基于平面調(diào)車的VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器的設計

張振國 劉紅北方工業(yè)大學

基于平面調(diào)車的VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器的設計

張振國 劉紅
北方工業(yè)大學

針對鐵路平面調(diào)車調(diào)度室進行優(yōu)化整合，原有數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺由于無線電波的通訊距離受限，無法滿足調(diào)車區(qū)長對調(diào)車組人員進行遠程指揮和遠程監(jiān)控的需求，設計了VoIP（Voice over IP）網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器，通過本設計將數(shù)字區(qū)長臺和數(shù)字控制盒接入同一局域網(wǎng)，對數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的操控距離進行了拓展，實現(xiàn)了調(diào)車區(qū)長對平面調(diào)車組人員的遠程指揮和遠程監(jiān)控的能力。本設計給出了以S5PV210為核心，以Linux為操作系統(tǒng)，采用VoIP為通信技術的軟件硬件設計方法。該產(chǎn)品應用于數(shù)字平面調(diào)車作業(yè)系統(tǒng)中，解決了遠程操控數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的難題，開創(chuàng)了VoIP技術在數(shù)字平面調(diào)車作業(yè)中的應用先例。

Linux VoIP 調(diào)車區(qū)長臺 調(diào)車作業(yè)

1引言

數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺是數(shù)字平面無線調(diào)車系統(tǒng)中的必備通信設備之一，調(diào)車區(qū)長通過它下達、變更作業(yè)計劃，呼叫調(diào)車組人員，監(jiān)聽調(diào)車現(xiàn)場作業(yè)情況。為了適應我國鐵路平面調(diào)車的快速發(fā)展和中長期發(fā)展的需要，從2014年開始鄭州局等開始對平面調(diào)車指揮中心進行優(yōu)化整合，廢棄原有的信息化水平低、交通不便的調(diào)度室，將原調(diào)度室功能轉移到新的調(diào)度指揮中心。由于新的調(diào)度指揮中心距離調(diào)車作業(yè)現(xiàn)場的距離遠，數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺不能搬遷到新的調(diào)度中心。調(diào)車區(qū)長如何在新的調(diào)度中心使用原有數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺成了急需解決的問題。

鐵路平面調(diào)車地形復雜，天氣多變，涉及部門眾多，需要多方協(xié)調(diào)，所使用的調(diào)車設備較多，其中的數(shù)字無線平面調(diào)車設備一直都是國內(nèi)外研究的熱門課題。針對以上問題，作者設計了基于平面調(diào)車的VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器，通過本設計將數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺和數(shù)字控制盒接入網(wǎng)絡，通過數(shù)字控制盒遠程操作數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺，實現(xiàn)了調(diào)車區(qū)長對數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的遠程控制，使鐵路運輸部門可以對現(xiàn)有的調(diào)車室進行優(yōu)化整合，提高了鐵路調(diào)車的信息化、智能化水平。目前國內(nèi)還沒有相關VoIP設備可以直接將數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺連接到網(wǎng)絡，本設計的成功研制正好填補這一空白。

2VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器構成

本設計利用網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器分別將數(shù)字控制盒和摩托羅拉數(shù)字區(qū)長臺接入網(wǎng)絡，這樣調(diào)車區(qū)長就可以使用數(shù)字控制盒遠程操控摩托羅拉數(shù)字區(qū)長臺，拓展了調(diào)車區(qū)長與調(diào)車組的通話距離。本系統(tǒng)主要包含數(shù)字控制盒、數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺、VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器、數(shù)字機控器和數(shù)字手持臺。通過操控數(shù)字控制盒可以對數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的信道進行切換，以便可以與多個調(diào)車組分別進行通信。數(shù)字控制盒、數(shù)字機控器和數(shù)字手持臺三者之間可以相互通話；數(shù)字控制盒通過數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺可以向數(shù)字機控器和數(shù)字手持臺傳送數(shù)據(jù)。

利用鐵路現(xiàn)有的網(wǎng)絡，通過VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器延伸數(shù)字區(qū)長的收受話及數(shù)據(jù)的傳輸距離，從而實現(xiàn)遠程控制調(diào)車組的目的。

2.1VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器功能

通過VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器實現(xiàn)遠程操控數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的目的，本設計需要實現(xiàn)以下三個功能。

可以傳輸控制命令：以實現(xiàn)對數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的信道進行切換，通話的接通、掛斷等操作。可以傳輸實時數(shù)據(jù)：以實現(xiàn)數(shù)字調(diào)車作業(yè)單的發(fā)送及鉤確認的操作。可以傳輸實時話音數(shù)據(jù)：以保障調(diào)車區(qū)長與調(diào)車組人員的順利溝通。

2.2VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器組成

VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器主要有電源模塊、網(wǎng)絡模塊、話音模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、USB模塊、SD卡模塊及接口電路組成。話音模塊又分為話音數(shù)據(jù)采集、話音數(shù)據(jù)傳輸、話音數(shù)據(jù)處理三個部分。數(shù)據(jù)通信模塊又分為RS232和RS485兩個部分。

2.3VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器工作原理

VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器主要完成將數(shù)據(jù)和話音從網(wǎng)絡的一端傳輸?shù)搅硪欢恕１驹O計中通過網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)對話音和數(shù)據(jù)的端到端的傳輸；話音模塊完成對話音的采集、壓縮、解壓和播放的功能；數(shù)據(jù)通信模塊完成對串口指令數(shù)據(jù)的接收、傳輸和寫入。

3VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器的硬件設計

為了縮短開發(fā)時間，節(jié)省開發(fā)成本，本設計采用核心板加底板的方法進行硬件設計，核心板采用了華天正公司的E210COREV2核心板，底板上添加電源模塊、SD卡模塊和設備接口等電路。

該核心板使用了S5PV210為主控芯片進行設計。它集成了2 個USB2.0接口，一個100M以太網(wǎng)接口，四組UART，一個AC97接口HIFI聲卡。在外設資源方面能夠滿足本設計的要求。

下面主要對硬件電路中的網(wǎng)絡模塊、話音模塊和數(shù)據(jù)通信模塊三個關鍵模塊進行介紹。

3.1 網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器網(wǎng)絡模塊設計

本設計中，網(wǎng)絡模塊電路使用的網(wǎng)絡芯片是DM9000A，網(wǎng)絡變壓器使用的是HS9016。 DM9000A與S5PV210的接線示意圖如圖3.1所示。

圖3.1 DM9000A接線示意圖

3.2 網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器話音模塊設計

本設計的話音模塊主芯片采用的是WM9713，它的主要功能是實現(xiàn)A/D轉換和D/A轉換，由數(shù)字控制盒輸入的話音是雙端信號，而WM9713是單端輸入，所以加入了1：1的音頻變壓器進行信號的轉換。為了防止話音信號的指標變差，在電路設計上采用了模擬地和數(shù)字地分離的方法。圖3.2是音頻接口電路的原理圖。

圖3.2音頻接口電路原理圖

圖3.3網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器與數(shù)字控制盒的數(shù)據(jù)通信模塊設計

3.3與數(shù)字控制盒及數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的數(shù)據(jù)通信模塊設計

為實現(xiàn)本設計與數(shù)字控制盒和摩托羅拉數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的控制命令和數(shù)據(jù)的通信，摩托羅拉數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的數(shù)據(jù)接口是由與其配套的選項板上的RS232提供的。由于數(shù)字控制盒與網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器在使用時放置距離較遠，采用了RS485進行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器與區(qū)長臺的連接很簡單，故連線圖略。網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器與數(shù)字控制盒的數(shù)據(jù)通信模塊設計如圖3.3所示。

4 VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器的軟件設計

以嵌入式Linux為操作平臺，進行驅動程序和應用程序的開發(fā)。

4.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux的開發(fā)包括開發(fā)環(huán)境的搭建（Fedora14、交叉編譯工具arm-linux-gcc）、Linux內(nèi)核的移植、構建根文件系統(tǒng)、設備驅動程序的開發(fā)及應用程序的開發(fā)。主要任務在設備驅動程序的開發(fā)［8］和應用程序的開發(fā)。設備驅動程序主要涉及到字符設備開發(fā)，在網(wǎng)上有很多資料可供參考，此文篇幅有限只對應用程序部分進行介紹。

4.2應用程序的開發(fā)

應用程序部分共七個模塊。完成了從軟件配置、數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)，音頻數(shù)據(jù)的采集，播放等功能。

圖 4.1 應用程序模塊框圖

4.2.1應用程序模塊概述

根據(jù)本設計要完成的功能，應用程序模塊框圖如圖4.1所示。主控模塊負責啟動和維護另外幾個模塊的功能，另外程序中使用了部分Linux開源代碼作為程序的函數(shù)庫（portaudio庫和ortp庫），音頻數(shù)據(jù)的采集播放的相關函數(shù)放于portaudio庫中，音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P函數(shù)放于ortp庫中。下面主要對主控模塊、話音模塊、通信模塊及配置文件讀取模塊作詳細介紹。

4.2.2主控模塊流程

主控模塊起到了組織、管理其它模塊的功能。首先建立程序所需的信號量、然后讀取配置文件，對內(nèi)存變量（如ip地址，串口參數(shù)，采樣參數(shù)）進行設置，并啟動http server線程和串口監(jiān)聽服務線程。

當用戶按下CTRL+C時，程序就會收到信號SIGQUIT，程序就會關閉串口監(jiān)聽服務線和http server線程，退出程序的執(zhí)行。

當程序收到的并非SIGQUIT信號，而是配置信息改動的信號時，程序將會自動重新起動。

4.2.3話音模塊流程

話音模塊主要完成音頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸及播放，其主要工作過程描述如圖圖4.2所示。

圖4.2話音模塊工作進程描述圖

發(fā)送端首先打開默認的錄音設備，按照預設的錄音參數(shù)，開啟錄音過程。錄音開啟后，通過開啟時注冊的錄音回調(diào)函數(shù)，周期性的獲得數(shù)字化后的音頻數(shù)據(jù)，使用RTP協(xié)議對其進行打包封裝，發(fā)送給預設的目標主機。同時，在整個音頻會話過程中，我們還可以周期性的發(fā)送RTCP（發(fā)送）狀態(tài)報告給目標主機，以便在此次會話結束后，統(tǒng)計此次音頻傳輸?shù)馁|量。

接收端主機首先根據(jù)會話開始時接收到的音頻播放參數(shù)打開默認的放音設備，注冊放音回調(diào)函數(shù)。而后當它周期性的從網(wǎng)絡上接收到RTP音頻封包時，先從封包中提取出音頻數(shù)據(jù)，而后直接寫入到放音回調(diào)緩存中，從而播放出聲音。同時在整個音頻會話過程中，我們還可以周期性的發(fā)送RTCP（接收）狀態(tài)報考給源主機，以便在此次會話結束后，統(tǒng)計此次音頻傳輸?shù)馁|量。

4.2.4通信模塊流程

通信模塊主要完成串口指令數(shù)據(jù)的接收、傳輸、寫入，其主要工作過程描述如下：

（1） 根據(jù)預設的串口名稱、波特率打開串口及串口監(jiān)聽服務程序。

（2） 監(jiān)聽串口指令數(shù)據(jù)。

（3） 獲取到一條合法的串口指令數(shù)據(jù)后，如果是話音指令，則交給“話音模塊”處理；如果是普通指令，則封裝HTTP POST報文，發(fā)送給預設的目標主機并等待響應回復。

（4）目標主機收到HTTP POST請求后，解析指令，如果是話音指令，則交給“話音模塊”處理；如果是普通指令，則寫入本地已打開的串口，并發(fā)送響應回復。

（5） 當接收到程序退出信號后，關閉串口監(jiān)聽服務程序，并關閉已打開的串口。

4.2.5配置文件讀取模塊

為了設置和調(diào)試的便利，在程序中編寫了配置文件，可以對網(wǎng)絡語音數(shù)據(jù)轉發(fā)器的本機和遠端IP地址進行設置，數(shù)據(jù)收發(fā)延時時間進行設定。

5 系統(tǒng)功能測試

當VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器的軟硬件設計完成后，需要將轉發(fā)器接入系統(tǒng)中，根據(jù)功能要求進行測試，找出設計不足進行改進。

5.1 測試環(huán)境搭建

測試中用到的主要設備有數(shù)字控制盒一個，摩托羅拉數(shù)字區(qū)長一臺，VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器兩臺， 摩托羅拉數(shù)字手持臺一臺，路由器一臺（帶RG-45網(wǎng)口），網(wǎng)線兩根，另配數(shù)字控制盒連接線和數(shù)字區(qū)長連接線各一根，通過VoIP網(wǎng)絡數(shù)字語音轉發(fā)器分別將數(shù)字控制盒和數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺接入網(wǎng)絡。

連接前摩托羅拉數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺和摩托羅拉數(shù)字手持臺都必須通過摩托羅拉公司提供的寫頻軟件對其進行設置，添加要使用的數(shù)字信道，并保證數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺和數(shù)字手持臺頻點的一致性。

5.2 主要功能測試

控制信令數(shù)據(jù)傳輸測試。通過數(shù)字控制盒的數(shù)字按鍵發(fā)送切換信道命令，如果摩托羅拉數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的LCD屏幕顯示的當前信道號與所按下的數(shù)字鍵一致，說明信令數(shù)據(jù)傳輸成功。

發(fā)送語音功能測試。拿起數(shù)字控制盒手柄，按下PTT按鍵，對著話筒說話，如果數(shù)字對講機可以接收到話音，說明語音語音可以從數(shù)字控制盒端通過網(wǎng)絡傳送到數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺一端，發(fā)送語音功能工作正常。

接收語音功能測試。按下數(shù)字手持臺的PTT按鍵，并對著MIC講話，如果數(shù)字控制盒有講話音，說明語音可以從數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺一端通過網(wǎng)絡傳送到數(shù)字控制盒端，接收語音功能工作正常。

6 結論

VoIP適用于基于IP網(wǎng)絡的語音通信，結合Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢提出了VoIP網(wǎng)絡語音數(shù)字轉發(fā)器的軟硬件實現(xiàn)，通過此設備將數(shù)字控制盒與數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺分別接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)了通過數(shù)字控制盒遠程控制數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的目的。為區(qū)長室集中優(yōu)化中的數(shù)字調(diào)車區(qū)長臺的升級改造提出了可行方案。本文下一步工作研究如何消除系統(tǒng)通話過程中的背景音，提高用戶體驗。本文對數(shù)字調(diào)車區(qū)長的遠程操作提出了解決方案是值得推廣的。

［1］王本良VoIP技術現(xiàn)狀及發(fā)展分析《商業(yè)現(xiàn)代化》，2005年第5期

［2］三星 S5PV210［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/ view/8123492.htm

［3］嵌式入 linux［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/ view/1195294.htm

［4］ REAL210 LINUX用戶手冊.廣州華天正科技有限公司.2011

［5］袁安富. 夏生鳳.基于ARM和Linux的DM9000網(wǎng)絡接口設計及驅動實現(xiàn)［J］.計算機工程與科學.2011，33（2）

［6］WM9713L-AC97 Audio+TouchpanelCODEC.Wolfson Microelectronics plc.2004.1～14

［7］ADM3488 Datasheet.ADCorp.1994.1～15

［8］曹忠明程姚根編著《從實踐中學嵌入式Linux操作系統(tǒng)》北京電子工業(yè)出版社 2012年

［9］陳剛馮利美編著《從實踐中學嵌入式Linux應用程序開發(fā)》北京電子工業(yè)出版社 2012年

［10］oRTP：A Real-time Transport Protlcol stack［J］. http：//www.linephone.org

張振國，1977-，男，北方工業(yè)大學，在讀工程碩士研究生，主要研究方向：嵌入式計算機、鐵路平面調(diào)車、智能卡、物聯(lián)網(wǎng)。劉紅，1967-，女，北方工業(yè)大學電子信息工程學院，副教授、主要研究方向：信號分析、信息處理、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、基于Web的大型系統(tǒng)開發(fā)、計算機應用技術。