基于以太網的串行數字語音通信系統

鐘斌 黃玉水 周明建

關鍵詞： W7500P; VS1063; CAN總線; TCP/IP協議; 語音編解碼; 以太網

中圖分類號： TN915?34; TP399 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）03?0028?03

Abstract： Since the available broadcast intercom system has the problems of limited communication bandwidth， poor tone quality and scalability， a serial digital voice communication system based on Ethernet is designed on the basis of analysis and comparison of available broadcast intercom systems. The structure， software and hardware design of the system are described. The Ethernet controller W7500P embedded in ARM core is taken as the main control chip of the system. The dual?network interface structure is composed of W5500 and main control chip of the system. The voice codec chip VS1063 is used to realize the conversion of analog voice signal to digital audio signal， and codec function of MP3 digital audio signal， so as to reduce the requirements of voice signal on communication bandwidth while ensuring the voice quality， and realize the efficient transmission of voice signal. The system has the advantages of simple connection， convenient wiring and low cost. The experimental results show that the voice quality， real?time performance and reliability of the system can meet the requirements of the field use.

Keywords： W7500P; VS1063; CAN bus; TCP/IP protocol; speech coding and decoding; Ethernet

0 ?引 ?言

近年來，數字語音通信系統開始被應用到煤炭、電力、化工及安防等行業。在文獻[1]中提出一種用排隊論指導的適用于工業現場的CAN總線語音通信系統。文獻[2]將CAN總線和以太網結合起來設計了一種煤礦語音廣播系統。基于CAN總線的數字語音系統具有成本低、易于擴展的優點[3]。但CAN總線的實際傳輸速率有限，盡管采用適合低波特率下傳輸的語音編碼算法，其語音音質依然不是很理想，這是文獻[1?2]提出的數字語音系統的共性。因以太網的傳輸速率遠高于CAN總線，具有良好的互通性，傳輸穩定可靠，在通信領域得到廣泛應用[4]。文獻[5]提出一種完全基于以太網的煤礦數字語音系統，該系統可以采用MP3編碼，其音質遠好于前者，但它的可擴展性遠不如CAN總線系統。本文提出一種基于以太網的串行數字語音通信系統。該系統除了可以構建常見的樹型和星型結構網絡，還可以根據實際應用情況靈活地組成鏈型、環型網絡及多種結構混合的網絡。該系統克服了CAN總線帶寬窄導致音質不高的缺點，又具有CAN總線系統成本低，易于擴展的優點，支持調度通信、多路對講以及語音廣播等業務功能。

1 ?系統總體結構

基于以太網的串行數字語音通信系統的網絡結構如圖1所示。

由圖1可知，基于以太網的串行數字語音系統每個節點機具備兩個網絡接口，節點機上的兩個網絡接口通過標準網線分別與前后端節點機或者路由器連接[6]。由于兩個網絡接口的特殊設計，該系統具有組網靈活的特點。擴展時只要用一條網線順序連接新的節點機即可，操作極為方便。

當以太網處于全雙工傳輸模式下，使用雙絞線中兩對獨立線路，發送數據和接收數據在不同的電纜上完成。環型的網絡結構更大大增強了串行結構網絡的可靠性，同時有利于提高傳輸速率。

2 ?節點機硬件設計

節點機是構建整個系統的核心部分。節點機主要由以太網控制器W7500P，W5500以及音頻編解碼芯片VS1063構成。硬件連接原理如圖2所示。

VS1063包含一個高性能、專用的低功耗DSP核VS_DSP4。VS1063可以同時作為“MP3解碼芯片”和“MP3編碼芯片”，在一個從動系統上與微控制器一起工作，或作為一個獨立的電路，由外部SPI存儲器啟動。MP3格式的語音文件具有音質高、壓縮比高、占用存儲容量小等特點，有利于在網絡上傳輸，同時有廣泛的用戶端軟件和硬件支持。

W5500集成了全硬件TCP/IP協議棧，10/100M以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY）[7]。

W7500P不僅包含全硬件TCP/IP協議棧內核，還內嵌128 KB FLASH的ARM Coretex?M0內核，實現了“MCU+全硬件TCP/IP協議棧+MAC+PHY”，支持TCP，UDP，IPv4，ICMP以及PPPoE協議，除用作以太網控制器外，還作為主控芯片。

兩款以太網控制芯片都使用了新的高效SPI協議支持80 MHz速率，從而能夠更好地實現高速網絡通信。W7500P有兩個SPI接口（SPI0和SPI1），通過SPI1接口和VS1063語音芯片連接，實現語音數據的傳輸。W7500P和W5500的數據交互通過SPI0完成[8]。

當VS1063接收到來自麥克風的信號后，先通過一個10 Hz的亞音速高通濾波器對語音信號進行濾波處理。根據用戶要求的采樣率，再從模擬?數字轉換器讀出12 kHz，24 kHz或48 kHz采樣率的數據。這里的音頻數據被分成兩條路徑：一條到監測，另一條到編碼器。 進到編碼器的一路根據該信號是否需要被重新采樣，它可以被饋送到一個重采樣的采樣率轉換器進行微調，或者直接被饋送到軟件抽取器。抽取階段結束以后，音頻被傳送到FIFO單元，編碼器從中讀出樣品并進行編碼，產生的比特流被饋送到比特流輸出FIFO。最后，完成編碼的數據通過SPI1傳輸給以太網控制芯片W7500P。

節點機的數據流向有兩個方向，W7500P通過IP判斷數據傳遞方向，分別通過RJ45接口1和RJ45接口2完成[9]。與W7500P直接連接的RJ45接口1執行其中一個方向的數據接收和發送。當接收到數據時，如果檢測到目的節點是本節點，則由VS1063解碼播放，否則由W5500轉發給下一節點。向另一個方向發送數據時，數據先通過SPI0接口發送給W5500，然后由W5500執行發送;同時，W5500接收到的數據也通過SPI0傳遞給W7500P進行處理，如果目的節點是本節點則由VS1063解碼播放，否則通過RJ45接口1轉發。

3 ?節點機軟件設計

系統網絡結構有星型、樹型、鏈型和環型。樹型和星型結構使用標準的TCP/IP協議。鏈型結構是環型結構未閉合的特例，在此著重介紹環型結構的軟件設計。環型結構系統通過令牌實現信息的調度，使用令牌作為站點是否有發送信息包的權限標志[10]。令牌分左令牌、右令牌、雙向令牌三種。獲得左令牌的節點只能使用節點左側的網口向上游傳輸信息。獲得右令牌的節點只能使用節點右側的網口向下游傳輸信息。如果節點獲得雙向令牌則需要交替地從兩個方向向目的節點傳輸數據，提高網絡的利用效率。環上有一個節點作為控制節點，負責令牌的調度。環路中的節點機IP地址是連續的，并且按順序連接，當控制節點收到從節點的請求幀后，根據請求幀的源地址和目的地址信息確定數據傳輸方向（向左或向右）。例如，環路上有[M]個節點，假設[i]節點向[j]節點傳送數據幀，順時針方向上傳輸需要經過的節點數為[j-i]，逆時針方向上需要經過的節點數為[M-j+i]（假設[j>i]），根據最短路徑選擇原則，就會很容易判斷出最佳通道。各節點既可以請求與控制節點通信，也可以請求與其他節點通信。針對此環型結構設計了三種幀類型，分別是令牌幀（主控幀）、請求幀、數據幀（信息幀），這些幀的格式如圖3所示。

在上述三種幀類型中，令牌幀只由控制節點產生，用于控制各節點間的通信調度。請求幀是各節點需要與其他節點建立通信連接時由各節點發送給控制節點的，需要連接的節點IP被填充到該環網幀的數據部分。數據幀是各節點建立連接之后進行數據交換的載運工具。三種幀類型封裝完成后再填充到TCP報文的應用數據部分，封裝成以太網數據幀發送到環上。完成封裝在環網中傳輸的幀結構如圖4所示。特定的環型結構中，每個節點的上下游節點固定，因此以太網首部的目的地址固定，即為與其相連的節點的IP地址。

在初始化完成后，節點機如果需要與某節點通信則向控制節點發送請求。主節點接收到請求后根據兩通信節點的關系為其規劃通信路徑，并分別向兩節點發送令牌幀。令牌指定節點數據傳送的方向和接收數據的地址信息。收到令牌幀的兩節點依據令牌幀確定的路徑分別向左或向右節點機發送數據，同時對令牌幀指定節點的數據進行處理，對非令牌指定節點的數據進行傳遞轉發。節點軟件程序流程圖如圖5所示。

通信過程中通信雙方任何一方需要結束通信都要向控制節點發送結束請求。主節點收到結束請求后置位相應的標志位以釋放相關節點。兩節點通信過程中如果收到主節點的強制終止命令，則立刻結束通信。

4 ?結 ?論

本文利用以太網控制器W7500P，W5500與語音編解碼芯片VS1063設計了基于以太網的串行數字語音系統。該系統組網靈活，而且成本低，布線方便。通過實驗測試證明系統能夠提供高質量的語音效果，傳輸距離遠，可靠性強，符合現場使用的要求。

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