硕士毕业论文智能楼宇中基于ip网络的音频广播系统数字化终端的研究

硕士毕业论文智能楼宇中基于ip网络的音频广播系统数字化终端的研究内容摘要：

方案、系统规模等均需作深入的研究开发工作。 通过查阅大量资料，以及生产广播 系统产品 的厂家信息，发现国内厂商生产的数字广播，大多是通过计算机控制分区广播。 其系统主要由音频矩阵切换器 ，可寻址编码控制主机。 音频矩阵切换器将音源播出的音频信号选择切换，分给不同的区域相同或不同的音源。 可寻址编码控制器，可接收主控计算机通讯，通过主控计算机的操作，实现自动或手动寻址编码控制。 但其信号的传输仍旧是模拟信号。 我们要研究的数字广播系统是利用现有的 PC计算机系统和局域网，从音频数据的生成，到媒体的接收与播放，全部实行数字化，通过软件编码和解码的方式来进行。 国外的基于 IP 网络的数字音频广播系统也处于热门研究阶段，也出第一章 绪论 3 现了不少成功的产品，例如日本的 TOA 公司生产的 AM 系列，美国的 CDKPA（希迪可） 公司 生产的 CDK6000 数字广播系统 等 [3]。 研究意义 本 文提出的数字化广播系统 有 很强的实用价值 ， 与传统广播相比它有以下几点优势： (1) 以太网在传输音频信号的同时，还可同时传输控制信号，从而对系统的分组模式和重复信息、文本信息、邮件信息等进行智能化管理。 如在大厦的火警广播时，为了实现人群的分批疏散，应采用分层告示。 传统的广播系统一般采用多组总线分别对各层进行控制的模式，增加了布线的复杂性和安装成本，而且只能实现固定分组，灵活性较差。 如果采用智能化网络音频设备则可通过控制信号实现动态分组广播或单点广播 ，提高了系统的灵活性。 对于重复信息、文本信息、邮件信息的处理则可通过计算机直接播发而不需要人工干预。 (2) 安装、维护便捷。 基于网络传播的广播系统作为一种网络终端设备，可方便地嵌入到原有的网络系统中，从而省却线缆敷设和传输设备的安装，使安装便捷；另外，由于系统采用双向传输模式，可方便地定位故障设备的位置，使维护简便。 (3) 以太网系统的综合布线技术、传输模式和传输协议均有可遵循的国际标准，从而保证了系统的可靠性、灵活性、兼容性和可扩展性。 (4) 低成本。 目前局域网和广域网都基于以太网构建，以太网设备大 量应用于生产和生活，价格很低。 将其引入到广播系统，则很多原有的网络设备可直接使用，不存在兼容问题，使广播系统的造价大为降低[1]。 基于 IP网络传输的广播系统可方便地应用于已建成的以太网系统中，可采用成熟的综合布线技术和网络传输设备，便于扩展和管理，智能性较强，能动态分组或单点广播，是一种新型的智能有线广播系统。 同时还可以完善智能楼宇的远程数字音视频监控系统，并在该系统的基础上进行改造与扩展，可以应用到远程教学、远程医疗等多种多媒体通 4 信。 因此，基于网络的数字广播系统的研究不仅具有现实意义，而且对于许多应用都 有借鉴和参考价值 [4]。 主要研究工作 本论文以实现音频广播数字化、网络化的要求为目标，主要研究基于 IP网络的数字音频广播终端的软硬件设计，并予以实现。 主要包括以下三个方面的内容： 硬件平台的建立以及操作系统的移植。 本论文是用韩国 三星半导体公司的 S3C2410X处理器，它是一款基于 ARM920T内核的 16/32位 RISC嵌入式处理器。 在以此为核心的硬件平台上移植 Linux 式操作系统。 编写音频模块的驱动程序。 本论文采用的是 UDA1341音频处理芯片，编写其相应得音频驱 动程序，并将其加入到 Linux。 音频解码软件的实现。 本论文的音频解码算法采用的 MPEG1 Layer Ⅲ ，根据此算法编写解码程序，并根据 ARM9 处理器进行优化。 第二章 系统硬件及操作系统的移植 5 第二 章 系统 硬件及操作系统的移植 嵌入式系统已经广泛的应用于科技领域和日常生活的每个角落，而ARM就是应用最广泛的嵌入式处理器之一。 目前最流行的当属 ARM7和 ARM9两个系列。 随着对系统性能要求的提高和开发技术的成熟， ARM9有逐渐占领高端市场的趋势。 而 Linux是免费运行的，快速高效的操作系统，在过去的几年中，基于 开源组织的 Linux系统的嵌入式操作系统得到了长足的发展。 Linux操作系统虽然不是微内核结构，但是其模块化的结构使得用户可以对其方便的进行配置，去除用户系统不需要的模块，减小系统的开销，可以做到几百 K大小。 下面所讨论的就是基于 ARM920T内核的 S3C2410X处理器的硬件开发平台，以及在此基础上移植 Linux。 系统 硬件概述 如图 21所示是 S3C2410的系统框图。 以 太 网 控 制 器C S 8 9 0 0S 3 C 2 4 1 0 X（ A R M 9 2 0 T 内 核 ）S D R A M ( 3 2 M )K 4 S 5 6 1 6 3 2 E T C 7 5N a n d F l a s h ( 6 4 M )K 9 F 1 2 0 8 U D M电 源 模 块音频输出U D A 1 3 4 1S D R A M ( 3 2 M )K 4 S 5 6 1 6 3 2 E T C 7 5 图 21 硬件系统框图 The structure chart of hardware system 三星公司推出的 16/32位 RISC处理器 S3C2410，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。 为了降低整个系统的成本， S3C2410提供了以下丰富的内部设备：  ， ， I/O供电； 6  具备 16KB的 ICache和 16KB的 DCache/MMU；  外部存储控制器（ SDRAM控制和片选逻辑）；  LCD控制器（最大支持 4K色 STN和 256K色 TFT）提供 1通道 LCD专用DMA；  4通道 DMA并有外部请求引脚；  3通道 UART/2通道 SPI；  IIS总线接口；  SD卡接口和 MMC卡接口；  2个 USB主机接口， 1个 USB设备接口；  4通道 PWM定时器和 1通道内部定时器；  16位看门狗定时器；  117个通用 I/O口和 24通道外部中断源；  8通道 10位 ADC和触摸屏接口；  具有日历功能的 RTC；  具有 PLL片上时钟发生器； SDRAM主要是用来存放执行代码和变量，是系统启动后主要进行存取操作的存储器，由于 SDRAM需要定时刷新以保持存储的数据，因而要求为处 理器具有刷新控制逻辑。 S3C2410在片内具有独立的 SDRAM刷新控制逻辑，可以方便的与 SDRAM接口。 本系统使用两片三星的 K4S561632ETC75芯片构建 32位的 SDRAM存储器系统。 每片 K4S561632E的存储容量为 16组16M位，工作电压 ，常见封装为 54脚 TSOP，兼容 LVTTL接口，支持自动刷新和自刷新， 16位数据宽度。 Flash存储器是一种可在系统中进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。 作为一种非易失性存储器， Flash在系统中通常用于存放主程序代码，常量表以及一些在系统掉电后需 要保存的用户数据等。 本系统采用的 K9F1208UDMYCB0为 Nand Flash存储器。 它的存储容量为 64M，数据总线宽度为 8位，工作电压 ，采用 48脚 TSOP封装。 仅需 即可完成系统的编成与擦除操作。 CS8900A是用于嵌入式设备的低成本以太网控制器。 CS8900A为 100引脚的 TQFP封装的芯片，是适合细小板型、对成本变化敏感的以太网应第二章 系统硬件及操作系统的移植 7 用产品的理想产品。 CS8900A包括片上 RAM、 10BaseT传输和接收滤波器，并提供 8位和 16位两种接口。 其独特的 Packet Page结构可自动适应网络通信量模式的改变和现有系统资源，从而提高系统效率。 该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都可以根据需要动态调整，通过内部寄存器设置来适应不同的环境。 UDA1341是 Philips公司推出的 一款经济型 音频芯片 ,用于实现模拟音频信号的采集和数字音频信号的模拟输出，并通过 IIS数字音频接口，实现音频信号的数字化处理。 IIS总线 专门用于音频设备之间的数据传输，为立体声音频序列提供了一个标准解码器的连接。 具有正常传输、DMA、传输 /接收三种工作模式 [5]。 下图 22为硬件实物图。 以 太 网 接 口连 接 到 交 换 机音 频 输 出电 源 输 入串 口 ， 调 试 时 使 用。 实 际 运 行 中 可 省 去。 图 22 系统硬件实物图 Fig. 22 The practical diagram of the system hardware 操作 系统 的移植 嵌入式 Linux系统包括 Bootloader(引导程序 )，内核 (kerne1)和根文 8 件系统三个部分，将嵌入式 Linux移植到特定的硬件平台上，一般需要以下五个步骤。 (1)搭建交叉编译开发环境，配置主机的开发环境等工作； (2)配置编译 uboot，并将其烧写到目标平台的到 Flash上； (3)配置和编译 Linux kernel。 必要时还要对源码进行一定的修改，并将其移植到目标平台上； (4)制作 RAMdisk来挂接 Linux的根文件系统，并在 RAMdisk添加自己的应用程序； 下面就是从这四个方面详细地分析和说明嵌入式 Linux系统在S3C2410上的移植过程。 交叉开发环境的建立与主机的配置 交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。 在宿主机上对即将运行在目标机上的应用程序进行编译，生成可在目标机上运行的代码格式。 交叉编译环境是一个由编译器、连接器和 解释器组成的综合开发环境。 交叉编译工具主要包括针对目标系统的编译器gcc、目标系统的二进制工具 binutils、目标系统的标准 c库 glibc和目标系统的 Linux内核头文件。 交叉编译工具 可从 ARM Linux的官方站点下载。 其安装步骤如下： (1) 在 /usr/local/arm 下解压： tar jxvf ； (2) 设置系统环境变量。 export PATH=$PATH:/usr/local/arm/； 开发主机安装桌面的 Linux系统（ Fedora core 3），目标板和主机之间使用串口和以太网两种连接方式。 串口通信很适合作为控制台，Linux系统已经有现成的控制台操作程序 mini提供使用。 主机的网络可以使用 ifconfig命令查看所有网络接口，并配置网络的 IP地址。 接下来就可以进行 TFTP服务 和 NFS服务的配置。 (1) TFTP是目标板下载 镜像 所需要的网络服务。 以 root身份登录，第二章 系统硬件及操作系统的移植 9 完成下面的操作： 编辑 TFTP配置文件 ,使能 TFTP服务 ： vi/etc/，把 yes改为 no； 使用下面的命令使 xid重新启动 TFTP服务： /etc/init． d/xid restart (2) NFS服务的主要任务是把本地的一个目录通过网络输出，其它计算机可以远程的挂接这个目录并且访问文件。 以 root的身份完成以下步骤： 在 /etc/exports中添加一行 ,目的是添加共享目录 ： /opt/target/rootfs *(rw， norootsquash， noallsquash) 确认 NFS守护进程已在运行。 使用下面命 令启动或重启 NFS服务： /etc/ Uboot 的移植 BootLoader是在操作系统内核运行之前的一段程序，通过这段小程序，可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。 对于嵌入式系统，BootLoader是基于特定硬件平台来实现的， ARM处理器芯片商很多，每种芯片的开发板都有自己的 BootLoader． Uboot是遵循 GPL条款的开放源码项目，并且已经成为 ARM 平台事实上的标准 BootLoader。 BootLoader的启动过程大多数分为 2个阶段。 阶段 1主要包含依赖于CPU体系结构的硬件初始化代码，而且通常都是用汇编语言来实现的 ， 通常包括以下步骤： （ 1）硬件设备初始化。 （ 2）为加载 BootLoader的阶段 2准备 RAM空间。 为了获得更快的执行速度，通常把阶段 2加载到 RAM空间来执行。 （ 3）拷贝 BootLoader阶段 2的代码到 RAM空间中。 （ 4）设置好堆栈。 （ 5）跳转到阶段 2的 C程序入口点。 10 BootLoader的阶段 2通常用 C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而 且代码会具有更好的可读性和可移植性。 通常包括以下步骤： （ 1）初始化本阶段要使用到的硬件设备。 （ 2）检测系统内存映射。 （ 3）将内核 镜像 和根文件系统 镜像 从 Flash上读到 RAM空间中。