以CH563為核心的以太網語音通信終端設計

孟衛剛，馮慶

(西安飛行學院，西安 710306)

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以CH563為核心的以太網語音通信終端設計

孟衛剛，馮慶

(西安飛行學院，西安 710306)

介紹了以嵌入式處理器CH563為核心，采用VS1053對語音信號進行壓縮/解壓縮處理，通過以太網進行數據交換的設計方案。在系統硬件設計方面，主要介紹了CH563與VS1053的性能參數及兩者接口電路設計。在軟件設計方面，主要介紹了以太網協議程序設計以及VS1053的操作方法，并給出具體的操作程序。最后介紹了該方案的優勢，給出其在相關應用領域的研究方向。

CH563;VS1053;以太網;語音通信

引　言

傳統的采用音頻矩陣進行語音通信時，由于采用的是模擬信號，因此長距離傳輸易被干擾且衰減嚴重，話音品質變差。隨著通信技術和網絡的快速發展，越來越多的用戶采用IP網絡進行語音通信，由于采用交換機進行數據交換，因此可靈活擴展且話音品質好。

目前實現網絡語音通話的方案主要有兩種：

① 基于計算機軟件編程實現,缺點是設備笨重、不便于移動、操作繁瑣且成本高。

② 基于語音解壓縮芯片+處理器+以太網芯片硬件編程實現，由于這種方案采用的處理器未集成以太網收發器(PHY)，因此需要外置的以太網收發芯片，導致電路體積大、不利于小型化，且需要單獨開發網絡協議部分，因此成本高、實現難度較大。

基于CH563的以太網語音通信終端采用內置以太網收發器(PHY)的新型嵌入式處理器CH563，通過對音頻解壓縮芯片VS1053數據進行收發、處理，實現終端的語音通信功能。方案框圖如圖1所示。

圖1　語音通信終端原理框圖

1　系統硬件設計

1.1主芯片簡介

CH563 是南京沁恒股份有限公司推出的一款ARM9內核的32位RISC精簡指令集CPU，指令集兼容ARMv5TE,支持16位Thumb指令和增強DSP指令。默認系統主頻為100 MHz，最高可達130 MHz。高度集成的外設以及高性能，使其可以廣泛地應用于各種嵌入式應用。

CH563的外設組件包含480 KB的Flash閃存、128 KB可動態分配的SRAM、28 KB的EEPROM、百兆以太網、高速/全速USB主機/從機接口、2個SPI接口、2個UART接口、3通道10位ADC、4個通用定時器、8位被動并行接口、8/16/32位Intel時序的總線接口、在系統編程ISP接口和多達74個通用I/O引腳。

VS1053是荷蘭VLSI公司出品的一款高性能解碼芯片。該芯片可以實現MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音頻格式的解碼，同時還可以支持ADPCM/OGG等格式的編碼。其內部主要由一個高性能的DSP處理器內核、16 KB的指令RAM、0.5 KB的數據RAM、8個可用的通用I/O口和一個串口組成。此外，芯片內部還帶有一個可變采樣率的立體聲ADC(支持咪頭、左右雙聲道)、一個高性能立體聲DAC及音頻耳機放大器。

本設計方案主要用到了CH563的以太網收發器(PHY)、1個SPI接口資源。

1.2CH563與VS1053接口設計

CH563與VS1053之間是通過SPI接口進行數據交互的，具體接口電路如圖2所示。

圖2　CH563與VS1053接口電路

其中VS_RST為VS1053復位端，低電平觸發；VS_DREQ為狀態輸出，高電平觸發，表示允許寫入控制指令或音頻數據；VS_XDCS為VS1053數據接口(SPI)開關，高電平關閉數據接口，低電平打開數據接口；VS_SCLK為SPI接口時鐘；VS_MOSI為SPI接口數據輸入；VS_MISO為SPI接口數據輸出。

2　系統軟件設計

2.1以太網協議

以太網協議是在CH563官方提供的庫“CH563NET.LIB”基礎上進行二次開發的。該動態庫提供了 TCP/IP 子程序庫，集成了 TCP、UDP、ICMP、ARP、RARP、ICMP、IGMP 等以太網協議棧,其可以同時支持 TCP、UDP和IPRAW三種模式，最大支持31個Socket及時通信。本設計采用UDP模式，這里給出以太網初始化及UDP Socket的創建程序。

UINT8 MACAddr[6] ={0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x03};/*CH563 MAC*/

UINT8 IPAddr[4]= {192,168,1,23};

/*CH563 IP地址*/

UINT8 GWIPAddr[4]= {192,168,1,1};

/*CH563 網關*/

UINT8 IPMask[4]= {255,255,255,0};

/*CH563 子網掩碼*/

struct _CH563_CFG cfg;

/*cfg為內存分配實例*/

CH563NETConfig = LIB_CFG_VALUE;

/*將配置信息傳遞給庫變量*/

cfg.RxBufSize = RX_BUF_SIZE;

/*MAC接收緩沖區大小*/

cfg.TCPMss = CH563NET_TCP_MSS;

/*TCP MSS大小*/

cfg.HeapSize = CH563_MEM_HEAP_SIZE;

/*堆分配內存大小 */

cfg.ARPTableNum = CH563NET_NUM_ARP_TABLE;

/*ARP列表個數*/

cfg.MiscConfig0 = CH563NET_MISC_CONFIG0;

/*其他雜項配置*/

CH563NET_ConfigLIB(&cfg);

/*配置庫*/

CH563NET_Init(ip,gwip,mask,macaddr);

/*初始化網絡參數*/

CH563NET_DHCPStart(CH563NET_DHCPCallBack);

/*啟動DHCP*/

CH563NET_CreatUdpSocket();

/*創建UDP socket并啟動 */

其中CH563NET_DHCPStart(CH563NET_DHCPCallBack)用于支持DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議)，不需要時，可直接屏蔽。

2.2解壓縮芯片VS1053操作程序

在對VS1053操作前，首先通過VS_1053Init ()方法對其進行初始化，主要完成SPI接口控制字配置。由于VS1053壓縮與解壓縮不能同時進行，因此芯片工作分兩種模式。

(1) 解壓縮模式

該模式用于對從網絡接收到的壓縮音頻數據流進行解壓縮處理，經內部D/A轉換、功率放大后，還原出聲音。這里給出解壓縮模式配置程序：

VS_WR_Cmd(SPI_AICTRL0,48000);

/*設置采樣率,設置為48 kHz */

Delay_us( 3000);

VS_WR_Cmd(SPI_AICTRL1,1024);

/*設置增益, 1024相當于1倍*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_AICTRL2,0);

/*設置增益最大值,0代表最大值*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_AICTRL3,2);

/*聲道設置，2表示雙聲道*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_CLOCKF,0XF800);

/*設置VS1053 時鐘*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_MODE,0x1804);

/*MIC,錄音激活*/

Config_1063_Duplex_Mode();/*配置解碼數據頭，只有與配置相同格式的壓縮數據流才能正確解碼*/

(2) 壓縮模式

該模式對輸入的Mic或音頻模擬信號，經內部低噪聲放大、A/D轉換采集后，進行壓縮處理，從而形成壓縮過的音頻數據流。這里給出壓縮模式配置程序如下：

VS_WR_Cmd(SPI_CLOCKF, 0XF800);

/*設置VS1053時鐘*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_AUDATA, 48000);

/*解碼率48 kbps*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd(SPI_VOL, 0);

/*VS1053音量設置，0表示最大*/

Delay_us( 3000 );

VS_WR_Cmd( SPI_MODE,0x080c);

/*進入VS1053的播放模式*/

Delay_us( 3000 );

Config_1063_Duplex_Mode();/*配置解碼數據頭，只有與配置相同格式的壓縮數據流才能正確解碼 */

while(DREQ == 0);/*等待DREQ為高，表示能夠接受音樂數據輸入*/

其中Config_1063_Duplex_Mode()方法用于配置數據流的文件頭格式，包括數據流文件格式、長度、模式等信息，因此必須保持配置格式一致，雙方才能正常進行語音通信。如果配置不一致，則解壓縮會出錯，從而導致噪音或者靜音出現。

上述兩種模式可通過收、發轉換按鍵進行相互轉換。

結　語

通過與模擬語音通信比較，本設計方案主要具有以下優勢：

① 不易受干擾、衰減小、話音品質高。② 能在現有以太網基礎上直接應用，減少了布線環節，節約成本，便于維護。③ 硬件采用CH563處理器，內部集成以太網收發器，降低了電路體積和復雜性，易于小型化。④ 軟件上基于靜態庫開發，降低了開發難度，縮短開發周期，節約人力成本。

該設計方案已產品化，成功應用于樓宇語音通信系統，圖3為該語音終端內部電路板。

圖3　語音終端內部電路板

參考方案可對嵌入式Web、全雙工語音通信及TCP協議方面的應用做進一步研究。

[1] 江蘇沁恒股份有限公司.CH563中文手冊V1.02[EB/0L].(2014-07)[2016-03].http://wch.cn.

[2] VLSI.VS1053b Datasheet Version 0.5[EB/OL].(2014-07)[2016-03].http://www.vlsi.fi.

[3] G.赫爾德.以太網 [M].3版.戴志濤，鄭巖譯.北京:人民郵電出版社,1999:275-314．

[4] ALIENTEK.ATK-VS1053 MP3模塊用戶手冊V1.00[EB/OL]. (2014-07)[2016-03].http://wenku.baidu.com.

孟衛剛(助理工程師),主要從事模擬器硬件電路設計、通信設備研發工作。

Design of Voice Communication Terminal Based on CH563 Ethernet

Meng Weigang,Feng Qing

(Xi'an Flight Academy,Xi'an 710306,China)

In this paper,the design scheme of data exchange through the ethernet is introduced.The CH563 is used as the core of the embedded processor,the VS1053 is used to compress and extract the speechsignal.In the hardware design,the performance parameters of CH563 and VS1053 and the design of the interface circuits are introduced.the design of ethernet protocol and the operation method of VS1053 are introduced.Finally,the advantages of the proposed scheme are introduced,and the research direction of the proposed scheme is given.

CH563;VS1053;ethernet；voice communication

TN913.24

A

(責任編輯：楊迪娜2016-03-10)