嵌入式藍(lán)牙PSTN語音接入點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

源碼開放的μClinux由于其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和較低的成本，得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式藍(lán)牙公共交換電話網(wǎng)絡(luò)PSTN（Public Switched Telephone Network）語音接入點(diǎn)，就是我們和廣東省電信科學(xué)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(yīng)用。其應(yīng)用場景如圖1所示。

藍(lán)牙GSM雙模手機(jī)在進(jìn)入藍(lán)牙PSTN語音接入點(diǎn)的信號(hào)覆蓋范圍后，即自動(dòng)通過接入點(diǎn)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(shí)只需繳納固定電話費(fèi)；網(wǎng)關(guān)具有小型交換機(jī)的功能，可以為多個(gè)藍(lán)牙手機(jī)提供類似的服務(wù)；而且同一個(gè)接入點(diǎn)信號(hào)覆蓋范圍之內(nèi)的藍(lán)牙手機(jī)間，還可以不經(jīng)過PSTN直接進(jìn)行相互間通話，就像對(duì)講機(jī)一樣，不用付費(fèi)。本文主要介紹接入點(diǎn)軟硬件以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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

網(wǎng)關(guān)控制模塊是整個(gè)網(wǎng)關(guān)軟件的運(yùn)行平臺(tái)。ΜClinux操作系統(tǒng)運(yùn)行于此硬件平臺(tái)之上，而所有應(yīng)用軟件又運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上。復(fù)雜的控制流程以及大量的外擴(kuò)模塊要求MPU具有較強(qiáng)的處理能力。經(jīng)多方權(quán)衡，本設(shè)計(jì)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(duì)于運(yùn)行μClinux操作系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本設(shè)計(jì)對(duì)MCF5272的RAM和ROM進(jìn)行了擴(kuò)充，外擴(kuò)了16MB的SDRAM和4MB的Flash ROM。這樣的存儲(chǔ)器配置不僅滿足了語音接入點(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)電話線上的信號(hào)在振鈴接收電路和語音電路之間的切換，即實(shí)現(xiàn)摘機(jī)掛機(jī)的功能。在待機(jī)狀態(tài)下繼電器觸點(diǎn)切換在振鈴接收電路一側(cè)，等待接收振鈴信號(hào)。當(dāng)需要摘機(jī)時(shí)，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(hào)放大后發(fā)送到藍(lán)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(hào)放大后，放到電話線上傳輸。此外，它還提供了消側(cè)音、自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)分為DTMF和FSK兩種。我國的來電顯示國家標(biāo)準(zhǔn)是FSK制式的，大部分PSTN交換機(jī)也支持FSK標(biāo)準(zhǔn)的來電顯示信息；但是也有少量PSTN交換機(jī)和一些用戶內(nèi)部交換機(jī)發(fā)送的是DTMF標(biāo)準(zhǔn)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(jī)撥號(hào)和普通的電話一樣，采用DTMF信號(hào)，同時(shí)也可以用DTMF信號(hào)向PSTN交換機(jī)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(lán)牙收發(fā)模塊

藍(lán)牙收發(fā)模塊包括藍(lán)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(hào)通過PCM編解碼器MC145483和電話接口芯片TEA1062A連接。語音信號(hào)通過PCM編解碼器MC145483和電話接口芯片TEA1062A連接。MCF5272把藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧解釋為摘機(jī)、掛機(jī)、撥號(hào)、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(hào)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(hào)通過藍(lán)牙軟件棧打成數(shù)據(jù)包并送給藍(lán)牙模塊，由藍(lán)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(lán)牙模塊發(fā)送給終端，同時(shí)藍(lán)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(hào)，通過電話接口芯發(fā)送到電話線上。本設(shè)計(jì)中的藍(lán)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(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 μClinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(dòng)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(diǎn)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)都有一個(gè)稱為file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含指向驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)將file_operations結(jié)構(gòu)的指針?biāo)徒o內(nèi)核，內(nèi)核就可以通過該指針訪問驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)的函數(shù)。因而，這些函數(shù)就是進(jìn)入驅(qū)動(dòng)程序的基本入口點(diǎn)。當(dāng)用戶程序執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)相應(yīng)的函數(shù)被調(diào)用。

2.2 需求分析

嵌入式藍(lán)牙PSTN語音接入點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，電話線路接口模塊、藍(lán)牙收發(fā)模塊是外擴(kuò)的模塊，需要在μClinux內(nèi)核為基提供支持。

藍(lán)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(dòng)程序就可以完成對(duì)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(dòng)程序。

2.3 FSK來電顯示芯片驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FSK來電顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序基本入口點(diǎn)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(shí)器超時(shí)處理函數(shù)完成。下面對(duì)其中一些關(guān)鍵的函數(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1）read函數(shù)

read、write稱為對(duì)設(shè)備的I/O操作。當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備執(zhí)行I/O操作時(shí)，設(shè)備可能并不具備進(jìn)行I/O操作的條件。這些情況下，用戶進(jìn)程可以選擇繼續(xù)等待，即通過interruptible_sleep_on()函數(shù)讓用戶進(jìn)程進(jìn)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(dòng)同時(shí)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?yàn)樗硪粋€(gè)設(shè)備，可以通過它對(duì)設(shè)備的屬性進(jìn)行設(shè)置，這和對(duì)設(shè)備的I/O操作不同。我們通過ioct1函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，ioct1的實(shí)質(zhì)就是向設(shè)備發(fā)送命令來改變?cè)O(shè)備的屬性。在實(shí)現(xiàn)此驅(qū)動(dòng)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(shí)候也會(huì)受到干擾，使數(shù)據(jù)線上有電平的跳動(dòng)，從而產(chǎn)生不應(yīng)該產(chǎn)生的中斷對(duì)系統(tǒng)的性能造成影響，因而提供了2個(gè)ioct1命令給用戶進(jìn)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(jìn)程可以使用I/O多路轉(zhuǎn)接技術(shù)，在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)了select函數(shù)。當(dāng)用戶進(jìn)程執(zhí)行select系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，每一個(gè)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(gè)或多個(gè)設(shè)備可以進(jìn)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(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到有任何一個(gè)設(shè)備可以進(jìn)行要求的I/O操作或超時(shí)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(shí)候數(shù)據(jù)線一直保護(hù)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(shí)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(huì)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(gè)bit延續(xù)約0.83ms。這樣收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就需要耗費(fèi)約8.3ms的時(shí)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(biāo)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(fù)責(zé)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(gè)下降延，所以在進(jìn)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(gè)中斷，可以判斷本次接收的是否為FSK數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)字節(jié)，如果是，那么將啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)核定時(shí)器，其超時(shí)時(shí)間設(shè)為1s（因?yàn)橐粋€(gè)FSK數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間不會(huì)超過1s）。在定時(shí)器超時(shí)后，內(nèi)核將調(diào)用定時(shí)器超過時(shí)處理函數(shù)，提取出主叫用戶的電話號(hào)碼，并通過wake_up函數(shù)喚醒任何等待讀此設(shè)備的用戶進(jìn)程。

2.4 DTMF語音撥號(hào)、來電顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于DTMF芯片要提供雙音多頻撥號(hào)的功能，所以與FSK芯片驅(qū)動(dòng)相比，DTMF芯片驅(qū)動(dòng)中多了一個(gè)write函數(shù)。DTMF芯片的多音多頻撥號(hào)部分有2根線和CPU相連：1根數(shù)據(jù)線、1根時(shí)鐘線。Write函數(shù)實(shí)際上就是根據(jù)芯片的寫時(shí)序把用戶進(jìn)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(hào)線和4根并行數(shù)據(jù)線，每次中斷來只需要讀并行信號(hào)線，并進(jìn)行簡單的解碼、緩存工作就可以了。此外為了方便，把摘、掛機(jī)，抬高、拉低靜音等命令者包含此驅(qū)動(dòng)的iotcl命令集中了；和FSK驅(qū)動(dòng)一樣，為了防止干擾對(duì)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(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

對(duì)于設(shè)置為雙模的藍(lán)牙手機(jī)，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(jī)主動(dòng)與網(wǎng)關(guān)拆開物理鏈路時(shí)，也必須向網(wǎng)絡(luò)登記。接入點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)已登記的雙模手機(jī)是否離開本網(wǎng)關(guān)信號(hào)覆蓋范圍，并自動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)登記，將雙模手機(jī)的話務(wù)切換回移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，而并模終端無需這樣的操作。網(wǎng)關(guān)可同時(shí)與7個(gè)藍(lán)牙終端建立ACL（Asynchronous Connection Less）對(duì)于不同調(diào)制方式(FSK及DTMF)來電均能接收號(hào)碼以及振鈴，并根據(jù)來電號(hào)碼分析被呼叫方，根據(jù)藍(lán)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(dāng)來電顯示為非特服號(hào)開頭的號(hào)碼時(shí)，表示來電來普通電話，所有與網(wǎng)關(guān)相連的分機(jī)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(dāng)來電顯示為特服號(hào)開頭的時(shí)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(hào)，并使對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙終端振鈴。藍(lán)牙雙?；蛘邌文＝K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(hào)，并且外部電話能收到來電顯示。

我們?cè)O(shè)計(jì)的應(yīng)用程序流程如圖6所示。在μClinux系統(tǒng)中，此應(yīng)用程序被視為一個(gè)用戶進(jìn)程。在系統(tǒng)啟動(dòng)rc腳本文件的末尾添加該進(jìn)程，則系統(tǒng)在完成初始化工作后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)該進(jìn)程。對(duì)用戶進(jìn)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(gè)非負(fù)整數(shù)）表示。在程序啟動(dòng)時(shí)，用Linux系統(tǒng)提供的open函數(shù)打開這些設(shè)備，同時(shí)設(shè)置這些設(shè)備的工作方式；啟動(dòng)藍(lán)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(dòng)建鏈的一方。

此后應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)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(gè)函數(shù)，它要到描述符中的一個(gè)已準(zhǔn)備好表示I/O時(shí)才返回。在返回時(shí)，它告訴進(jìn)程哪一個(gè)描述符已準(zhǔn)備好可以進(jìn)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(duì)于每個(gè)描述符我們所關(guān)心的條件（是否讀一個(gè)給定的描述符？是否想寫一個(gè)給定的描述符？是否關(guān)心一個(gè)描述符的異常條件？）以及希望等待的時(shí)間（可以永遠(yuǎn)等待、等待固定時(shí)間或完全不等待）。我們?cè)诔绦蛑性O(shè)置了永遠(yuǎn)等待，即只有所指定的描述符中的一個(gè)已準(zhǔn)備好或捕捉到一個(gè)信號(hào)才返回。從select返回時(shí)，內(nèi)核告訴我們已準(zhǔn)備好的描述符的數(shù)量和哪一個(gè)描述符已準(zhǔn)備好讀、寫或異常條件，應(yīng)用程序這個(gè)信息進(jìn)入相應(yīng)的處理子模塊。

結(jié)語

基于嵌入式μClinux系統(tǒng)的藍(lán)牙PSTN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了上術(shù)的所有功能，使藍(lán)牙三合一電話的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。最多7個(gè)藍(lán)牙終端能同時(shí)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(shí)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(lán)牙的自動(dòng)功率控制功能，會(huì)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(duì)易干擾電路增加屏蔽來消除。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議，藍(lán)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(gè)版本中加以改進(jìn)。