基于CTI技術的綜合實訓平臺研制與應用

李世寶, 潘荔霞, 鄧云強, 劉建航

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 山東 青島 266580)

基于CTI技術的綜合實訓平臺研制與應用

李世寶, 潘荔霞, 鄧云強, 劉建航

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 山東 青島 266580)

計算機電信集成(CTI)技術是計算機、電子和通信等學科領域的交叉融合，非常適合用于實習實訓環節，但現有的CTI實驗方案存在硬件資源不開放、二次開發功能弱的缺點。針對這一問題，提出了一種以DSP為核心的硬件語音處理模塊設計思路，并結合計算機端的軟件單元，組成完整的CTI解決方案。其特點是全面開放的硬件資源和軟件接口，具備強大、靈活的二次開發功能。可以實現電信類、語音信號處理類和創新性實驗，適合課程設計、暑期實習、畢業設計等環節，有利于培養學生的軟硬件綜合開發能力以及創新思維和創新能力。

實訓平臺; 計算機電信集成; 語音處理; 增值業務

0 引 言

“計算機電信集成”(Computer Telecommunication Integration,CTI)技術，是計算機、通信和電子技術的相互交叉的一個領域[1-3]，以CTI領域的呼叫中心為例，其設計到的知識包括語音處理、電路設計、數據庫、通信信令、交換技術等，非常適合作為培養學生綜合能力的實驗實踐項目。當前的工程教育認證對于培養學生分析、解決復雜問題的綜合能力有明確的要求，而通信、電子和計算機技術的交叉、滲透和深度融合已經成為行業發展的新趨勢[4-6]，因此在教學實踐中需要設置綜合的實驗項目、配套相應的實驗平臺，以滿足行業對于學生的軟硬件綜合開發能力的要求。

目前已經有一些將CIT技術應用于高校實驗教學中的嘗試和探索，主要分為以下幾種模式，① 語音卡方式[7]，按照系統集成的方式購置語音處理板卡，插入計算機中的總線插槽，通過調用廠商提供的API接口函數，完成語音業務的呼入呼出[8]。成本較高，底層硬件資源不開放，只能幫助理解程控交換的流程，鍛煉軟件開發能力，無法進行語音信號處理方面的實驗。② USB語音模塊方式，通過USB接口連接計算機，語音處理模塊只是簡單的語音編解碼，通信信令信息交給計算機軟件處理。價格低，但穩定性較差，不具備數字信號處理的二次開發能力。③ IP電話方式[9]，直接在計算機中開發軟IP電話，可以作為計算機網絡的綜合實驗項目，不具備硬件設計和數字信號處理的功能。

針對現有CTI實驗平臺的不足，本文以TI公司54X系列DSP為核心，以以太網為接口，設計了一個語音處理模塊，與計算機配合組建CTI實訓平臺，可以實現通信信令、交換原理等通信類實驗，并可以在板載DSP中進行語音信號處理的二次開發，還可以在計算機中完成軟件開發、程序設計類的實驗。非常適合課程設計、暑期實習、畢業設計等環節，培養學生的軟硬件綜合開發能力。

1 系統整體架構

該實驗平臺主要包括硬件電路和軟件控制兩部分，完成語音信號的A/D轉換、PCM編碼、UDP編碼以及發送、PC機本地存儲的過程。其組成結構如圖1所示。

圖1 實驗平臺架構

用戶電話機作為拾音設備負責將聲音信號轉換為電信號，同時為用戶接口提供語音數據，其摘掛機以及待機等狀態的供電由語音處理模塊的Si3210接口芯片[10]實現，數字語音信號主要在DSP芯片中進行處理，然后通過以太網控制接口連接計算機，部署在計算機中的軟件部分提供豐富的二次開發接口，用于完成各種增值業務、軟交換等項目。通過與軟交換服務器的連接可以完成電話的呼入呼出。

不難看出，本實驗平臺的主體部分是用于處理電話終端語音信號的語音處理模塊和計算機中的軟件模塊。

2 硬件電路設計

該系統硬件部分以DSP數字信號處理器為核心，包括核心板模塊、用戶接口模塊、以太網通信模塊以及PC模塊、軟交換服務器等。硬件部分的設計不僅要考慮到各個功能模塊的選用以及模塊之間的搭配，同時還要遵循合理的布局布線規則，進行PCB制版以及調試，以保證設計的硬件電路符合預期效果。為了將電話機受話器接收到的語音信號轉換成為數字信號，并通過以太網傳送給PC機，采用了德州儀器公司生產的TMS320C5416芯片作為硬件邏輯的核心[11-12]，借助其專用的乘法器和快速指令周期實現對模擬電話接口、以太網控制器等外設的實時控制以及對語音信號的快速處理，其組成如圖2所示。

圖2 硬件電路組成

(1) 核心板模塊。核心板是整個系統硬件邏輯的中心，同時也是實驗平臺的核心電路，其作用是保障DSP處理器穩定的工作環境以及通信線路的邏輯準確性。該模塊采用了一塊高性能的數字信號處理器芯片，它所采用的哈佛體系結構將數據和邏輯代碼分開進行存儲，同時得益于其獨特的硬件乘法器部件，可以快速處理復雜的數字信號變換以及編解碼過程，具有優秀處理器的方便靈活通用等特點。

核心板的電源部分采用獨立供電機制。外圍數字時鐘與A/D轉換等與核心處理邏輯采用不同的供電電壓與電源，既最大限度地降低了系統功耗，同時又保證了較高的工作穩定性。

為了實現平臺的快速調試與功能驗證，核心板同時預留了JTAG模塊[13]，借助其邊界掃描技術，可以實現對芯片寄存器的快速訪問，便于核心板與邏輯代碼開發者在線互連，提高模塊調試效率。同時為了方便在調試過程中查看芯片內部數據以及實現用戶與芯片參數的交互，核心板模塊還增加了備用的外設接口，如Mini 液晶顯示器、鍵盤接口等。

DSP處理器與外設模塊交互采用多種連接方式并存的策略，對于用戶線路與處理器的接口SI3210，采用高速SPI總線，可以通過4根連接線實現全雙工同步通信，保證語音數據的實時性；對于以太網控制器，其與DSP芯片的連接采用數據線與地址線分開的方式，為大量數據的轉發傳送提供了條件。

(2) 用戶接口模塊。用戶接口模塊指的是用戶語音與DSP處理器的接口，該接口模塊要完成DC-DC轉換，DTMF雙音多頻信號產生，PCM語音編碼，PCI總線數據通信等功能，確保電話機工作正常，同時可以及時將用戶摘機、掛機、通話等過程通知處理器。為了實現用戶接口模塊與DSP處理器之間的高速全雙工通信，該系統采用了SPI接口進行兩者之間的數據互聯。SPI數據接口連接關系如圖3所示。

圖3 SPI接口示意圖

DC-DC轉換為電話機提供在待機狀態的電壓，以及振鈴饋電電壓等，維持電話機的正常工作，其電壓不連續變換范圍要求從-48～90 V，才能保證用戶取得較高的通話質量；DTMF雙音多頻信號包括4個頻率的高頻群和4個頻率的低頻群，作為一種信令信息發送電話呼號；語音編碼(Pulse Code Modulation，PCM)過程通過抽樣、量化、編碼按照奈奎斯特定理將模擬的語音信號轉換為數字信號；數據通信過程負責協調外部中斷與數據采集功能，輔助DSP處理器芯片完成對編碼后的數據的采集。

該模塊采用SiLab的一款Si3210轉換芯片實現以上功能，其供電電壓為3.3 V或5.0 V，是一種基于CMOS工藝的用戶接口芯片，符合RoHS規范，具有簡單高效的特點。

(3) 以太網控制模塊。以太網控制模塊是實驗平臺與以太網連接的轉換接口，負責將DSP處理過后的數字語音數據發送給以太網，該部分功能采用CS8900A芯片實現，其與DSP處理器的連接關系如圖4所示。

圖4 CS9800A的驅動方式

CS8900A是一款應用在局域網中的信號處理與接口芯片，它的邏輯工作模式按照IEEE802.3標準，并且支持全雙工工作模式。該芯片的主要功能是進行本地數據與以太網數據的交互，將需要發送的數據幀打包成符合以太網傳輸協議的數據包，并在合適的時機發送出去。其沖突檢測機制還可以對網絡狀況進行實時監測，如果檢測到網絡中存在數據沖突，它還可以實現自動數據重傳，避免數據丟失。

CS8900A與DSP芯片相互配合即可實現對話音信號的傳送，其工作流程如下：CS8900A監測網絡狀態，以及DSP數據源狀態，如果收到由DSP發來的數據，則對網絡狀態進行判斷，等到網絡空閑時立即按照既定的格式向網絡發送數據。發送過程中還要為數據增加以太網幀頭部，并生成CRC校驗碼供接收端進行完整性以及準確性驗證。如果接收到從網絡發送來的數據，該芯片會自動對數據包進行解碼、去幀頭、校驗等操作，并通知DSP處理器芯片，將數據發送出去。

3 軟件設計

該系統的實現借助的是CTI，其目的是將傳統的電信技術融入到現代計算機網絡中，能夠自動地進行電信信令的識別與處理，并通過互聯網建立網絡連接，從而向用戶傳送語音文件等，主要分為3個模塊。首先，用戶接口部分對用戶端的電話機提供BORSCHT七項功能(Battery feeding,Over voltage protection,Ringing control,Supervision,CODEC &filter,Hybird Circuit,Test)，為電話機提供正常的工作環境，獲取電話機拾音器收到的語音信號，其次要通過以太網控制器將PCM編碼的話音數據發送到以太網，最后階段PC機接收PCM編碼的語音包信號，并進行存儲、播放以及錄音等工作。這3個模塊的協調工作依靠DSP處理器進行控制，既能保證系統的實時性，又可以通過軟件對系統進行調節。

3.1前端接口模塊

作為該系統的前端，電話機的狀態直接影響著系統后端的動作，因此需要可靠的監控機制保證系統可以實時了解電話機的狀態。前端用戶接口模塊采用了一塊Si3210芯片實現對用戶摘掛機檢測以及忙音產生等工作，其軟件配置流程如下:

(1) DSP系統初始化；

(2) 用戶接口模塊Si3210初始化；

(3) 用戶摘機檢測(待機)；

(4) 如果用戶摘機，發送回鈴音，進入下一步驟，否則返回步驟(3)；

(5) 用戶按鍵檢測與話音拾取；

(6) 用戶掛機檢測，如果用戶掛機，則返回步驟(3)，否則返回步驟(5)。

其中，在DSP系統初始化中主要完成整個系統的初始設定，包括DSP芯片工作模式設置，定時器、看門狗、中斷等的工作方式設置。其中DSP的多通道同步緩沖串口McBSP0被初始化成SPI工作模式，保證DSP與外設的正常通信。表1所示為用戶接口模塊說明。

表1 用戶接口模塊函數說明

用戶接口模塊的初始化主要完成對Si3210芯片的初始化配置，使其可以對電話機進行饋電等功能，同時協助DSP芯片完成摘掛機檢測以及數據傳送等工作。其摘掛機檢測是通過檢測回路電壓以及電流實現的。DSP芯片在對用戶接口模塊進行初始化時首先通過讀取Si3210芯片的寄存器缺省值來確定其與Si3210芯片的正常通信，然后設置Si3210工作在正常模式，接下來在掛機狀態下進行DC-DC校準，檢測轉換器的輸出電壓值VBAT是否正常，準備進行摘機檢測。若OFF-hock函數檢測到用戶摘機則系統執行busy-tone函數發送忙音。

在步驟(5)中，系統要完成用戶按鍵檢測以及語音轉換工作。用戶按鍵產生的雙音多頻信號將會通過用戶接口模塊送到DSP芯片進行識別；用戶按鍵結束以后啟動話音拾取進程，將模擬語音信號進行抽樣量化編碼，以PCM編碼的形式發送出去。

3.2以太網控制與數據發送

為實現以太網網絡通信，該系統采用了一種嵌入式TCP/IP協議方案。由于DSP芯片處理能力受限于時鐘頻率、功耗等因素，故網絡協議根據嵌入式應用進行了裁剪。該方案的設計中實現了ARP、IP、UDP等部分協議，既實現了DSP系統與PC的通信，又不會占用過多的系統資源。下面從以太網的發送、接收以及TCP/IP協議3個方面介紹以太網數據傳送的軟件設計方案。

(1) 數據發送。當用戶向以太網發送數據時，需要提前知道目標主機的MAC地址，因此需要利用已知的IP地址向網絡廣播ARP數據包，直到可以利用收到的ARP響應包數據分析出目標主機的MAC地址，置位ARP響應成功標志ARP_Answer_Successful_Flag，再通過Prepare_UDP_Fra-me()函數將需要發送的數據封裝成UDP包，向網絡發送該數據包10次，以太網數據發送成功完成。

(2) 數據接收。對于掛接在以太網上的主機來說，當網絡上有數據包傳送時，會觸發數據接收中斷，進入中斷服務程序，進行數據接收。中斷服務程序需要根據接收到的數據幀的目標地址來識別它是廣播包還是單播包，然后調用函數ProcessEthBroadcastFra-me()和ProcessEthIAFrame()來處理收到的數據幀。如果收到的是ARP廣播包，則將自己的MAC地址封裝成ARPAnswer包發送到以太網；如果收到的是單播包，首先檢查是否是ARP請求返回的響應包，如果是，就可以從中提取對方的MAC地址，保存起來，并置位ARPAnswerSuccessFlag；如果接收到是的IP類型的數據幀，需要根據協議的不同判斷是ICMP包還是UDP包，分別調用ProcessICMPFrame()和ProcessUDPFra-me()處理。若是ICMP，判斷若是Echo包，則調用Prepare_ICMP_Answer()函數給與響應；若是UDP包則判斷端口號對應再保存UDP幀。

(3) TCP/IP協議的實現。當RTL8019AS從網絡上接收到數據幀以后，會自動對其緩沖區內的這些數據進行檢測，確定數據的完整性以及正確性。如果接收到的數據不能通過校驗，則舍棄該數據分組。下面分3層分別對TCP/IP協議每層的作用機制進行介紹(見圖5)。

圖5 嵌入式TCP/IP協議

① 物理層。對于處在網絡物理層的RTL8019AS芯片來說，對它的控制歸根結底就是對它的寄存器進行控制,因此，在該部分中主要進行網絡控制寄存器的復位，以及相關寄存器初始化的工作，以設置該芯片的工作方式、中斷模式以及DMA工作方式等。

② 網絡層。主要實現IP協議和ARP協議。當DSP接受到正確的數據包以后,首先對其類型進行初步判斷，區分其是ARP請求還是ARP應答。對于ARP請求，則應當回復ARP應答；對于ARP應答，則應當在ARP緩存中放入發送方的IP地址和硬件地址。網絡層的另外一個功能是處理來自傳輸層的數據，為它們加上IP包頭以及協議類型、校驗和等，并交由下層傳送。在DSP中,不支持IP數據包分段。

③ 傳輸層。UDP協議是一種面向無連接的協議。該部分實現對輸入包的處理,對輸入包的端口號以及校驗和進行判斷，如果這些處理結果正確，則將數據交由上層的應用程序，否則丟棄該數據包。當傳輸層收到來自上層應用程序的數據包時，應當設置數據包的源以及目的端口號，傳送給IP層進行傳送。

3.3PC端程序設計

為實現該系統與PC的通信，在PC利用MFC[14]編寫一個程序，作為與DSP通信的接收端。程序中編寫兩個繼承Socket的兩個類Cping和CUDP分別實現兩大功能：① 測試DSP的ICMP協議即實現Ping功能；② 與DSP通過UDP通信。

Cping類主要功能是發送Ping命令到DSP，并且解析返回的數據，在界面上顯示響應數據。根據ICMP的幀格式建立對應的結構體。Cping的應用在Ping按鈕的OnPing()事件中，OnPing觸發時，獲取目標地址，調用SendEchoRequest()構造請求并發送到目標地址，然后WaitForEchoReply()等待響應，由RecvEchoRe-ply()接收數據進行分析，處理完成后再界面的列表框中顯示結果。

CUDP類的主要功能是接受DSP發來的UDP數據進行解析，也能夠將數據以UDP的形式發送到DSP上。在CUDP類中添加了一個事件OnReceive()用來進行數據的接受，在這個事件觸發時啟動定時器，每10 ms調用RxData()函數將接收的數據和長度顯示到界面上。在‘發送’按鈕被觸發時，會執行OnbtnSendData()，獲得編輯框中的數據，然后調用socket父類中的Sendto函數將數據以UDP形式發送到DSP端。

4 CIT實訓平臺的應用

本實訓平臺的語音處理模塊和服務器端軟件都具備完善的二次開發接口，板載的DSP和服務器端的信令解析、上層協議和增值業務開發都可以開設大量的實驗實踐項目。

4.1電信類實驗

綜合類實驗指的是該實驗平臺與已有實驗系統結合可以完成常規的無線通信相關各類實驗，同時結合無人機具備的機動性優勢，可以完成許多年傳統實驗平臺不支持的通信系統實驗項目。

電信增值業務是學生平常接觸最多、最熟悉的內容，例如語音信箱、自動應答、呼叫中心等，將增值業務作為實驗實踐項目入門門檻低、業務邏輯容易理解，不需要深刻的理論基礎，非常適合面向大一大二的實踐環節，同時又能激發以后學習的興趣。

筆者所在學校通信工程專業大一夏季小學期的“程序設計實習”課程中，設置了電信增值業務開發類項目，包括10086呼叫中心、學生成績語音查詢、點歌臺、語音信箱等。設置在大一結束后的夏季小學期中，主要考慮到此時學生已經學習了C語言、C++和通信概論等課程，具備了一定的專業知識和程序開發能力，迫切想找到一個較為綜合的項目來實戰。而以電信增值業務作為實習項目，既避免了很深的理論，又不只是課后題式簡單練習，深層次的語音信號處理等封裝在API中，學生在具備簡單的通信概論的基礎上，可以專注于軟件開發。一方面培養學生分析問題、解決問題的能力，同時也激發了學生對于數字信號處理和通信網絡理論的學習熱情。圖6所示為學生實現的10086系統流程和界面。

圖6 10086系統界面

4.2語音信號處理實驗

語音信號處理在數據傳輸、人機交互等領域有著廣泛應用，越來越受到關注。本實驗平臺中的語音處理實驗主要在板載DSP中完成，并可以結合到整個CTI通信系統中聯調、驗證。主要包含以下幾類實驗：① 語音基礎信號分析，例如時域分析、頻域分析、線性預測、矢量量化等。② 語音信號在通信中的應用，例如語音端點檢測、共振峰檢測、波形編碼、參量編碼、混合編碼等。③ 語音信號高級處理技術，例如語音識別、說話人識別、盲源分離等。如圖7所示為語音端點檢測效果圖。

(a) “00.wav”語音信號

(b) 短時過零率

(c) 短時能量

4.3綜合性、創新性實驗

依托該平臺的軟硬件資源，在科技競賽、大學生創新創業訓練計劃等環節可以實現許多有趣的實踐項目。① 基于開放的平臺硬件資源，可以為嵌入式相關課程提供操作平臺，同時也可以為與無線通信相關實驗融合，用于綜合性的課程設計，幫助學生實現系統性的功能開發，鍛煉學生的綜合設計開發能力。② 基于平臺軟件資源可以發揮學生的想象力，設計開發綜合應用項目，例如圖8所示為學生設計開發的110接處警系統。也可用于難度較大的復雜算法設計，例如呼叫中心系統中排隊調度算法[15-16]的實現等。

(a) 接警處警功能

(b) 查詢回看功能

5 結 語

將CTI技術用于IT相關學科的實驗實踐教學，可以開設融合通信、電子和計算機技術的綜合性、設計性的實驗實踐項目，以鍛煉學生解決復雜問題的綜合能力。本文以DSP為核心研制的語音處理硬件模塊與計算機端的軟件相配合，可以實現電信類、語音信號處理類和創新性實驗，彌補了現有CTI實驗方案的缺點，非常適合課程設計、暑期實習、畢業設計等實踐環節，培養學生的軟硬件綜合開發能力。同時全面開放的接口和靈活自由的二次開發功能，非常有利于培養學生的創新思維和創新能力。

[1] 張云帆, 徐雅斌. 基于CTI技術的呼叫中心設計與實現[J]. 遼寧工業大學學報(自然科學版), 2006, 26(1):7-9.

[2] 張文濤, 雙 鍇, 陳 平,等. 基于MapReduce方法的分布式CTI系統[J]. 北京郵電大學學報, 2016(s1):32-36.

[3] 胡 飛, 龔偉杰, 龍慶麟. CTI技術在社會聯動系統中的應用及實現[J]. 華中科技大學學報自然科學版, 2003(s1):369-371.

[4] 李丫丫, 趙玉林. 戰略性新興產業融合發展機理——基于全球生物芯片產業的分析[J]. 宏觀經濟研究, 2015(11):30-38.

[5] 畢 晶, 鄭 猛. ICT產業發展及其影響因素研究——以拉美33國為例[J]. 國際經濟合作, 2016(3):52-59.

[6] PAN Yu, Maurizio Dècina. ICT industry convergence [J]. China Communications, 2013(12):1-2.

[7] 蔡麗萍, 洪 利. 基于語音卡的電話交換教學實驗系統設計[J]. 實驗室研究與探索, 2007, 26(12):79-80.

[8] 任淑霞, 趙 政. 基于多通道語音卡的招投標專家系統[J]. 計算機工程, 2010, 36(5):266-268.

[9] 涂繼輝, 佘新平, 陳永軍. 軟交換實驗平臺中 SIP協議分析軟件的設計與實現[J]. 實驗技術與管理, 2013(8):105-108.

[10] 王小利. 基于VOIP的數字對講系統設計[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(8):79-81.

[11] 李軍科, 吳建軍, 楊國華. DSC平臺上創新實驗室項目設計[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(8):197-200.

[12] 黃 冰, 楊召青, 呂治國. 基于TMS320C5416的G.729語音編解碼算法的優化和實現[J]. 電子技術應用, 2008, 34(7):55-58.

[13] 楊 誠, 張 春. 高速JTAG在線調試系統的設計[J]. 微電子學, 2014(2): 214-217.

[14] 侯俊杰. 深入淺出MFC[M].2版．武漢：華中科技大學出版社, 2001．

[15] 夏正洪, 潘衛軍. 呼叫中心智能排班系統關鍵技術[J]. 計算機工程與設計, 2015(5):1332-1336.

[16] 宋加山, 李 勇, 黃 亭. 排隊論模型在排班管理系統的最優控制[J]. 統計與決策, 2015(19):179-181.

DevelopmentandApplicationofIntegratedTrainingPlatformBasedonCTITechnology

LIShibao,PANLixia,DENGYunqiang,LIUJianhang

(School of Computer and Communication Engineering, China University of Petroleum, Qindao 266580, Shandong, China)

computer telecommunication integration(CTI) technology is the integration of computer science, electron and communications discipline, and is suitable for practice training. However, the present CTI experimental scheme does not have open interface and is weak in secondary development. To solve this problem, we proposed a combination of hardware and software voice processing platform based on DSP processor, which has full open access to hardware and software interface, and is suitable for secondary development. Moreover, this platform is suitable for telecommunication, voice signal processing and innovative experiments, hence it is useful in course design, summer internship and graduation design, for the development of students’ innovation ability and engineering capability.

training platform; computer telecommunication integration(CTI); voice processing; value-added service

TP 202；G 482

A

1006-7167(2017)09-0117-06

2016-11-11

全國工程專業學位研究生教育2016～2017年度自選研究課題-教改項目(2016-ZX-271)；教育部-NI2015年產學合作專業綜合改革項目(2015-2)；中國石油大學(華東)教學實驗技術改革項目-重點項目(SY-A201608)

李世寶(1978-)，男，山東濰坊人，碩士，副教授，系主任，主要研究方向為無線通信、移動計算、移動學習。Tel.：15966883535;E-mail:Lishibao@upc.edu.cn