嵌入式以太網數字語音廣播系統(tǒng)技術設計

本文給出一種嵌入式以太網數字語音廣播系統(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，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)，廣播內容能夠同步播放和保存。

以太網數字語音廣播系統(tǒng)主要是指以以太網為傳播介質提供音頻服務的廣播系統(tǒng)，可以很好地利用以太網解決語音信號遠距離傳輸難題。允許設計者創(chuàng)建大型網絡結構來實現(xiàn)數以千路的數字語音信號在以太網上傳輸，充分利用了現(xiàn)有網絡資源，避免重復架設線路的麻煩，實現(xiàn)了廣播與計算機網絡的多網合一，徹底解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在的音質不佳、容易受干擾、維護管理復雜以及互動性差等問題。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?，F(xiàn)有的以太網數字語音廣播系統(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)，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，或者在服務器端建立一張復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，功能實現(xiàn)較為復雜。

　　1 結構設計

　　該系統(tǒng)采用C／S結構，由廣播系統(tǒng)服務器端與廣播系統(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、網絡傳輸的程序。該部分通過麥克風對語音信號進行采集存儲，然后將語音數據通過UDP的方式傳輸到以太網上，實現(xiàn)語音數據的網絡傳輸功能。

　　廣播系統(tǒng)播放終端為基于LM3S8962的嵌入式終端，實現(xiàn)從以太網上接收發(fā)送給它的IP語音數據包，并由音頻解碼芯片MS6336完成語音數據的數／模轉換及播放。

　　2 廣播系統(tǒng)播放終端硬件設計

　　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，內部集成以太網控制器，是業(yè)界首款支持工業(yè)以太網(IEEE)的ARM芯片，可以方便地實現(xiàn)網絡功能。

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

　　主控制芯片LM3S8962通過磁性元件與RJ45接口相連，用于從以太網上接收語音數據。LM3S8962為音頻解碼芯片MS6336提供控制信號和語音數據信號。LM3S8962支持I2C功能，PB2和PB3口分別提供了I2C的時鐘和數據信號，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需要的數據輸入格式，系統(tǒng)中MS6336的數據輸入格式采用I2S，所以要給MS6336提供語音數據，需要采用LM3S8962的GPIO口軟件模擬實現(xiàn)MS6336需要的I2S數據輸入格式。在設計中采用PA5，PA6，PA7口來模擬實現(xiàn)該功能。三個引腳分別對應I2S的聲道選擇信號、時鐘信號和數據信號，將這三個引腳和MS6336的I2S功能引腳相連。

　　以太網數字語音廣播系統(tǒng)播放終端硬件結構如圖2所示。

　　3 廣播系統(tǒng)軟件設計

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

　　該設計實現(xiàn)語音數據的實時播放，所以要求語音數據傳輸的實時性得到保障，而對于數據的完整性要求不是太嚴格，少量的丟包也不會影響整體的播放效果，所以該系統(tǒng)的語音數據傳輸采用UDP傳輸方式，同時本系統(tǒng)工作在局域網內，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)服務器端語音數據的采集、存儲與發(fā)送

　　語音數據的采集利用低層WAVE音頻API函數實現(xiàn)，為了不造成語音數據的丟失，該設計利用雙緩沖來存儲語音數據，實現(xiàn)流程如圖3所示。

　　當一個錄音緩沖區(qū)滿時，系統(tǒng)立刻將另一個錄音緩沖區(qū)發(fā)送給錄音設備繼續(xù)錄音，而應用程序此時要讀取已經錄音滿的緩沖區(qū)中的數據，并進行處理。然后調用waveInAddBuffer函數將該緩沖區(qū)重新賦給錄音設備，循環(huán)利用。

　　為了防止錄音過程中語音數據的丟失，只是簡單地利用雙緩沖是不夠的，還要注意的一點是，當一個緩沖區(qū)錄音滿以后，應用程序對該緩沖區(qū)的數據進行處理，同時第二個緩沖區(qū)用于錄音，數據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備，就會造成語音數據的丟失。當語音信號采樣率大的時候適當增加緩沖區(qū)的大小，可以有效地解決這個問題。

　　為了將廣播的內容進行保存以備后需，需要將廣播內容保存在一個WAV文件中。WAV文件具有固定的頭格式，在保存語音數據之前，需要先將WAV文件的頭部設定好，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文件的結尾處，然后將采集到的數據依次寫在文件尾部。當整個廣播過程結束時，所有的語音數據都被保存在了WAV文件中，實現(xiàn)了語音數據的存儲。

　　當一個錄音緩沖區(qū)滿后，這時就需要將已經采集到的語音數據通過網絡發(fā)送出去。在設計中首先利用Csocket類創(chuàng)建一個套接字，接下來只需要將采集到的數據封裝成IP包發(fā)送出去。該設計中語音信號的采樣率為44．1 kHz，16位雙聲道。為了避免語音數據丟失，錄音緩沖區(qū)的大小設定為1024B。

　　3．2 區(qū)域廣播的實現(xiàn)

　　以太網數字語音廣播系統(tǒng)的一個重要應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數據包的網絡傳輸中采用UDP組播包的形式進行數據傳輸。采用組播包傳輸數據，在局域網內所有包含在該組中的終端都可以接收到數據，實現(xiàn)全區(qū)廣播。為了實現(xiàn)局域廣播功能，該設計中在語音數據前面添加了一個結構體，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};

　　當需要對某幾個終端進行區(qū)域廣播時，在廣播系統(tǒng)服務器端的面板上(如圖4所示)將這幾個終端對應的編號選上。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構體中對應的變量。當終端接收到IP組播包時，首先判斷該結構體是否有和自己的IP地址相同的變量，如果有，則進行數據的接收播放，如果沒有則對數據進行丟棄處理，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)時將終端對應的IP地址寫入配置文件即可，功能實現(xiàn)簡單。

　　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)，音頻數據接收部分用于接收語音數據并進行存儲轉發(fā)，音頻解碼器實現(xiàn)語音信號的D／A轉換并播放。音頻數據接收部分采用Socket編程實現(xiàn)從以太網上接收語音數據，在接收到語音數據包以后，首先要對數據包進行判斷，是否是發(fā)給自己的數據包。終端通過將IP包中結構體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，則存儲該數據包中的數據，否則丟棄。

　　語音數據的接收存儲采用循環(huán)隊列的方式，由于UDP數據傳輸的無序性，在語音數據接收端接收到語音數據以后需要對語音數據包進行排序，以保證對語音數據的順序處理，還原出正確的語音信號。同時為了避免網絡抖動，每次在循環(huán)隊列中包含至少5個數據包的時候才對數據進行處理。

　　設計中MS6336的數據輸入格式采用I2S格式，由于LM3S8962不支持該數據格式，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信號時序嚴格精確，高低電平的轉換采用延時程序實現(xiàn)，I2S時序圖如圖5所示。

　　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)送一個數據位的時間為600 ns。LM3S8962給MS6336提供語音數據，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)，一個采樣點數據發(fā)送流程如圖6所示。

　　4 結果分析

　　該系統(tǒng)通過以太網傳輸的語音數據包大小為1024B，為了避免網絡抖動，終端在收到5個數據包的時候開始廣播，廣播延時時間為30 ms左右，滿足功能指標。服務器端可以同時控制10個播放終端的工作，通過在服務器端選定相應終端的編號，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 結語

　　這里從實際需求出發(fā)，設計實現(xiàn)一個以太網數字語音廣播系統(tǒng)，實驗結果表明由系統(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,完成語音信號的數據傳輸,實現(xiàn)語音信號的實時廣播。該設計結構合理,并且能夠方便地實現(xiàn)功能擴充,如定時播音、音樂播放、遠程管理、實時監(jiān)控等。該設計具有重要的現(xiàn)實意義,為解決大型復雜的以太網廣播系統(tǒng)提供了基礎。