DIY之樂：基于PIC32的以太網(wǎng)音箱設(shè)計案例，硬件框圖、器件選型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件流程

1 前言

在日常生活中人們聽到的各種聲音，其信號強(qiáng)度都是隨時間連續(xù)變化的，我們稱這種信號為模擬信號。傳統(tǒng)的聲音記錄方式是將這種模擬信號直接記錄下來，例如磁 帶錄音和密紋唱片（也稱EP唱片）就是將聲音拾取處理后以磁記錄或機(jī)械刻度的方式記錄下來，此時磁帶上剩磁的變化或密紋，唱片音槽內(nèi)的紋路起伏變化都是與聲音信號的變化相對應(yīng)、成正比的。記錄儲存這種模擬聲音信號的載體，諸如密紋唱片、盒式磁帶等，稱為模擬音響軟件，而能夠播放和（或）記錄這些軟件的信號 處理設(shè)備，諸如電唱機(jī)、磁帶錄音機(jī)等，則稱為模擬音響設(shè)備或模擬音響系統(tǒng)。模擬信號在錄制、傳輸、處理和放大過程中，很容易產(chǎn)生失真和噪聲，使得模擬音響軟件和硬件的電聲技術(shù)指標(biāo)難以大幅度提高^[1]。

數(shù)字信號抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進(jìn)行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。對于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時，即在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號，所以可實現(xiàn)長距離高質(zhì)量的傳輸^[2]。

數(shù)字通信的信號形式和計算機(jī)所用信號一致，都是二進(jìn)制代碼，因此便于與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也便于用計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實現(xiàn)自動化、智能化。數(shù)字通信采用時分多路復(fù)用，不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，因此體積小、功耗低。便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控數(shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合。占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展(可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率)，數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了^[3]。

以上介紹了數(shù)字信號具有很多優(yōu)點，克服了模擬音響技術(shù)的缺陷，數(shù)字音響技術(shù)應(yīng)運而生，并從本世紀(jì)80年代起獲得了引人注目的發(fā)展。

傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)（如校園、公園、商場等）同時只能播放一個節(jié)目，因此聽眾的選擇性較??；并且模擬信號在傳輸?shù)倪^程中會衰減、易受干擾而增加噪聲。隨著以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，數(shù)字化信號處理已經(jīng)成熟。因此本文提出了以太網(wǎng)音箱替代傳統(tǒng)模擬廣播音響，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字音頻，既可以保證音頻信號質(zhì)量，還可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和區(qū)域進(jìn)行單播、組播，使廣播內(nèi)容更有針對性。本項目使用PIC32 Ethernet Starter Kit，利用PIC32 Starter Board PIM Adapter外接DA驅(qū)動底板。利用以太網(wǎng)通信傳輸MP3碼流和基于PIC32的高性能軟解碼MP3文件，利用SPI接口驅(qū)動DA輸出模擬信號，實現(xiàn)了高效、高質(zhì)量、低成本的以太網(wǎng)音箱。

2相關(guān)技術(shù)和原理

2.1相關(guān)技術(shù)

2.1.1 MP3

MP3全稱是動態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）。是當(dāng)今較流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式，它設(shè)計用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量，而對于大多數(shù)用戶來說重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒 有明顯的下降。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發(fā)明和標(biāo)準(zhǔn)化的。

使用PCM信號進(jìn)行MP3壓縮時，以1152個PCM采樣值為單位，封裝成具有固定長度的MP3數(shù)據(jù)幀，幀是MP3文件的最小組成單位。在解碼時，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復(fù)出1152個PCM采樣值。這1152個采樣值被分為2個粒度組，每個粒度組包含576個采樣值。一個MP3數(shù)據(jù)幀分為5個部分：幀頭、CRC校驗值、邊信息、主數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流的同步以及幀頭信息的讀取MP3數(shù)據(jù)流的同步以幀為單位，每一幀的幀頭都包含同步信息。這個同步信息是連續(xù)的12比特的‘1’組成。MP3音頻解碼過程中的第一步就是使解碼器與輸入數(shù)據(jù)流同步。在啟動解碼器后，可以通過搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長的同步字來完成。在取得同步以后跟著的數(shù)據(jù)就是幀頭信息，包括采樣率、填充位、比特率等信息。

主數(shù)據(jù)的讀取在MP3編碼過程中使用了比特池技術(shù)，所以當(dāng)前幀的主數(shù)據(jù)不一定全部都在當(dāng)前幀中，在解碼過程中，必須結(jié)合主數(shù)據(jù)開始指針的值來確定主數(shù)據(jù)的開始位置。主數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)有縮放因子、哈夫曼數(shù)據(jù)及附加數(shù)據(jù)。這些字段在主數(shù)據(jù)中有固定的格式。

哈夫曼解碼和反量化在MP3編碼過程中，根據(jù)心理聲學(xué)模型的輸出，對離散余弦變換的輸出樣本以粒度為單位進(jìn)行的量化和分配，再對量化的結(jié)果進(jìn)行哈夫曼編碼。量化和編碼主要是通過循環(huán)迭代完成的，循環(huán)模塊分為三層來描述，最高層為幀循環(huán)，它調(diào)用外層迭代循環(huán)，而外層迭代循環(huán)又調(diào)用內(nèi)層迭代循環(huán)。但在解碼過程中，哈夫曼解碼和反量化過程是分開實現(xiàn)的。每個粒度組的頻率線都是用不同的哈夫曼表來進(jìn)行編碼的，因此在解碼過程中，需要采用不同的解碼方法。反量化頻譜過程就是基于所得到的哈夫曼解碼數(shù)據(jù)，根據(jù)逆量化全縮放公式和幀邊信息，對于不同的窗類型采用不同的公式以恢復(fù)576個頻率線的真實值。

反量化過程中得出的頻譜值不是按相同順序排列的。在編碼的MDCT過程中，對于長窗產(chǎn)生的頻譜值先按子帶然后按頻率排列；對于短窗，產(chǎn)生的頻譜值按子帶、窗、頻率的順序排列。為了提供哈夫曼編碼效率，短窗中的數(shù)據(jù)被重新排列，按照子帶、頻率、窗的順序排列。解碼時，重排序及時將短窗中的頻譜值重新排列。同樣，在編碼的MDCT過程中，為了得到更好的頻域特性，對長窗對應(yīng)每個子帶進(jìn)行了去混疊處理，為了得到正確的音頻信號，在解碼時必須對長窗對應(yīng)的子帶進(jìn)行混疊重建。

逆向離散余弦變換主要是使用逆向離散余弦變換的公式，對反量化得出的信號進(jìn)行變換。逆向離散余弦變換的計算十分復(fù)雜，為了提高效率，可以對計算做一些優(yōu)化。

頻率反轉(zhuǎn)和子帶合成頻率反轉(zhuǎn)是對逆向離散余弦變換的輸出值中的奇數(shù)號子帶（0到31號子帶中的1，3，5，...，31）中的奇數(shù)號樣本值（每個子帶中的 0到17號樣本值的1，3，5，...，17號樣本值）進(jìn)行反相處理，用來補償編碼時為提高離散余弦變換效率而進(jìn)行的頻率反轉(zhuǎn)。子帶合成濾波器將32個帶寬相等的子帶中的頻域信號反變換成時域信號。子帶合成是逆向離散余弦變換后的一個通道中32個子帶的樣值，經(jīng)過一系列的計算還原出32個PCM數(shù)字音頻信號的過程。子帶合成過程先將32個子帶樣值進(jìn)行逆向離散余弦變換，生成64個中間值，將這64個中間值轉(zhuǎn)入到一個長為1024點的類似先進(jìn)先出FIFO的緩存，再在這1024個值中抽取一半，構(gòu)成一個512個值的矢量，再進(jìn)行加窗運算，最后將加窗結(jié)果進(jìn)行疊加生成32個時域輸出。

2.1.2 RTLL

應(yīng)用程序開發(fā)人員可能考慮在他們的應(yīng)用程序中使用開源的代碼組件。開源代碼的證書可能要求覆蓋特殊代碼。這個要求對開發(fā)人員的開發(fā)或擁有者很不方便。RTLL（Run-Time Library Loading），運行時庫載入技術(shù)便應(yīng)用于這種情形下。利用這種技術(shù)不會將開源代碼鏈接到主應(yīng)用程序。它們被另外編譯，兩者不相互聯(lián)系。開源程序庫是在運行時才會利用載入器將函數(shù)指針集合載入^[4]。

2.2系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)在PIC32 Ethernet Starter Kit硬件基礎(chǔ)上，利用PIC32 Starter Board PIM Adapter外接DA驅(qū)動底板，構(gòu)成以太網(wǎng)音響終端設(shè)備。由PC作為服務(wù)器利用以太網(wǎng)以MP3幀為單位，將MP3音頻數(shù)據(jù)以播放速率傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)音箱終端。在終端中利用PIC32運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，接收由服務(wù)器發(fā)過來MP3幀，并解碼緩沖到終端的緩沖隊列里，保證終端設(shè)備的播放流暢。

圖1系統(tǒng)原理圖

圖1中描述了以太網(wǎng)音響的系統(tǒng)原理，描述了以太網(wǎng)音響的各個部分。圖2中描述了以太網(wǎng)音響的工作模型。以太網(wǎng)音響工作在局域網(wǎng)中，每個終端節(jié)點按需跟服務(wù)器相連，索要數(shù)據(jù)。

圖2系統(tǒng)模型圖

3硬件設(shè)計

3.1 PIC32 Ethernet Starter KIT簡介

PIC32 Ethernet Starter Kit[5]是一個非常簡單易用，低成本的用于體驗PIC3210/100Ethernet等功能的開發(fā)工具。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內(nèi)核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內(nèi)存以及眾多的外圍設(shè)備。這些設(shè)備包括USB控制器、定時器/計數(shù)器、串口控制器、A/D轉(zhuǎn)換器以及更多的設(shè)備。該板具有大量的I/O接口和電源選項，其中也包括USB電源^[5]。它同時還具有與Microchip MPLAB開發(fā)軟件相兼容的內(nèi)置編程、調(diào)試、下載電路。圖3就是本文中所用到的開發(fā)板。

圖3PIC32 Ethernet Starter Kit實物圖

3.2 DAC7512芯片

DAC7512是德州儀器生產(chǎn)的一個DAC芯片。該DAC7512是款低功耗，單向，12位緩沖電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。其內(nèi)置的精密輸出放大器允許軌對軌擺幅輸出。該DAC7512采用了通用的三線串行接口。工作時鐘速率最高30MHz，兼容標(biāo)準(zhǔn)的SPI，QSPI，Microwire和DSP接口。

DAC7512的參考電壓來自輸入電壓，從而在可能的最寬的動態(tài)輸出范圍。DAC7512采用了上電復(fù)位電路，確保DAC輸出上保持在0V直到有一個有效的寫操作在設(shè)備上。DAC7512包含省電特性，在串行接口訪問時，也可以降低電流消耗器件到50nA。正常模式工作的低功耗正好適用于便攜式電池供電設(shè)備。在5V電壓供電時，功率消耗為從0.7mW減少到掉電模式的1μW。

DAC7512可用于 SOT23-6 封裝和MSOP-8封裝。

圖4 DAC7512引腳視圖

3.3 PIC3 Starter Board PIM Adapter

以太網(wǎng)音箱中需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換，但PIC32 Ethernet Starter Kit中并未有DA和相應(yīng)的音頻輸出接口。因此需要使用到一塊轉(zhuǎn)接板，然后接插上本次設(shè)計中所用的DA輸出電路。其實物圖如圖5所示。

圖5 PIC3 Starter Board PIM Adapter

3.4硬件設(shè)計

圖6描述了三塊電路板的連線圖，DAC7512的SYNC、SCLK和DIN連接上了PIC32 Ethernet Starter Kit電路板上U1的引腳40、引腳39和引腳50，通過J2連上了MCU PIC32MX795F512L的SPI3的 SS3A、SCK3A和SDO3A。

圖6連接圖

圖7是DA驅(qū)動電路圖。

圖7以太網(wǎng)音箱DA電路驅(qū)動圖

3.5硬件實物圖

從圖7中可以看出，左側(cè)為PIC32EthernetStarterKIT實物圖，右側(cè)為擴(kuò)展的EMW-380-C模塊。

圖8以太網(wǎng)音箱實物圖

4軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的整個設(shè)計包括以太網(wǎng)音響終端設(shè)備軟件設(shè)計和PC服務(wù)器軟件設(shè)計。以太網(wǎng)音響終端設(shè)備實現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)通信，MP3軟解碼和DAC 驅(qū)動。而PC服務(wù)器軟件實現(xiàn)了對MP3文件的初步分析，分析提取MP3幀；通過TCP/IP的socket，以MP3幀為最小單位，按每秒26耗描勻速發(fā)送給以太網(wǎng)音響終端設(shè)備。

4.1PC服務(wù)器軟件設(shè)計

4.1.1通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

PC服務(wù)器利用非連接UDP和以太網(wǎng)音響終端設(shè)備通信，因此在應(yīng)用上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小不宜超過數(shù)據(jù)鏈路層上的最大數(shù)據(jù)單元。因為，如果超過數(shù)據(jù)鏈路層的上最大數(shù)據(jù)單元，會造成數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層上被拆分，而且由于數(shù)據(jù)在UDP上的不可靠性，會導(dǎo)致由于整批數(shù)據(jù)中的一個分段丟失導(dǎo)致了整個數(shù)據(jù)錯誤，因此應(yīng)用上傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)大小應(yīng)小于數(shù)據(jù)鏈路層上的最大數(shù)據(jù)單元。

上面就是發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。usDataHeader是數(shù)據(jù)包頭部分，其高4為該數(shù)據(jù)的類型：0x1表示該數(shù)據(jù)的為MP3幀，0x03表示該數(shù)據(jù)為MP3最后一幀；第27位到第20位為數(shù)據(jù)序號；第19位到第16位為保留字段；低16位為MP3幀數(shù)據(jù)大小。ucDataBuffer為MP3數(shù)據(jù)幀。

4.1.2應(yīng)用程序界面設(shè)計

圖9展示了PC程序的主界面，其分別有服務(wù)器設(shè)置，設(shè)置IP地址、端口和音頻文件。音頻屬性中顯示了選中音頻的相關(guān)信息。以太網(wǎng)音響信息，會顯示終端設(shè)備的IP地址和它的端口號。播放控制和現(xiàn)實中現(xiàn)實了播放間隔和相應(yīng)的數(shù)據(jù)包長度，并且可以控制是否發(fā)送數(shù)據(jù)和停止。

圖9 PC程序界面

4.1.3應(yīng)用程序設(shè)計

PC服務(wù)器可以配置綁定本機(jī)網(wǎng)卡地址和端口號。然后選擇MP3音頻節(jié)目，等待以太網(wǎng)終端設(shè)備發(fā)起數(shù)據(jù)請求。當(dāng)收到終端設(shè)備發(fā)來的連接請求時，將其IP地址和發(fā)送數(shù)據(jù)的端口號記錄下來，作為向終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的地址并將該信息現(xiàn)實到PC程序的界面上。

圖10PC服務(wù)器主程序

圖11PC服務(wù)器等待請求線程

圖12PC服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)定時器中斷

PC服務(wù)器在開啟時候會運行主界面程序（其流程圖如圖9所示）和接收終端設(shè)備請求線程（其流程圖如圖10所示）。當(dāng)用戶播放數(shù)據(jù)之后，程序會運行定時器終端程序，定時發(fā)送MP3數(shù)據(jù)幀。

4.2以太網(wǎng)終端設(shè)備軟件設(shè)計

4.1.1緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

下面是一個數(shù)據(jù)單元的結(jié)構(gòu)體。ucIndex為數(shù)據(jù)包序號；uiHeader該數(shù)據(jù)類型；uiSize為解碼的數(shù)據(jù)個數(shù)，數(shù)據(jù)單位為字節(jié)；ucBuffer為MP3解碼后的PCM碼流；fiInfo為針砭信息。解碼后的最大的數(shù)據(jù)長度為2304，因此將ucBuffer定義最大長度為2400。

考慮到網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)目赡艹霈F(xiàn)一些抖動、PC軟件定時器的誤差和需要給MP3解碼預(yù)留時間，因此需要在終端設(shè)備中緩沖一定的數(shù)據(jù)量。又由于，MP3音頻要實時播放因此不需要緩沖太大的數(shù)據(jù)量。

在本次設(shè)計中，在終端設(shè)備里將上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為20個緩沖區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖解碼到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)個數(shù)的一半時，開始播放PCM碼流。

4.1.2以太網(wǎng)終端設(shè)備軟件設(shè)計

以太網(wǎng)終端設(shè)備模塊有三個分別是EthernetSpeaker.c、EthernetSpeakerPlayer.c和MP3Api.c。EthernetSpeaker.c的功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，EthernetSpeakerPlayer.c是DA驅(qū)動模塊，MP3Api.c中包含MP3庫載入初始化，和MP3解碼函數(shù)。

圖13以太網(wǎng)音響終端設(shè)備程序流程圖

圖13描述了以太網(wǎng)終端設(shè)備程序流程圖，通過SW3按鍵向PC程序發(fā)送請求數(shù)據(jù)。圖14中描述了以太網(wǎng)終端設(shè)備的SP3 TX空的中斷服務(wù)程序。

圖14以太網(wǎng)終端設(shè)備SPI TX空中斷服務(wù)程序流程圖

5總結(jié)

本文實現(xiàn)了以太網(wǎng)音響在現(xiàn)有的以太網(wǎng)上可以播放MP3文件，解決了傳統(tǒng)模擬廣播系統(tǒng)的模擬的信號的缺點。實現(xiàn)了PC服務(wù)器勻速發(fā)送MP3幀文件，終端設(shè)備軟解碼并實時播放。最后的成品可以在局域網(wǎng)上流暢播放、控制終端設(shè)備。設(shè)計基本達(dá)到了賽前的設(shè)計需求。當(dāng)然，本次設(shè)計還是有遺憾和不足之處，遺憾的是由于PIC32不支持I2S，所以只有用SPI驅(qū)動DA，導(dǎo)致了只能播放單聲道。