shí)常因?yàn)閾屧挾y以順利溝通。如果多人同時(shí)搶話，將造成系統(tǒng)無法正常通信。
    為了實(shí)現(xiàn)無線多方通話，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：無線局域網(wǎng)的建立、系統(tǒng)語音通信的方法。無線局域網(wǎng)可以采用基于AP方式的組網(wǎng)和基于Ad-Hoc方式的組網(wǎng)?；贏P方式的組網(wǎng)需要選擇一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)和處理下面各成員之間的語音信息。然而，如果該節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)癱瘓，而基于Ad-Hoc方式的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各用戶地位均等，各用戶在彼此覆蓋范圍可以建立對等的通信關(guān)系直接通信。考慮到系統(tǒng)的便攜性和實(shí)用性，系統(tǒng)采用基于Ad-Hoc方式進(jìn)行無線組網(wǎng)。
    在建立無線局域網(wǎng)后，可以采用RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單的點(diǎn)對點(diǎn)語音通話。為了實(shí)現(xiàn)多方話務(wù)系統(tǒng)，還需要采用組播方式。由于無線局域網(wǎng)的有效帶寬有限，為了容納更多的用戶，需要采用合適的語音編解碼算法以降低各自帶寬的需求。語音編碼一般分為三種類型：波形編碼、參數(shù)編碼和波形參數(shù)混合編碼。波形編碼的語音自然度高，但是壓縮效率比較差，常在32 kbps以上。參數(shù)編碼特點(diǎn)是語音壓縮效率高，但是自然度比較差，能夠在極低速率進(jìn)行編碼。而波形參數(shù)混合編碼結(jié)合了以上兩者的長處，代表算法有G．723、G．729等，能在4～16 kbps的速率上進(jìn)行高質(zhì)量的語音合成?？紤]到算法的復(fù)雜度和對語音的需求，這里選用適合嵌入式應(yīng)用的G729a算法。接收方接收到多個(gè)用戶的語音信息后先進(jìn)行相應(yīng)的語音解碼，然后采取混音技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接聽多人話音。
    考慮到系統(tǒng)的便攜性以及系統(tǒng)開發(fā)的難易程度，選擇Linux2．6操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，以TI的OMAP5912作為中央處理器，利用無線網(wǎng)卡組建Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，利用Qt技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形界面顯示和系統(tǒng)控制。最終完成在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行多方話務(wù)通信的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該無線局域網(wǎng)內(nèi)有N個(gè)用戶，其中N的取值范圍為[2，253]。每個(gè)用戶的系統(tǒng)架構(gòu)相同，它包括語音采集／播放模塊、觸摸屏、無線網(wǎng)卡、中央處理單元和電源模塊。

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2．1 中央處理器與語音采集／播放模塊之間通信
    這里選用TI公司的低功耗處理芯片OMAP5912，它采用ARM9+DSP55X的雙核構(gòu)架。而聲卡主芯片選用TI公司的AIC23芯片，該芯片是一款高性能的立體聲語音編解碼器，提供模／數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)／模轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)格式支持16／20／24／32，采樣頻率支持[8 kHz，96 kHz]范圍內(nèi)可調(diào)。如圖2所示，AIC23的可編程設(shè)置通過OMAP5912的I2C接口完成。AIC23的音頻數(shù)據(jù)通過與OMAP5912的MCBSP接口相連完成數(shù)字化音頻輸入／輸出，而AIC的耳麥輸入／輸出接口相對簡單，利用該電路可以完成自身語音的采集和還原其他用戶傳來語音信息。

2．2 中央處理器與觸摸屏之間通信
    考慮到圖像的直觀性和操控的靈活性，選用三星公司的LTV350QV_FOE觸摸屏，它采用320×240像素液晶輸出方式。對液晶的控制是通過專用芯片ADS7843來完成的。圖3所示是OMAP5912與ADS7843的接口電路圖。OMAP5912通過MCSI接口來實(shí)現(xiàn)與ADS7843的命令、數(shù)據(jù)的串行輸入／輸出，并通過將KB．CX引腳復(fù)用成GPIO，然后實(shí)現(xiàn)PENIRQ與BUSY信號(hào)的中斷觸發(fā)。

2．3 無線通信模塊與OMAP之間通信
    系統(tǒng)的無線通信模塊采用基于RT2571芯片的802．11無線網(wǎng)卡，它工作在2．4 GHz的ISM工作頻段，負(fù)責(zé)完成各用戶之間語音和數(shù)據(jù)信息的交換。它與CPU之間通信是通過USB接口實(shí)現(xiàn)。
    整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器，利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號(hào)進(jìn)行對數(shù)放大，最后由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還配備了鍵盤、顯示、參數(shù)存儲(chǔ)、開關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等功能。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件可以分為3個(gè)功能模塊：語音信息處理模塊、無線通信模塊和QT控制模塊。其中QT控制模塊負(fù)責(zé)圖形界面顯示和人機(jī)接口控制。為了便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理，采用基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)模式，操作系統(tǒng)則選用Linux2．6．29版本。系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    在完成必要的軟硬件初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入QT界面控制程序，QT界面控制程序負(fù)責(zé)兩大功能：
    ①語音編解碼處理。如圖5所示，語音信號(hào)的處理是通過DSP55X內(nèi)核完成。它采用雙線程處理。線程1負(fù)責(zé)語音編碼處理。此時(shí)DSP內(nèi)核采用雙緩存機(jī)制保存ARM9送入的本地語音數(shù)據(jù)。它利用G729a定點(diǎn)編碼算法實(shí)現(xiàn)對語音的壓縮處理，然后送給ARM9內(nèi)核。線程2負(fù)責(zé)語音解碼處理。ARM接收到的語音數(shù)據(jù)送入DSP內(nèi)核后利用多用戶解碼算法恢復(fù)各個(gè)用戶的語音信息，然后回送給ARM9內(nèi)核處理。

    ②無線語音和聲卡數(shù)據(jù)的收發(fā)以及混音處理。它由ARM9內(nèi)核完成。ARM9內(nèi)核與DSP內(nèi)核的通信是通過DSP Gateway雙核通信機(jī)制方式實(shí)現(xiàn)，由ARM9內(nèi)核負(fù)責(zé)控制。對于語音編碼，ARM9負(fù)責(zé)把AIC23采集的緩存數(shù)據(jù)寫入到DSP的編碼器中。編碼完的數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩存單元，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)放滿之后，ARM端就會(huì)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送出去。然后將編碼后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡發(fā)送出去。語音解碼與編碼過程相反，首先通過無線網(wǎng)卡接收其他用戶發(fā)送過來的比特流，并提取用戶信息，送入DSP端解碼，經(jīng)過解碼器解碼后，判別當(dāng)前是否多用戶通信，如果是就啟動(dòng)混音程序，再輸出至音頻接口，變?yōu)槟M語音信號(hào)播放。

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4 系統(tǒng)測試
    測試系統(tǒng)采用3塊OMAP5912開發(fā)板和對應(yīng)的3塊無線網(wǎng)卡。無線網(wǎng)卡選用華碩網(wǎng)卡W167g，采用Ad-Hoc進(jìn)行組網(wǎng)。針對系統(tǒng)需求，需要測試系統(tǒng)的有效帶寬和語音延遲以及音質(zhì)。
    系統(tǒng)的有效帶寬是保證多用戶語音通話的前提。這里利用Netperf軟件進(jìn)行分析，測試表明基于UDP的傳輸速度，兩點(diǎn)間的平均速度可達(dá)3．4 Mbps。
    對于語音通信而言，基于AIC23芯片的語音通信采樣速度是8 kHz，采用16比特單聲道采樣，所需帶寬為128 kbps。而G729a的壓縮率為16：1。故所需帶寬僅為8 kbps。因此，該無線網(wǎng)卡支持多用戶通信。
    然后對語音音質(zhì)進(jìn)行測試，這里利用由Cooledit2000軟件進(jìn)行分析，如圖6所示，原始語音和采用G729a語音編解碼處理后的語音波形雖有所損傷，但基本一樣，從音質(zhì)效果上看，語音清晰，達(dá)到MOS=4的語音測試水平。

    最后對系統(tǒng)語音延遲進(jìn)行測試，無線傳輸時(shí)語音數(shù)據(jù)每次發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀包含10 ms語音數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體延時(shí)約為60 ms，聽者基本感覺不到延遲效應(yīng)。
    通過以上測試，系統(tǒng)可以正常工作，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了一套可供無線局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)語音通信系統(tǒng)，它以OMAP5912作為系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用QT界面技術(shù)進(jìn)行管理。用戶可以方便地進(jìn)行多人通話。由于采用嵌入式方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，適合于應(yīng)急通信和臨時(shí)移動(dòng)會(huì)議等便攜式通信場合。