基于飛思卡爾射頻芯片MC13192的無(wú)線語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)

摘要： 本文介紹了基于飛思卡爾低功耗射頻芯片MC13192的無(wú)線VoIP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。采用MC13192芯片及IEEE 802.15.4協(xié)議進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制，使用飛思卡爾的低成本32位嵌入式處理器MCF5234作為MCU的無(wú)線VoIP網(wǎng)關(guān)的解決方案。本文著重介紹網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要介紹了手持設(shè)備的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： MC13192；VoIP；802.15.4；網(wǎng)關(guān)

引言

VoIP是當(dāng)今熱門技術(shù)，而越來越多的用戶提出了在VoIP網(wǎng)絡(luò)的用戶側(cè)一端構(gòu)建起無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)意義上的VoIP終端充當(dāng)VoIP網(wǎng)關(guān)的方案。當(dāng)前許多解決方案采用了藍(lán)牙或其他技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)均有成本高，技術(shù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。飛思卡爾MC13192是一款低功耗的射頻芯片，具有低成本、低功耗、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的射頻芯片。用戶可以通過該芯片及zigbee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，該技術(shù)已經(jīng)被普遍用于家電控制。本文介紹了一種利用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)VoIP兩路語(yǔ)音通信的方案，是無(wú)線語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)的一種新的低成本、低功耗的解決方案。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

MC13192簡(jiǎn)介

飛思卡爾MC13192收發(fā)器是一個(gè)典型的ZigBee產(chǎn)品。芯片采用16通道、2.4GHz的頻帶，數(shù)據(jù)速率為250kb/s。它們可與32位嵌入式控制器(如飛思卡爾的MCF523x系列)協(xié)同使用。MC13192采用標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI及7根GPIO與MCU通信，MCU可以通過對(duì)SPI的讀寫來設(shè)置及獲取MC13192的寄存器，還可以通過對(duì)特定GPIO的電平設(shè)置來將MC13192的特定引腳置高或者拉低。

MC13192同32位嵌入式處理器的通信

由于處理器及開發(fā)板的差異，MCU同MC13192相聯(lián)接的引腳會(huì)有所差異，因此為了實(shí)現(xiàn)MC13192同MCU的正常通信，必須首先配置相關(guān)引腳的方向及功能，本文所描述的方案基于飛思卡爾MCF5234平臺(tái)，該平臺(tái)同MC13192的引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

引腳的配置分為三部分：QSPI的初始化、GPIO的初始化以及中斷引腳的配置。QSPI和中斷引腳的配置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，下面首先對(duì)這兩部分做一個(gè)介紹。

QSPI的初始化要完成對(duì)模式寄存器及環(huán)繞寄存器的初始化，值得一提的是方式寄存器初始化需要設(shè)置宏MCF_QSPI_QMR_BAUD(x)，該宏用于設(shè)置QSPI的波特率，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值x需要根據(jù)硬件環(huán)境及用戶需要的QSPI的時(shí)鐘頻率來確定，計(jì)算公式為：
x=      系統(tǒng)時(shí)鐘頻率
       4xQSPI時(shí)鐘頻率

MCF5234的時(shí)鐘頻率為150MHz，在本系統(tǒng)中使用的QSPI的頻率為2MHz,因此波特率數(shù)值約等于19。對(duì)于中斷引腳的初始化則更為簡(jiǎn)單，初始化過程包括觸發(fā)方式、引腳方向以及中斷允許三步。其中觸發(fā)方式需要選擇下降沿觸發(fā)，引腳方向要設(shè)置為輸出，由于MC13192使用IRQ3，因此最后要允許來自IRQ3的中斷。

GPIO的初始化主要分為三步：引腳配置，方向寄存器初始化，以及數(shù)據(jù)寄存器的初始化。首先需要將要使用的GPIO引腳配置為GPIO功能，然后要將這些引腳配置為輸出(因?yàn)檫@些引腳均被MCU用來控制MC13192，方向是從MCU輸出)，最后要將這些引腳上的數(shù)據(jù)配置為初始值。

通過以上步驟，就完成了射頻芯片和MCU的引腳聯(lián)接，可以進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。

IEEE 802.15.4協(xié)議MAC層的實(shí)現(xiàn)

由于本方案需要通過射頻芯片來進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸，因此需要一個(gè)可靠的MAC層協(xié)議的支持，可以采用IEEE802.15.4協(xié)議的一部分來滿足本方案的要求，由于MC13192包含4個(gè)定時(shí)器，因此可以利用這4個(gè)定時(shí)器來劃分時(shí)槽從而實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案實(shí)現(xiàn)了兩路語(yǔ)音通信，即兩個(gè)手持設(shè)備通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)通過有線網(wǎng)絡(luò)連接到因特網(wǎng)。手持設(shè)備可以同時(shí)與外界進(jìn)行通話。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

本方案采用時(shí)槽的方式實(shí)現(xiàn)兩路語(yǔ)音的復(fù)用，因此需要手持設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間時(shí)槽的嚴(yán)格同步。根據(jù)協(xié)議，每16個(gè)時(shí)槽作為一個(gè)超幀，網(wǎng)關(guān)在每個(gè)超幀的第一個(gè)時(shí)槽發(fā)送Baecon幀，第2到第8時(shí)槽是競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽，因此在本方案中保留這7個(gè)時(shí)槽，第9到第16時(shí)槽是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽，用于時(shí)分復(fù)用，在本方案中，將8個(gè)時(shí)槽分為4部分，分別用于兩個(gè)手持設(shè)備的上下行數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)槽劃分如圖2所示。

MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

MC13192自帶有4個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器定時(shí)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，可以通過MC13192中斷狀態(tài)寄存器獲知中斷源，例如，當(dāng)定時(shí)器1定時(shí)結(jié)束，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，此時(shí)的中斷狀態(tài)寄存器的第9位被置高，因此在中斷服務(wù)程序中加入對(duì)定時(shí)器中斷的處理，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)槽的劃分，并且根據(jù)當(dāng)前的時(shí)槽數(shù)來決定數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議所要求的功能。在本設(shè)計(jì)中，我們采用30ms作為一個(gè)超幀的長(zhǎng)度。以網(wǎng)關(guān)為例，處理定時(shí)器中斷的程序如下所示：
if(u16StatusContent & TIMER1_IRQ_MASK)
//中斷類別為定時(shí)器1中斷
{
    time_slot++;   //每次超時(shí)都將時(shí)槽加1
    if(time_slot==16)
 time_slot=0; //時(shí)槽數(shù)的合法數(shù)值為0-15
    PLMEEnableMC13192Timer1(1875);
    //每個(gè)時(shí)槽的長(zhǎng)度為1.875ms
switch(time_slot)
    {
        case 0:  LoadBaecon(&tx_pkt);//讀取一個(gè)Baecon
MCPSDataRequest(&tx_pkt);//發(fā)送Baecon
break;
        case 8:
MLMERXEnableRequest(&rx_pkt1,0);
//打開接收天線，并將數(shù)據(jù)保存到rx_pkt1
       break;
case 9:
MLMERXEnableRequest(&rx_pkt2,0);
      break;
        case 10:
LoadPacket(&tx_pkt,0,1);   //讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包
MCPSDataRequest(&tx_pkt);//發(fā)送數(shù)據(jù)
        case 11:
LoadPacket(&tx_pkt,0,1);   //讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包
MCPSDataRequest(&tx_pkt);//發(fā)送數(shù)據(jù)
     //12-15時(shí)槽略
    }}

手持設(shè)備的程序設(shè)計(jì)與網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)大同小異，所不同的是，網(wǎng)關(guān)在每個(gè)超幀的開始自動(dòng)發(fā)送Baecon，而手持設(shè)備則被動(dòng)的接收Baecon，每次收到Baecon之后才打開定時(shí)器來劃分時(shí)槽，而第15個(gè)時(shí)槽完畢后，手持設(shè)備需要打開接收天線以接收下一個(gè)超幀的Baecon。

MC13192與語(yǔ)音編解碼器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的協(xié)同工作

因?yàn)镸C13192支持的速率僅為250kbit/s，因此在網(wǎng)關(guān)與手持設(shè)備之間必須只能傳輸編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。在選擇編解碼方案之前，首先需要粗略估計(jì)一下帶寬，由于極限速率為250Kbit/s，而由于協(xié)議所限，僅有一半時(shí)槽可供使用，即125Kbit/s，供兩個(gè)設(shè)備上下行使用。這樣，每個(gè)設(shè)備的單向極限速率僅為31.25kbit/s。而MC13192自身的切換時(shí)間為144us，而如2.3.3節(jié)描述，30ms為一個(gè)超幀，每個(gè)時(shí)槽長(zhǎng)度為1.875ms，再加上物理層頭部的消耗，每設(shè)備單項(xiàng)可用速率約為20kbit/s。所以，在本方案中選用ITU-T G.726作為語(yǔ)音編解碼方案。G.726語(yǔ)音編碼消耗帶寬16kbit/s，可以滿足MC13192的帶寬要求。

對(duì)于網(wǎng)關(guān)而言，需要記錄每個(gè)手持設(shè)備的通話對(duì)象，它通過MC13192及802.15.4 MAC協(xié)議獲得時(shí)槽中的數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)槽確定數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)手持設(shè)備。最后將收到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)封裝成RTP包發(fā)送到手持設(shè)備的目的地。對(duì)于從網(wǎng)絡(luò)上收到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，則需要確定屬于哪一個(gè)手持設(shè)備，再通過MC13192在特定的時(shí)槽發(fā)送出去，如圖3所示。

對(duì)于手持設(shè)備則比較簡(jiǎn)單，它只需要在特定的時(shí)槽發(fā)送要編碼后的數(shù)據(jù)，再在特定的時(shí)槽接收數(shù)據(jù)，如圖4所示。

設(shè)計(jì)總結(jié)

該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)被用于本人參與的基于MC13192的zigbee電話項(xiàng)目中。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，在40M范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼通信，通話質(zhì)量?jī)?yōu)良。相對(duì)于基于其他技術(shù)的同類方案，本方案具有低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)價(jià)值的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：
1．Freescale, MC13192 Reference Manual.
2．IEEE Std 802.15.4-2003
3．李晶皎、王愛俠、張廣淵, Coldfire系列32位微處理器與嵌入式Linux應(yīng)用, 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.6