基于VoIP处理器与USB接口的IP电话设计

1 引言
    随着VoIP的普及，IP电话的通话质量有了明显改善，与传统电话相比，已基本没有差别。另外，它具有传统电话无可比拟的价格优势，吸引了越来越多的用户使用IP电话进行通信。目前，有很多厂商开发了软IP电话终端，但是用它打电话必须使用耳麦，不符合人们打电话的习惯，而且长时间通话无论从语音质量还是从用户舒适度上都远不及传统电话机，对于操作电脑不甚熟练的用户则更感困难。因此大多数人都更愿意用电话机而不是电脑来打电话。根据这种需要，就出现了一些与主机的通信接口相联的IP电话机。其中以USB接口的IP电话最为普遍。

    通用串行总线（USB）是一种新型接口技术。它是由Intel等公司研发与规划的一种串行通信标准。USB具有以下特点：(1)有较高的传输速率。USBl.1支持全速和低速两种方式，全速速率为12Mbps，低速速率为1.5Mbps；USB2.0除支持USBl.1的两种速度方式外，还增加了速率可达480Mbps的高速方式。(2) USB支持即插即用和热插拔。(3) 提供了对电话的两路数据支持。USB可支持异步以及等时数据传输，使电话可与PC集成。(4)具有高保真音频。由于USB音频信息生成于计算机外，因此减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从而使音频系统具有更高的保真度。此外，USB还有可靠性高、成本低、功耗小、易于扩展等优点，倍受欢迎。

2器件选择
2.1  VoIP处理器选择
    从降低成本、简化设计及其要具有USB接口的要求出发，我们选择了Tiger560B VOIP微处理器。它提供了低价格、高质量的IP电话解决方案。它具有以下特点：1）实现了用于网络电话的所有需要的VoIP功能和USB接口；2）内建支持按键键盘、LCD、电话接口和震铃；3）支持H.323和SIP标准；4）不需要驱动，所有驱动都已内嵌在Windows中；5）音频功能包括：提供了PCM接口，支持各种常用的音频解码器：使用微软音频USB驱动，支持8位μ率编解码器接口、μ率到PCM16的转换、音量控制、自动静音等；6）支持HID音频设备类，可直接使用Microsoft 音频USB驱动，方便了系统的开发。

2.2 编解码器选择
    W681511是华邦推出的一款单通道语音CODEC芯片，它是与Tiger560B一同推出的一款针对于网络电话市场的低成本且高品质芯片组解决方案，相对于市场上其它解决方案，能提供较好的效能以及竞争性的价格。W681511主要应用于网际网络、整合服务数字网络及电话相关产品上。W681511包含所有华邦CODEC 语音芯片系列产品的特色，提供低功耗（当系统处于等待状态与停止状态时，仅需耗费10微安与100毫安的电流）和4.5到5.5伏单一电源供电。此外，此款芯片与Motorola MC14LC5480兼容，并在大部分的情况下能直接取代既有的Motorola 芯片。

3 系统实现
3.1整体电路
    IP电话的原理图如图1所示。它由Tiger560B和W681511及其外围设备和接口组成。主要电路有：语音电路、LCD显示电路、键盘电路。

3.2外围电路设计
    LCD模块：LCD用于显示话机状态、时间、主/被叫号码等信息。它通过Tiger560B的通用I/O接口连接。
    按键电路：Tiger560B可以通过PIB口直接与4×4或4×8键盘相连。
    音频电路：如图2所示，W681511与Tiger560B的串行端口直接相连。串行端口包含一数据时钟（DCLK）。一帧同步时钟（FSC）和两条数据线（DIN和DOUT）。FSC是8KHZ时钟，在一个FSC周期内，传输和接收8位u－law率音频数据。

3.3 USB工作模式设计
    Tiger560B实现了完全兼容的USB 1.1接口，芯片包含USB控制器和标准3.3伏电压，可直接与USB总线相连。

    USB有四种传输方式：控制传输、批量传输、等时传输和中断传输。其中控制传输主要用于主机和设备间关于配置、状态和控制信息的传输。任何USB设备都必须支持控制传输。中断传输用于数据量较小、不定时传送、允许一定延迟、服务周期受限的设备。等时传输用于大数据量、实时性高、允许一定差错的设备。

    因此，IP电话设立了4个端点：控制端点0，中断传输端点5和等时传输端点6、7。

    USB端点0是Tiger560B上唯一的控制端点

    USB端点5用于中断传输，轮询间隔为1ms，它用于传输键盘按键值。每一次轮询发生时,轮询两个字节到主机。数据的头一个字节为当前AUX针的当前状态值。第二个字节是指定源的值，寄存器0x18定义了这个字节的地址。设置寄存器0x18的6、7位为1能使PIB中止状态轮询。轮询操作不会与任何制造商命令冲突，因为轮询在每一个USB SOB分组时完成。字节1表示任何连接到AUX针的中断线的状态。字节二是外部设备的中断状态值。

    USB 端点6和7用于传输16位PCM音频格式。每一个USB同步传输可能传送8个采样和16字节数据。Tiger560B对8位u－law率和16位PCM音频编码进行转换。Tiger560B可以使用USB SET_CUR音量命令来完成硬件音量调整。麦克风和送话器都支持静音控制。

3.4 存储器配置
    Tiger560B支持64×16 EEPROM。开机后，在RESET信号为低期间，如果如果EECS针为高，Tiger560B就会访问EEPROM，将它的内容读入寄存器。

    Tiger560B需要的地址空间为256。其中，内部寄存器地址为0x00到0xbf，通过USB端点进行访问，来控制Tiger560B。

4 结束语
    本文介绍了一种新型的VoIP处理器Tiger560B和音频编解码器W681511。在此基础上开发了一套IP电话的原型机。该机通过USB接口与计算机相连，在计算机上实现了SIP协议。结合基于RTP协议的服务质量动态控制策略，可以达到比较满意的通话质量。

参考文献：
[1]王瑞刚，李燕编著 IP电话终端设备――原理、电路及应用。西安电子科技大学出版社
[2]许永和编著EZ-USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用。北京航空航天大学出版社
[3]Tigerjet network Inc。Tiger560B Advanced Information
[4]Winbond. W681511 single-channel voiceband codec Advance Data Sheet