嵌入式以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要:給出嵌入式以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的軟硬件解決方案并給出系統(tǒng)原理框圖，基于LM3S8962和MS6336的硬件電路設(shè)計圖，以及實現(xiàn)語音信號采集、存儲、傳輸和播放的方法和步驟，找到一種簡單地實現(xiàn)以太網(wǎng)區(qū)域廣播的方法，并在系統(tǒng)播放終端采用GPIO口軟件模擬實現(xiàn)了I2S功能，實現(xiàn)語音信號的實時廣播。實驗結(jié)果表明該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、擴展性強，能夠很好地實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的各項功能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞:以太網(wǎng);數(shù)字語音廣播;語音解碼;區(qū)域廣播

中圖分類號:TP393文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)06-099-03

Design and Implementation of Digital Audio Broadcasting Based on Ethernet

YAN Hongchao，GOU Xiantai

(Department of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)

Abstract:Solutions of realizing the digital audio broadcasting system based on Ethernet are proposed，main framework of the system is presented，the hardware circuit diagram composed of LM3S8962 and MS6336 is given，the methods and steps of collecting and transmitting audio data are discussed.A simple and easy method to achieve the regional broadcast is presented，the I2S is implemented with the software mode in the terminal of broadcasting system，and the real-time broadcast of audio data is effectuated.The experimental results verify the design and indicate that the system has simple structure and high performance.

Keywords:ethernet;digital audio broadcasting;audio decode;regional broadcast

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)解決語音信號遠(yuǎn)距離傳輸難題。允許設(shè)計者創(chuàng)建大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)以千路的數(shù)字語音信號在以太網(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，實現(xiàn)了廣播與計算機網(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、維護管理復(fù)雜以及互動性差等問題[1]。同時可以實現(xiàn)選擇全部、部分或特定區(qū)域進行定向分組廣播，突破了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)只能對全部區(qū)域進行公共廣播的局限[2]。現(xiàn)有的以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)在實現(xiàn)區(qū)域廣播功能上大都采用控制信號控制播放終端加入或者離開組播組的方式實現(xiàn)[3]，需要在實現(xiàn)廣播之前發(fā)送控制信號使終端加入組播組然后才能實現(xiàn)廣播，或者在服務(wù)器端建立一張復(fù)雜的映射表來維護播放終端的狀態(tài)以實現(xiàn)區(qū)域廣播[4]，功能實現(xiàn)較為復(fù)雜。

在此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)域廣播的實現(xiàn)，廣播內(nèi)容能夠同步播放和保存。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

廣播系統(tǒng)服務(wù)器端在PC機上實現(xiàn)，是一個由VC++實現(xiàn)的語音信號采集、存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某绦颉Ｔ摬糠滞ㄟ^麥克風(fēng)對語音信號進行采集存儲，然后將語音數(shù)據(jù)通過UDP的方式傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上，實現(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

廣播系統(tǒng)播放終端主控制芯片采用Luminary Micro公司所提供的微控制器LM3S8962。該系列芯片是首款基于ARMR 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 Justified，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。

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提供控制信號和語音數(shù)據(jù)信號。LM3S8962支持I2C功能，PB2和PB3口分別提供了I2C的時鐘和數(shù)據(jù)信號，可以將這兩個引腳和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口軟件模擬實現(xiàn)MS6336需要的I2S數(shù)據(jù)輸入格式。在設(shè)計中采用PA5，PA6，PA7口來模擬實現(xiàn)該功能。三個引腳分別對應(yīng)I2S的聲道選擇信號、時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，將這三個引腳和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。

圖2 播放終端硬件連接圖

3 廣播系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)計實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的實時播放，所以要求語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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，同時本系統(tǒng)工作在局域網(wǎng)內(nèi)，臨時用戶較少，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)實現(xiàn)，為了不造成語音數(shù)據(jù)的丟失，該設(shè)計利用雙緩沖來存儲語音數(shù)據(jù)，實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 語音數(shù)據(jù)采集流程

當(dāng)一個錄音緩沖區(qū)滿時，系統(tǒng)立刻將另一個錄音緩沖區(qū)發(fā)送給錄音設(shè)備繼續(xù)錄音，而應(yīng)用程序此時要讀取已經(jīng)錄音滿的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并進行處理。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，還要注意的一點是，當(dāng)一個緩沖區(qū)錄音滿以后，應(yīng)用程序?qū)υ摼彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，同時第二個緩沖區(qū)用于錄音，數(shù)據(jù)處理的時間一定要小于第二個緩沖區(qū)錄音滿需要的時間，否則在第二個緩沖區(qū)錄音滿以后第一個緩沖區(qū)還沒有重新賦給錄音設(shè)備，就會造成語音數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)語音信號采樣率大的時候適當(dāng)增加緩沖區(qū)的大小，可以有效地解決這個問題。

為了將廣播的內(nèi)容進行保存以備后需，需要將廣播內(nèi)容保存在一個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，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)整個廣播過程結(jié)束時，所有的語音數(shù)據(jù)都被保存在了WAV文件中，實現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)的存儲。

當(dāng)一個錄音緩沖區(qū)滿后，這時就需要將已經(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)計中首先利用Csocket類創(chuàng)建一個套接字，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)計中語音信號的采樣率為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1 024 B。

3.2 區(qū)域廣播的實現(xiàn)

以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用就是不僅可以實現(xiàn)全區(qū)廣播，同時可以實現(xiàn)局域廣播功能，即對指定的終端進行廣播。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)，實現(xiàn)全區(qū)廣播。為了實現(xiàn)局域廣播功能，該設(shè)計中在語音數(shù)據(jù)前面添加了一個結(jié)構(gòu)體，如下所示，同時還有一個配置文件用于存儲系統(tǒng)各終端的IP地址。

struct STRING

{String IPNO1;

String IPNO2;

…

String IPNO9;

String IPNO10};

當(dāng)需要對某幾個終端進行區(qū)域廣播時，在廣播系統(tǒng)服務(wù)器端的面板上(如圖4所示)將這幾個終端對應(yīng)的編號選上。這時就將被選中終端的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，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，則進行數(shù)據(jù)的接收播放，如果沒有則對數(shù)據(jù)進行丟棄處理，這樣就實現(xiàn)了區(qū)域廣播功能。相對于采用控制信號控制播放終端加入或者離開組播組，或者通過動態(tài)維護復(fù)雜的映射表以實現(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行交互控制，也不需要動態(tài)跟蹤終端狀態(tài)，只需要在終端第一次加入系統(tǒng)時將終端對應(yīng)的IP地址寫入配置文件即可，功能實現(xiàn)簡單。

圖4 廣播系統(tǒng)服務(wù)器端操作界面

3.3 廣播系統(tǒng)播放終端軟件的實現(xiàn)

廣播系統(tǒng)播放終端分為兩個部分來實現(xiàn)，音頻數(shù)據(jù)接收部分用于接收語音數(shù)據(jù)并進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，音頻解碼器實現(xiàn)語音信號的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地址進行比較，如果有成員變量和自己的IP地址相等，則存儲該數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，否則丟棄。

語音數(shù)據(jù)的接收存儲采用循環(huán)隊列的方式，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。同時為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動[4]，每次在循環(huán)隊列中包含至少5個數(shù)據(jù)包的時候才對數(shù)據(jù)進行處理。

設(shè)計中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口采用軟件模擬實現(xiàn)I2S功能。為了完整還原出語音信號，需要保證I2S信號時序嚴(yán)格精確，高低電平的轉(zhuǎn)換采用延時程序?qū)崿F(xiàn)，I2S時序圖如圖5所示。

圖5 I2S信號時序圖

廣播系統(tǒng)播放終端時鐘頻率為40 MHz，由采樣率計算可得每發(fā)送一個數(shù)據(jù)位的時間為600 ns。LM3S8962給MS6336提供語音數(shù)據(jù)，按照采樣點通過GPIO口實現(xiàn)串行傳輸。每個采樣點包含四個字節(jié)，一個采樣點數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

圖6 單采樣點數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

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1 024 B，為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動，終端在收到5個數(shù)據(jù)包的時候開始廣播，廣播延時時間為30 ms左右，滿足功能指標(biāo)。服務(wù)器端可以同時控制10個播放終端的工作，通過在服務(wù)器端選定相應(yīng)終端的編號，可以成功實現(xiàn)廣播系統(tǒng)的全區(qū)廣播和局域廣播功能。

5 結(jié) 語

這里從實際需求出發(fā)，設(shè)計實現(xiàn)一個以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明由系統(tǒng)播放終端決定是否進行語音廣播來實現(xiàn)區(qū)域廣播是一種簡單有效的實現(xiàn)語音信號全局廣播和區(qū)域廣播的方法。 系統(tǒng)播放終端采

用GPIO口軟件模擬實現(xiàn)了I2S功能，能夠精確地實現(xiàn)I2S時序，完成語音信號的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)語音信號的實時廣播。該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，并且能夠方便地實現(xiàn)功能擴充，如定時播音、音樂播放、遠(yuǎn)程管理、實時監(jiān)控等。該設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義，為解決大型復(fù)雜的以太網(wǎng)廣播系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

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