嵌入式蓝牙PSTN网关的设计与实现

摘要 针对手机微波辐射对人体造成的伤害问题以及移动通信网络、固话网络间不兼容的问题，设计了一种使用蓝牙技术的PSTN语音网关。分析了PSTN和移动通信网络融合的必要性，阐述了系统的功能，并给出了完整的硬件结构和软件架构。通过实际使用测试，手机和网关在10 m距离内，音质清晰、通话质量良好。
关键词 蓝牙技术；PSTN；网关

    近年来随着通信技术的迅猛发展，人们在享受移动通信带来的便捷性的同时，也承担了一些相应的负面影响：首先是手机微波辐射，长时间的微波辐射会引起人体神经衰弱、心悸胸闷、头晕目眩、精神不振等病症，并可能会造成的严重的恶性脑瘤；其次移动通信网络和固话网络之间的切换，多数人既是移动通信网的用户，同时也是固话网用户，而两者之间的不兼容性造成了通信资源浪费。因此，人们对于移动通信网络和同话网络之间的无缝切换需求在不断提高。
    蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术，支持点对点及对多点的通信。目前几乎所有的移动通信网手机都支持蓝牙技术，所以文中通过设计一款嵌入式蓝牙PSTN网关，即可实现手机通过蓝牙无线方式接入固话网络(Public Switched Telephone Network，PSTN)。这样利用网关，用户手机可以转移到固定电话上，避免了手机造成的微波辐射伤害，也充分利用了现有网络资源，其结构如图1所示。

1 系统方案的分析与论证
1．1 需求分析
    当前，许多用户因为不同的应用需求，同时拥有移动通信网和固话网两种通信业务，尤其是商务用户，往往拥有多部移动手机，在室内办公时常常会因为接听不同的电话而手忙脚乱。
    而且由于手机通信是不间断地与发射基站联系，而必定需要接收和发送强力的通讯电波。在使用手机过程中，天线恰恰离大脑最近，所以会对人脑有负面影响。
    人们迫切地需要一款设备，使得只通过固定电话即可接听所有通信网络的来电。眼下较热门的固网和移动网融合(Fixed-mobile eonver gence，FMC)正是这些用户的切实需要。
    文中通过设计一款蓝牙PSTN网关把所有手机来电转移到固定电话，达到移动通信网和固话网的融合，使得用户可以通过同定电话接听所有的来电，也完全避免了手机对人体的频繁辐射，满足了用户“一机多接”和健康环保的需求。
1．2 经济效益
    根据市场研究公司Informa Telecoms&Media报告：到2011年，全球FMC用户将达到9 200万，FMC收入也将达到280亿美元，占全球移动用户总数的3％。
    FMC在是个新兴市场，未来拥有巨大的发展潜力，在市场具有较大的经济效益。
1．3 社会效益
    方案具有使用方便、成本低廉、绿色环保等优点。推广开来能为人们的工作生活带来便利，提高通信网络资源的利用率，响应现在人们绿色生活的提议，具有一定的社会效益。
    文中的研究设计针对现在的FMC提出了一种新的设计思路和解决方案，阐述了一种实用性很强的嵌入式蓝牙网关系统的开发方法。[page]

    2 系统总体设计
    设计主要由蓝牙模块、音频编解码模块和电话机接口模块等几部分组成。其系统总体设计框图入图2所示。

    网关控制器接收到蓝牙模块发来的数据并通过协议栈解释为摘机、挂机、来电显示等命令，按照相应命令通过线路切换电路进行网络间的切换，当通话链接建立后，手机将语音数据通过蓝牙的SCO链路转接到MC145483芯片转换为模拟信号，最后送往电话机模块。来电姓名、电话号码在液晶屏上显示，键盘用来进行网络线路的切换。

3 各部分模块的设计
3．1 主要芯片简介
    系统中的蓝牙模块采用CSR公司的BlueCore4-External蓝牙芯片。BlueCore4-External是一款包含高频组件和基带控制器的单芯片解决方案，该芯片完全遵循蓝牙系统的数据和音频连接，其基于Class 2功率级别，能有效保证10 m以内数据的稳定传输，音频接口支持PCM协议，模块和设备同件完全兼容蓝牙规范V2．1和EDA。芯片还集成了如下功能模块：
    (1)RF接收器，由低噪声放大器，A／D转换器组成。
    (2)RF发送器，带功率放大器，IQ调制器，D＼A转换器。
    (3)功率控制校准器。
    (4)基带逻辑，由MMU，批量控制器组成。
    (5)基带DSP，负责向前纠错，HEC，CRC校检，数据白化，编解码。
    (6)48 kB系统RAM，供MCU使用。
    (7)4 Mbit ROM，蓝牙协议栈固件。
    芯片接口丰富，提供标准的UART，USB，SPI，语音PCM，可编程B0口。其性能完全满足室内的应用需求。
    语音芯片采用摩托罗拉公司的MC145483芯片，该芯片支持13位线性ADC／DAC转换，集成了带通滤波器和低通滤波器及RC电路的前沿和后沿滤波器，并且采用差分模拟电路，以达到低噪声，其接收信号增益控制以3 dB的步长可以从0 dB变化到20dB。
    设计中的电话线路接口芯片采用SHL603C，该芯片内置-48 V馈电电源和75 V铃流源，且包含了馈电和馈铃切换电路，无需外接馈电和馈铃切换继电器，并且增加了倒极功能。
3．2 蓝牙模块
    蓝牙模块包括蓝牙射频电路、基带处理电路和MCU控制电路，设计中使用了BlueCore4-External单芯片解决方案，其结构如图3所示。

     BlueCore4-External芯片自带一个16位的RSIC微处理器，通过自带的MCU可以处理蓝牙协议栈和蓝牙数据，并运行相应的功能程序。
    芯片提供有15个PIO，包括12个数字PIO和3个模拟PIO。其中PI09-PIO11分配给键盘模块，用于接收控制命令；PIO7连接SLC603C，其高电平时作为挂机状态，低电平处于摘机状态。具体的电路图如图4所示。

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    3．3 电话机模块
    SHL603C是采用单5 V供电的用户接口电路芯片，集成了用户接口电路的所有功能，简化了用户外围电路的设计。其中RC引脚是馈铃馈电控制引脚：当高电平时模块振铃；低电平时模块馈电。设计中将BC4-ext芯片的PIO4和PIO5分别分配给SHK2引脚和RC引脚。其详细电路如图5所示。

3．4 语音编解码模块
    语言编解码模块负责对语音数据进行A／D和D／A转换。蓝牙模块通过PCM数据接口构成其与语音芯片MC145483的收发数据通道，并通过PCM_SYNC控制语音同步，通过PCM_CLK控制控制送给语音芯片的时钟信号。设计电路如图6所示。

4 软件设计
    应刚程序的开发，选择CSR公司的Bluelab。BlueLab的蓝牙软件开发包主要由以下几部分组成：
    (1)xIDE集成开发环境。
    (2)包含蓝牙协议栈的BlueCore固件。
    (3)常用的几种蓝牙剖面。
    (4)库文件和相应的头文件。
    BlueLab允许程序员根据特殊的需要以灵活的方式开发应用程序，使用参考示例代码简化开发进程。在对蓝牙语音收发组件的软件进行设计时，就可以以相关剖面(Profile)进行开发。
    软件部分的设计主要包括按键处理子程序、显示处理子程序以及主程序。主程序用于进行系统的初始化，负责蓝牙语音设备的配对连接，并响应按键模块的命令，处理手机和同定电话之间的语音切换，同时负责将获取的状态信息，如通话状态、来电显示等传递给液晶显示模块进行显示。按键子模块分为3个按键功能：(1)“固话”按键；(2)“手机”按键；(3)“拒接”按键。当PSTN网络或移动通信网有来电呼叫时，对应的“固话”或“手机”按键的指示灯会闪烁，这时通过按键即可进行不同通信网络问的切换。显示部分子程序包含了显示驱动芯片的初始化函数，并定义了分屏显示、显示汉字、显示图形等函数。
4．1 主程序设计
    Bluelab提供了一种虚拟多任务的体系架构VM(Virtual Machine)，使得应用程序可以处理多任务。该机制把应用程序中需要处理的各种消息分类，设立多个消息队列，每个消息队列的消息都采用一个单独的TASK来处理，如同有不同的TASK在处理不同的事物，实现了多任务机制。[page]

      在Main函数中对系统初始化以后会调用消息处理函数MessageLoop()，开始进行消息调度。之后整个系统的程序都以消息机制进行运行，当系统接收到不同的状态，app_handler()函数负责将对应的消息分发到相应的处理子程序函数进行处理，主程序流程图如图7所示。

4．2 按键处理及显示处理子程序设计
    按键处理子程序的作用主要是响应按键中断，从而完成挂断、接听及网络间的切换等功能实现。系统的3个按键分别使用了PIO9-PIO11这3个PIO口，使用PioGetPin()和PioSetPin()函数即可灵活的对PIO引脚进行监测和修改。

    显示程序中将整块显示屏分为上下两部分，通过chn_dispup()和chn_dispdown()两个函数分别对上、下半屏的字符显示进行处理。另外设计了图形显示程序img_disp()用来对未来的需求进行支持，显示程序流程图如图8所示。

5 结束语
    设计的嵌入式蓝牙PSTN网关，能兼容市面上大多数的蓝牙手机，可以支持PSTN网络和移动通信网同时来电接听，并能即时且方便地在两个通话网络之间互相切换。通过实际使用测试，手机和网关在10 m的距离以内，音质清晰、通话质量良好。
    嵌入式蓝牙PSTN网关，融合了同话网络和移动通信网络，做到了“二网合一”，增加了通信的便捷性，避免了通信资源的浪费，更重要的是能使手机使用者尽可能得避免微波辐射，符合现在生活的环保理念。