嵌入式以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

本文給出一種嵌入式以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)解決方案，能夠較簡單地實(shí)現(xiàn)廣播系統(tǒng)的區(qū)域廣播功能。該系統(tǒng)基于ARM架構(gòu)，采用系統(tǒng)播放終端仲裁的方法控制區(qū)域廣播的實(shí)現(xiàn)，廣播內(nèi)容能夠同步播放和保存。

以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)主要是指以以太網(wǎng)為傳播介質(zhì)提供音頻服務(wù)的廣播系統(tǒng)，可以很好地利用以太網(wǎng)解決語音信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸難題。允許設(shè)計(jì)者創(chuàng)建大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)以千路的數(shù)字語音信號(hào)在以太網(wǎng)上傳輸，充分利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，避免重復(fù)架設(shè)線路的麻煩，實(shí)現(xiàn)了廣播與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)合一，徹底解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在的音質(zhì)不佳、容易受干擾、維護(hù)管理復(fù)雜以及互動(dòng)性差等問題。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)選擇全部、部分或特定區(qū)域進(jìn)行定向分組廣播，突破了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)只能對全部區(qū)域進(jìn)行公共廣播的局限?，F(xiàn)有的以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播功能上大都采用控制信號(hào)控制播放終端加入或者離開組播組的方式實(shí)現(xiàn)，需要在實(shí)現(xiàn)廣播之前發(fā)送控制信號(hào)使終端加入組播組然后才能實(shí)現(xiàn)廣播，或者在服務(wù)器端建立一張復(fù)雜的映射表來維護(hù)播放終端的狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播，功能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

　　1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用C／S結(jié)構(gòu)，由廣播系統(tǒng)服務(wù)器端與廣播系統(tǒng)播放終端兩部分組成，如圖1所示。

　　廣播系統(tǒng)服務(wù)器端在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)由VC++實(shí)現(xiàn)的語音信號(hào)采集、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某绦?。該部分通過麥克風(fēng)對語音信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，然后將語音數(shù)據(jù)通過UDP的方式傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

　　廣播系統(tǒng)播放終端為基于LM3S8962的嵌入式終端，實(shí)現(xiàn)從以太網(wǎng)上接收發(fā)送給它的IP語音數(shù)據(jù)包，并由音頻解碼芯片MS6336完成語音數(shù)據(jù)的數(shù)／模轉(zhuǎn)換及播放。

　　2 廣播系統(tǒng)播放終端硬件設(shè)計(jì)

　　廣播系統(tǒng)播放終端主控制芯片采用LuminaryMicro公司所提供的微控制器LM3S8962。該系列芯片是首款基于ARM CortexTM-M3的控制器，內(nèi)部集成以太網(wǎng)控制器，是業(yè)界首款支持工業(yè)以太網(wǎng)(IEEE)的ARM芯片，可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。

　　音頻解碼芯片采用MOSA公司生產(chǎn)的MS6336芯片。該芯片是一款16位立體聲音頻數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，支持的數(shù)字輸入格式有Right Justifl-ed，Left Justified，I2S。MS6336控制接口采用I2C總線，接口容易設(shè)定。DAC部分具有精確穩(wěn)定的電流量，結(jié)合極好的對稱譯碼方式，能夠重現(xiàn)出高質(zhì)量的音頻信號(hào)。

　　主控制芯片LM3S8962通過磁性元件與RJ45接口相連，用于從以太網(wǎng)上接收語音數(shù)據(jù)。LM3S8962為音頻解碼芯片MS6336提供控制信號(hào)和語音數(shù)據(jù)信號(hào)。LM3S8962支持I2C功能，PB2和PB3口分別提供了I2C的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，可以將這兩個(gè)引腳和MS6336的I2C功能引腳直接相連，并且需要加上拉電阻。LM3S8962不支持MS6336需要的數(shù)據(jù)輸入格式，系統(tǒng)中MS6336的數(shù)據(jù)輸入格式采用I2S，所以要給MS6336提供語音數(shù)據(jù)，需要采用LM3S8962的GPIO口軟件模擬實(shí)現(xiàn)MS6336需要的I2S數(shù)據(jù)輸入格式。在設(shè)計(jì)中采用PA5，PA6，PA7口來模擬實(shí)現(xiàn)該功能。三個(gè)引腳分別對應(yīng)I2S的聲道選擇信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，將這三個(gè)引腳和MS6336的I2S功能引腳相連。

　　以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)播放終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　3 廣播系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　廣播系統(tǒng)軟件分為廣播系統(tǒng)服務(wù)器端軟件和播放終端軟件兩部分。

　　該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)播放，所以要求語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到保障，而對于數(shù)據(jù)的完整性要求不是太嚴(yán)格，少量的丟包也不會(huì)影響整體的播放效果，所以該系統(tǒng)的語音數(shù)據(jù)傳輸采用UDP傳輸方式，同時(shí)本系統(tǒng)工作在局域網(wǎng)內(nèi)，臨時(shí)用戶較少，故采用IP地址靜態(tài)分配，簡化播放終端軟件部分的實(shí)現(xiàn)。

　　3．1 廣播系統(tǒng)服務(wù)器端語音數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與發(fā)送

　　語音數(shù)據(jù)的采集利用低層WAVE音頻API函數(shù)實(shí)現(xiàn)，為了不造成語音數(shù)據(jù)的丟失，該設(shè)計(jì)利用雙緩沖來存儲(chǔ)語音數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

　　當(dāng)一個(gè)錄音緩沖區(qū)滿時(shí)，系統(tǒng)立刻將另一個(gè)錄音緩沖區(qū)發(fā)送給錄音設(shè)備繼續(xù)錄音，而應(yīng)用程序此時(shí)要讀取已經(jīng)錄音滿的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。然后調(diào)用waveInAddBuffer函數(shù)將該緩沖區(qū)重新賦給錄音設(shè)備，循環(huán)利用。

　　為了防止錄音過程中語音數(shù)據(jù)的丟失，只是簡單地利用雙緩沖是不夠的，還要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)錄音滿以后，應(yīng)用程序?qū)υ摼彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)第二個(gè)緩沖區(qū)用于錄音，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間一定要小于第二個(gè)緩沖區(qū)錄音滿需要的時(shí)間，否則在第二個(gè)緩沖區(qū)錄音滿以后第一個(gè)緩沖區(qū)還沒有重新賦給錄音設(shè)備，就會(huì)造成語音數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)語音信號(hào)采樣率大的時(shí)候適當(dāng)增加緩沖區(qū)的大小，可以有效地解決這個(gè)問題。

　　為了將廣播的內(nèi)容進(jìn)行保存以備后需，需要將廣播內(nèi)容保存在一個(gè)WAV文件中。WAV文件具有固定的頭格式，在保存語音數(shù)據(jù)之前，需要先將WAV文件的頭部設(shè)定好，否則保存的WAV文件無法播放。在每一次錄音緩沖區(qū)滿時(shí)，首先找到WAV文件的結(jié)尾處，然后將采集到的數(shù)據(jù)依次寫在文件尾部。當(dāng)整個(gè)廣播過程結(jié)束時(shí)，所有的語音數(shù)據(jù)都被保存在了WAV文件中，實(shí)現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

　　當(dāng)一個(gè)錄音緩沖區(qū)滿后，這時(shí)就需要將已經(jīng)采集到的語音數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。在設(shè)計(jì)中首先利用Csocket類創(chuàng)建一個(gè)套接字，接下來只需要將采集到的數(shù)據(jù)封裝成IP包發(fā)送出去。該設(shè)計(jì)中語音信號(hào)的采樣率為44．1 kHz，16位雙聲道。為了避免語音數(shù)據(jù)丟失，錄音緩沖區(qū)的大小設(shè)定為1024B。

　　3．2 區(qū)域廣播的實(shí)現(xiàn)

　　以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用就是不僅可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)廣播，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)局域廣播功能，即對指定的終端進(jìn)行廣播。因此，在語音IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)傳輸中采用UDP組播包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用組播包傳輸數(shù)據(jù)，在局域網(wǎng)內(nèi)所有包含在該組中的終端都可以接收到數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全區(qū)廣播。為了實(shí)現(xiàn)局域廣播功能，該設(shè)計(jì)中在語音數(shù)據(jù)前面添加了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，如下所示，同時(shí)還有一個(gè)配置文件用于存儲(chǔ)系統(tǒng)各終端的IP地址。

　　struct STRING

　　{String IPNO1;

　　String IPNO2;

　　…

　　String IPNO9;

　　String IPNO10};

　　當(dāng)需要對某幾個(gè)終端進(jìn)行區(qū)域廣播時(shí)，在廣播系統(tǒng)服務(wù)器端的面板上(如圖4所示)將這幾個(gè)終端對應(yīng)的編號(hào)選上。這時(shí)就將被選中終端的IP地址從配置文件中讀出并賦給該結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的變量。當(dāng)終端接收到IP組播包時(shí)，首先判斷該結(jié)構(gòu)體是否有和自己的IP地址相同的變量，如果有，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收播放，如果沒有則對數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄處理，這樣就實(shí)現(xiàn)了區(qū)域廣播功能。相對于采用控制信號(hào)控制播放終端加入或者離開組播組，或者通過動(dòng)態(tài)維護(hù)復(fù)雜的映射表以實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播功能的方法。該方法不需要在每次廣播之前對播放終端進(jìn)行交互控制，也不需要?jiǎng)討B(tài)跟蹤終端狀態(tài)，只需要在終端第一次加入系統(tǒng)時(shí)將終端對應(yīng)的IP地址寫入配置文件即可，功能實(shí)現(xiàn)簡單。

　　3．3 廣播系統(tǒng)播放終端軟件的實(shí)現(xiàn)

　　廣播系統(tǒng)播放終端分為兩個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)，音頻數(shù)據(jù)接收部分用于接收語音數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，音頻解碼器實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的D／A轉(zhuǎn)換并播放。音頻數(shù)據(jù)接收部分采用Socket編程實(shí)現(xiàn)從以太網(wǎng)上接收語音數(shù)據(jù)，在接收到語音數(shù)據(jù)包以后，首先要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，是否是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包。終端通過將IP包中結(jié)構(gòu)體struct STRING的成員變量與自己的IP地址進(jìn)行比較，如果有成員變量和自己的IP地址相等，則存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，否則丟棄。

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　　語音數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)采用循環(huán)隊(duì)列的方式，由于UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o序性，在語音數(shù)據(jù)接收端接收到語音數(shù)據(jù)以后需要對語音數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，以保證對語音數(shù)據(jù)的順序處理，還原出正確的語音信號(hào)。同時(shí)為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，每次在循環(huán)隊(duì)列中包含至少5個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候才對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　設(shè)計(jì)中MS6336的數(shù)據(jù)輸入格式采用I2S格式，由于LM3S8962不支持該數(shù)據(jù)格式，所以通過GPIO口采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S功能。為了完整還原出語音信號(hào)，需要保證I2S信號(hào)時(shí)序嚴(yán)格精確，高低電平的轉(zhuǎn)換采用延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，I2S時(shí)序圖如圖5所示。

　　廣播系統(tǒng)播放終端時(shí)鐘頻率為40 MHz，由采樣率計(jì)算可得每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間為600 ns。LM3S8962給MS6336提供語音數(shù)據(jù)，按照采樣點(diǎn)通過GPIO口實(shí)現(xiàn)串行傳輸。每個(gè)采樣點(diǎn)包含四個(gè)字節(jié)，一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

　　4 結(jié)果分析

　　該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)包大小為1024B，為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，終端在收到5個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候開始廣播，廣播延時(shí)時(shí)間為30 ms左右，滿足功能指標(biāo)。服務(wù)器端可以同時(shí)控制10個(gè)播放終端的工作，通過在服務(wù)器端選定相應(yīng)終端的編號(hào)，可以成功實(shí)現(xiàn)廣播系統(tǒng)的全區(qū)廣播和局域廣播功能。

　　5 結(jié)語

　　這里從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由系統(tǒng)播放終端決定是否進(jìn)行語音廣播來實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播是一種簡單有效的實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)全局廣播和區(qū)域廣播的方法。系統(tǒng)播放終端采　用GPIO口軟件模擬實(shí)現(xiàn)了I2S功能,能夠精確地實(shí)現(xiàn)I2S時(shí)序,完成語音信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的實(shí)時(shí)廣播。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理,并且能夠方便地實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)充,如定時(shí)播音、音樂播放、遠(yuǎn)程管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等。該設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,為解決大型復(fù)雜的以太網(wǎng)廣播系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。