嵌入式藍牙PSTN語音接入點的設(shè)計與實現(xiàn)

源碼開放的μClinux由于其強大的網(wǎng)絡(luò)功能和較低的成本，得到了廣泛的應用。嵌入式藍牙公共交換電話網(wǎng)絡(luò)PSTN（Public Switched Telephone Network）語音接入點，就是我們和廣東省電信科學研究院合作，在μClinux系統(tǒng)上開發(fā)的一種具有廣闊前景的應用。其應用場景如圖1所示。

藍牙GSM雙模手機在進入藍牙PSTN語音接入點的信號覆蓋范圍后，即自動通過接入點在PSTN網(wǎng)絡(luò)上登記，這樣用戶的話務(wù)就被轉(zhuǎn)移到PSTN網(wǎng)絡(luò)，使用時只需繳納固定電話費；網(wǎng)關(guān)具有小型交換機的功能，可以為多個藍牙手機提供類似的服務(wù)；而且同一個接入點信號覆蓋范圍之內(nèi)的藍牙手機間，還可以不經(jīng)過PSTN直接進行相互間通話，就像對講機一樣，不用付費。本文主要介紹接入點軟硬件以及設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)。

嵌入式藍牙PSTN語音接入點的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。整個接入點主要由網(wǎng)關(guān)控制模塊、電話線路接口模塊和藍牙收發(fā)模塊組成。

網(wǎng)關(guān)控制模塊是整個網(wǎng)關(guān)軟件的運行平臺。ΜClinux操作系統(tǒng)運行于此硬件平臺之上，而所有應用軟件又運行于操作系統(tǒng)之上。復雜的控制流程以及大量的外擴模塊要求MPU具有較強的處理能力。經(jīng)多方權(quán)衡，本設(shè)計最終選用了Motorola公司的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。

MCF5272內(nèi)部的SRAM和ROM對于運行μClinux操作系統(tǒng)是遠遠不夠的。本設(shè)計對MCF5272的RAM和ROM進行了擴充，外擴了16MB的SDRAM和4MB的Flash ROM。這樣的存儲器配置不僅滿足了語音接入點軟件的需要，還為網(wǎng)關(guān)增加各種功能留有較多的余地。

1.2 電話線路接口模塊

電話線路接口模塊是網(wǎng)關(guān)和PSTN的接口，由線路切換繼電器、電話線接口芯片、DTMF接收電路、DTMF發(fā)送電路和FSK解調(diào)及振鈴接收電路組成。它通過MCF5272的12根GPIO線和4個外部中斷線和網(wǎng)關(guān)控制模塊相連。線路切換繼電器用于實現(xiàn)電話線上的信號在振鈴接收電路和語音電路之間的切換，即實現(xiàn)摘機掛機的功能。在待機狀態(tài)下繼電器觸點切換在振鈴接收電路一側(cè)，等待接收振鈴信號。當需要摘機時，MCF5272控制繼電器切換到話音電路一側(cè)。

電話線路接口芯片選用Philips公司的TEA1062A。TEA1062A把電話線上送來的模擬語音信號放大后發(fā)送到藍牙收到模塊的PCM編解碼器；相反，也把PCM編解碼器送來的語音信號放大后，放到電話線上傳輸。此外，它還提供了消側(cè)音、自動增益控制等功能。

網(wǎng)關(guān)還需具備轉(zhuǎn)發(fā)來電顯示信息的功能。常見的來電顯示標準分為DTMF和FSK兩種。我國的來電顯示國家標準是FSK制式的，大部分PSTN交換機也支持FSK標準的來電顯示信息；但是也有少量PSTN交換機和一些用戶內(nèi)部交換機發(fā)送的是DTMF標準的來電顯示信息。我們HOLTEK的HT9170D以及HT9032C芯片分別接收DTMF及FSK來電顯示信息。

網(wǎng)關(guān)向PSTN交換機撥號和普通的電話一樣，采用DTMF信號，同時也可以用DTMF信號向PSTN交換機發(fā)送一些信令信息。網(wǎng)關(guān)的DTMF發(fā)送選用FOLTEK的HT9200A芯片。

1.3 藍牙收發(fā)模塊

藍牙收發(fā)模塊包括藍牙射頻電路、基帶處理電路和PCM編解碼電路，通過MCF5272的UART1和網(wǎng)關(guān)控制模塊相連。語音信號通過PCM編解碼器MC145483和電話接口芯片TEA1062A連接。語音信號通過PCM編解碼器MC145483和電話接口芯片TEA1062A連接。MCF5272把藍牙模塊接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧解釋為摘機、掛機、撥號、來電顯示等命令，并通過數(shù)據(jù)線控制電話語音接收與撥叫電路的各種操作。PSTN市話網(wǎng)用戶線與電話線路接口模塊連接，電話線路接口模塊把外部PSTN電話網(wǎng)的振鈴信號和來電顯示信息通過數(shù)據(jù)線傳遞給MCF5272。MCF5272再把這些信號通過藍牙軟件棧打成數(shù)據(jù)包并送給藍牙模塊，由藍牙模塊通過無線信道發(fā)送給終端。電話線上的模擬語音信息通過PCM編解碼器編碼后經(jīng)藍牙模塊發(fā)送給終端，同時藍牙模塊接收終端發(fā)送過來的語音數(shù)據(jù)，經(jīng)過PCM編解碼器解碼，形成模擬語音信號，通過電話接口芯發(fā)送到電話線上。本設(shè)計中的藍牙基帶和射頻電路由CSR的BlueCore01b芯片加上功放、低噪放、收發(fā)切換開關(guān)、濾波器和一些外圍電路組成。

2 驅(qū)動程序的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 μClinux設(shè)備驅(qū)動程序概述

在μClinux下，所有的硬件設(shè)備都被視為文件，從設(shè)備接收輸入數(shù)據(jù)和將輸出送到設(shè)備就像從普通文件接收輸入和將輸出送到文件一樣，可以使用read()、write()等系統(tǒng)調(diào)用。應用程序通過系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)核交互，而內(nèi)核則通過設(shè)備驅(qū)動程序和具體硬件交互，如圖3所示。一般來說，操作系統(tǒng)內(nèi)核需要訪問三類主要設(shè)備：字符型設(shè)備、塊型設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。本接入點的驅(qū)動程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動程序。

每個驅(qū)動都有一個稱為file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含指向驅(qū)動程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針。當系統(tǒng)引導時，驅(qū)動程序初始化函數(shù)將file_operations結(jié)構(gòu)的指針送給內(nèi)核，內(nèi)核就可以通過該指針訪問驅(qū)動程序內(nèi)的函數(shù)。因而，這些函數(shù)就是進入驅(qū)動程序的基本入口點。當用戶程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，將導致驅(qū)動程序內(nèi)相應的函數(shù)被調(diào)用。

2.2 需求分析

嵌入式藍牙PSTN語音接入點的硬件設(shè)計中，電話線路接口模塊、藍牙收發(fā)模塊是外擴的模塊，需要在μClinux內(nèi)核為基提供支持。

藍牙收發(fā)模塊通過MCF5272的串口2和網(wǎng)關(guān)控制模塊相連，因而直接使用μClinux自帶的串口驅(qū)動程序就可以完成對此模塊的控制；而電話線路接口模塊通過GPIO口以及外部中斷線與網(wǎng)關(guān)控制模塊相連，必須由我們自由提供驅(qū)動程序。

2.3 FSK來電顯示芯片驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

FSK來電顯示驅(qū)動的主要任務(wù)就是完成FSK來電顯示信息的接收，總工作流程如圖4所示。其主要功能由設(shè)備驅(qū)動程序基本入口點中的open、release、read、ioctl、select函數(shù)，以及設(shè)備初始化函數(shù)、中斷處理函數(shù)、下半部分處理函數(shù)、定時器超時處理函數(shù)完成。下面對其中一些關(guān)鍵的函數(shù)進行簡要介紹。

1）read函數(shù)

read、write稱為對設(shè)備的I/O操作。當用戶進程對設(shè)備執(zhí)行I/O操作時，設(shè)備可能并不具備進行I/O操作的條件。這些情況下，用戶進程可以選擇繼續(xù)等待，即通過interruptible_sleep_on()函數(shù)讓用戶進程進入睡眠狀態(tài)；也可以選擇不等待，立即返回。這就產(chǎn)生一兩種類型的I/O操作，即阻塞型I/O和非阻塞型I/O。我們的驅(qū)動同時支持阻塞型和非阻塞型的讀操作。

（2）ioctl函數(shù)

設(shè)備特殊文件之所以特殊就是因為它代表一個設(shè)備，可以通過它對設(shè)備的屬性進行設(shè)置，這和對設(shè)備的I/O操作不同。我們通過ioct1函數(shù)來實現(xiàn)，ioct1的實質(zhì)就是向設(shè)備發(fā)送命令來改變設(shè)備的屬性。在實現(xiàn)此驅(qū)動的過程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SK來電顯示芯片在沒有真正的FSK數(shù)據(jù)的時候也會受到干擾，使數(shù)據(jù)線上有電平的跳動，從而產(chǎn)生不應該產(chǎn)生的中斷對系統(tǒng)的性能造成影響，因而提供了2個ioct1命令給用戶進程，來控制FSK中斷的打開與關(guān)閉。

（3）select函數(shù)

為了使用戶進程可以使用I/O多路轉(zhuǎn)接技術(shù)，在驅(qū)動程序中實現(xiàn)了select函數(shù)。當用戶進程執(zhí)行select系統(tǒng)調(diào)用的時候，每一個加入select測試集合的設(shè)備的select函數(shù)都被調(diào)用，如果其中任何一個或多個設(shè)備可以進行要求的I/O操作，則select返回；否則，通過select_wait()函數(shù)讓用戶進程進入睡眠狀態(tài)，直到有任何一個設(shè)備可以進行要求的I/O操作或超時為止。

（4）中斷處理函數(shù)及下半部分處理函數(shù)

FSK來電顯示芯片只有1根數(shù)據(jù)線連接到CPU的GPIO口上。這根數(shù)據(jù)線的每一字節(jié)數(shù)據(jù)都以0開始、以1結(jié)束，中間是8位的ASCII碼，最低位最先發(fā)送，在沒有數(shù)的時候數(shù)據(jù)線一直保護高電平。由于FSK來電顯示數(shù)據(jù)具有這種特殊的格式，把這根數(shù)據(jù)線同時接到CPU的外部中斷線上，并設(shè)置為下降沿觸發(fā)，這樣每來1字節(jié)數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生一次中斷。FSK數(shù)據(jù)幀由若干字節(jié)這樣的數(shù)據(jù)組成。FSK數(shù)據(jù)速率是1.2kb/s，因而1個bit延續(xù)約0.83ms。這樣收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)就需要耗費約8.3ms的時間。顯然在中斷處理程序里面接收數(shù)據(jù)是不合適的，所以在中斷處理程序中只調(diào)用mark_up函數(shù)標記數(shù)據(jù)的到來，而把接收及處理數(shù)據(jù)的任務(wù)留到下半部分程序中完成。

下半部分程序負責接收1字節(jié)的FSK來電顯示數(shù)據(jù)，由于1字節(jié)數(shù)據(jù)中可能有多個下降延，所以在進入處理函數(shù)后首先要關(guān)閉FSK中斷，然后每0.83ms讀一次GPIO口，接收一位的數(shù)據(jù)，收完1字節(jié)數(shù)據(jù)后要打開FSK中斷，以接收下一字節(jié)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)本次FSK中斷是否為此次通信的每一個中斷，可以判斷本次接收的是否為FSK數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)，如果是，那么將啟動一個內(nèi)核定時器，其超時時間設(shè)為1s（因為一個FSK數(shù)據(jù)幀的傳輸時間不會超過1s）。在定時器超時后，內(nèi)核將調(diào)用定時器超過時處理函數(shù)，提取出主叫用戶的電話號碼，并通過wake_up函數(shù)喚醒任何等待讀此設(shè)備的用戶進程。

2.4 DTMF語音撥號、來電顯示驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

由于DTMF芯片要提供雙音多頻撥號的功能，所以與FSK芯片驅(qū)動相比，DTMF芯片驅(qū)動中多了一個write函數(shù)。DTMF芯片的多音多頻撥號部分有2根線和CPU相連：1根數(shù)據(jù)線、1根時鐘線。Write函數(shù)實際上就是根據(jù)芯片的寫時序把用戶進程發(fā)來的數(shù)據(jù)傳送到芯片上去。

相比于FSK來電顯示信息的接收而言，DTMF來電顯示信息的接收就比較容易了。DTMF來電顯示芯片提供了1根中斷信號線和4根并行數(shù)據(jù)線，每次中斷來只需要讀并行信號線，并進行簡單的解碼、緩存工作就可以了。此外為了方便，把摘、掛機，抬高、拉低靜音等命令者包含此驅(qū)動的iotcl命令集中了；和FSK驅(qū)動一樣，為了防止干擾對DTMF來電顯示信息的影響，也在iotcl命令提供了打開、關(guān)閉DTMF來電顯示中斷的命令。

3 應用軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

接入點應用程序位于前面介紹的硬件平臺以及設(shè)備驅(qū)動程序之上，三者之間的關(guān)系如圖5所示。接入點應用程序是整個軟件的核心，它與串口驅(qū)動程序、FSK來電顯示驅(qū)動程序、DTMF來電顯示驅(qū)動程序、DTMF撥號驅(qū)動程序、Flash驅(qū)動程序、振鈴驅(qū)動程序交互，并通過后五個驅(qū)動程序控制具體硬件完成相關(guān)功能。接入點可以對允許接入的藍牙終端屬性進行設(shè)備，只有被授權(quán)的藍牙終端才能通過接入點訪問PSTN。接入點的Flash可設(shè)置多個允許接入的藍牙終端，并可通過與網(wǎng)關(guān)并聯(lián)的電話進行增添、刪除一個或全部刪除終端設(shè)置的操作。

對于設(shè)置為雙模的藍牙手機，必須先向網(wǎng)絡(luò)登記，網(wǎng)絡(luò)返回成功信息的方可與網(wǎng)關(guān)建立物理和邏輯鏈路；而在雙模手機主動與網(wǎng)關(guān)拆開物理鏈路時，也必須向網(wǎng)絡(luò)登記。接入點可以發(fā)現(xiàn)已登記的雙模手機是否離開本網(wǎng)關(guān)信號覆蓋范圍，并自動向網(wǎng)絡(luò)登記，將雙模手機的話務(wù)切換回移動網(wǎng)絡(luò)中，而并模終端無需這樣的操作。網(wǎng)關(guān)可同時與7個藍牙終端建立ACL（Asynchronous Connection Less）對于不同調(diào)制方式(FSK及DTMF)來電均能接收號碼以及振鈴，并根據(jù)來電號碼分析被呼叫方，根據(jù)藍牙無繩電話協(xié)議CTP（Cordless Telephony Profile）建立起TCS（Telephone Control Specification）鏈路、SCO（Synchronous Connection Oriented）鏈路。當來電顯示為非特服號開頭的號碼時，表示來電來普通電話，所有與網(wǎng)關(guān)相連的分機終端都振鈴。某一終端接聽后，其它終端停止振鈴，回到空閑狀態(tài)。當來電顯示為特服號開頭的時候，表示來電為訪問特定終端的話務(wù)，可以分析來電顯示的格式得到接入順序號，并使對應的藍牙終端振鈴。藍牙雙模或者單模終端能通過網(wǎng)關(guān)、PSTN網(wǎng)絡(luò)撥打外部電話，網(wǎng)關(guān)支持終端多次撥號，并且外部電話能收到來電顯示。

我們設(shè)計的應用程序流程如圖6所示。在μClinux系統(tǒng)中，此應用程序被視為一個用戶進程。在系統(tǒng)啟動rc腳本文件的末尾添加該進程，則系統(tǒng)在完成初始化工作后會自動啟動該進程。對用戶進程而言，硬件設(shè)備被視為設(shè)備描述文件，它和普通的文件沒有區(qū)別，可用文件描述符（一個非負整數(shù)）表示。在程序啟動時，用Linux系統(tǒng)提供的open函數(shù)打開這些設(shè)備，同時設(shè)置這些設(shè)備的工作方式；啟動藍牙協(xié)議棧，并設(shè)置工作模式、服務(wù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和其它參數(shù)，使網(wǎng)關(guān)始終處于被發(fā)現(xiàn)和被動建鏈的一方。

此后應用程序地偵聽、等待各設(shè)備數(shù)據(jù)的到來，我們采用了I/O多咱轉(zhuǎn)接的技術(shù)來實現(xiàn)對多個描述符的讀、寫和管理。該技術(shù)的基本思想是：先構(gòu)造一張有關(guān)描述符的表，然后調(diào)用一個函數(shù)，它要到描述符中的一個已準備好表示I/O時才返回。在返回時，它告訴進程哪一個描述符已準備好可以進行I/O。select函數(shù)可以執(zhí)行I/O多路轉(zhuǎn)換，傳向該函數(shù)的參數(shù)告訴內(nèi)核我們所關(guān)心的描述符、對于每個描述符我們所關(guān)心的條件（是否讀一個給定的描述符？是否想寫一個給定的描述符？是否關(guān)心一個描述符的異常條件？）以及希望等待的時間（可以永遠等待、等待固定時間或完全不等待）。我們在程序中設(shè)置了永遠等待，即只有所指定的描述符中的一個已準備好或捕捉到一個信號才返回。從select返回時，內(nèi)核告訴我們已準備好的描述符的數(shù)量和哪一個描述符已準備好讀、寫或異常條件，應用程序這個信息進入相應的處理子模塊。

結(jié)語

基于嵌入式μClinux系統(tǒng)的藍牙PSTN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了上術(shù)的所有功能，使藍牙三合一電話的應用成為現(xiàn)實。最多7個藍牙終端能同時與該網(wǎng)關(guān)建立物理和邏輯鏈路，網(wǎng)關(guān)能建立起一條語音鏈路。經(jīng)實測，在傳輸距離不超過10m的前提下，話音質(zhì)量良好，清晰無失真；在傳輸距離超過10m后，由于藍牙的自動功率控制功能，會增大發(fā)射功率，模擬語音電路部分引入的電磁干擾噪聲增加，影響通話效果，此問題可以通過調(diào)整PCB布局布線和對易干擾電路增加屏蔽來消除。根據(jù)標準藍牙協(xié)議，藍牙終端和網(wǎng)關(guān)之間最多可建立起3條語音鏈路，這將在下一個版本中加以改進。