當(dāng)前位置:首頁 > 嵌入式 > 嵌入式教程
[導(dǎo)讀]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。

[!--empirenews.page--]

  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。

[!--empirenews.page--]

  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)。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉