Artikel ini memberikan penyelesaian sistem penyiaran suara digital Ethernet tertanam, yang dapat dengan mudah merealisasikan fungsi penyiaran wilayah sistem penyiaran. Sistem ini didasarkan pada seni bina lengan dan menggunakan metode arbitrase terminal pemutaran sistem untuk mengendalikan realisasi siaran wilayah, dan kandungan siaran dapat dimainkan dan disimpan secara serentak.
Sistem penyiaran suara digital Ethernet terutamanya merujuk kepada sistem penyiaran yang menggunakan Ethernet sebagai media penghantaran untuk menyediakan perkhidmatan audio. Ethernet dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah penghantaran isyarat suara jarak jauh. Membolehkan pereka membuat struktur rangkaian berskala besar untuk merealisasikan transmisi beribu-ribu isyarat suara digital di Ethernet, memanfaatkan sepenuhnya sumber rangkaian yang ada, menghindari masalah mengatur talian berulang kali, dan mewujudkan integrasi rangkaian penyiaran dan komputer . Ini menyelesaikan masalah kualiti suara yang buruk, kerentanan terhadap gangguan, penyelenggaraan dan pengurusan yang kompleks, dan interaksi yang buruk dalam sistem penyiaran tradisional. Pada masa yang sama, adalah mungkin untuk memilih semua, sebahagian atau kawasan tertentu untuk penyiaran kumpulan arah, yang menerobos batasan bahawa sistem penyiaran tradisional hanya dapat melakukan penyiaran awam untuk semua wilayah. Sistem penyiaran suara digital Ethernet yang ada kebanyakannya menggunakan isyarat kawalan untuk mengawal terminal penyiaran untuk bergabung atau meninggalkan kumpulan multicast dalam merealisasikan fungsi penyiaran serantau. Adalah perlu untuk menghantar isyarat kawalan untuk membuat terminal menyertai kumpulan multicast sebelum penyiaran dapat dilaksanakan. , Atau buat jadual pemetaan yang kompleks di sisi pelayan untuk menjaga keadaan terminal pemutaran untuk mencapai penyiaran serantau, yang lebih rumit untuk dilaksanakan.
1 Reka bentuk struktur
Sistem ini mengadopsi struktur C / S, terdiri dari dua bagian ujung pelayan sistem siaran dan terminal siaran sistem siaran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Pelayan sistem siaran dilaksanakan pada PC, dan ini adalah program pengumpulan, penyimpanan, dan transmisi rangkaian suara yang disedari oleh VC ++. Bahagian ini mengumpulkan dan menyimpan isyarat suara melalui mikrofon, dan kemudian menghantar data suara ke Ethernet melalui UDP untuk merealisasikan fungsi transmisi rangkaian data suara.
Terminal main balik sistem penyiaran adalah terminal tertanam berdasarkan LM3S8962, yang dapat menerima paket data suara IP yang dikirimkan kepadanya dari Ethernet, dan cip penyahkodan audio MS6336 melengkapkan penukaran digital dan analog dan pemutaran data suara
2 Reka bentuk perkakasan terminal siaran sistem siaran
Cip kawalan utama terminal siaran sistem siaran menggunakan mikrokontroler LM3S8962 yang disediakan oleh LuminaryMicro. Siri cip ini adalah pengawal berasaskan ARM CortexTM-M3 pertama dengan pengawal Ethernet bersepadu dalaman. Ini adalah cip ARM pertama di industri yang menyokong Industrial Ethernet (IEEE) dan dapat melaksanakan fungsi rangkaian dengan mudah.
Cip penyahkod audio menggunakan cip MS6336 yang dihasilkan oleh MOSA. Cip itu adalah penukar digital-ke-analog audio stereo 16-bit, dan format input digital yang disokong adalah Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Antaramuka kawalan MS6336 menggunakan bas I2C, antara muka mudah diatur. Bahagian DAC mempunyai arus yang tepat dan stabil, digabungkan dengan kaedah penyahkodan simetri yang sangat baik, dapat menghasilkan semula isyarat audio berkualiti tinggi.
Cip kawalan utama LM3S8962 disambungkan ke antara muka RJ45 melalui komponen magnetik, dan digunakan untuk menerima data suara dari Ethernet. LM3S8962 menyediakan isyarat kawalan dan isyarat data suara untuk cip penyahkod audio MS6336. LM3S8962 menyokong fungsi I2C. Port PB2 dan PB3 masing-masing memberikan isyarat jam dan data I2C. Kedua-dua pin ini boleh disambungkan secara langsung ke pin fungsi I2C MS6336, dan perintang penarik diperlukan. LM3S8962 tidak menyokong format input data yang diperlukan oleh MS6336. Format input data MS6336 dalam sistem menggunakan I2S. Oleh itu, untuk menyediakan data suara ke MS6336, perlu menggunakan perisian port GPIO LM3S8962 untuk mensimulasikan format input data I2S yang diperlukan oleh MS6336. Dalam reka bentuk, port PA5, PA6, dan PA7 digunakan untuk mensimulasikan fungsi ini. Ketiga-tiga pin berkenaan dengan isyarat pemilihan saluran I2S, isyarat jam dan isyarat data masing-masing. Sambungkan ketiga-tiga pin ini ke pin fungsi I2S MS6336.
Struktur perkakasan terminal main balik sistem penyiaran suara digital Ethernet ditunjukkan dalam Rajah 2.
3 Reka bentuk perisian sistem penyiaran
Perisian sistem penyiaran terbahagi kepada dua bahagian: perisian pelayan sistem penyiaran dan perisian terminal penyiaran.
Reka bentuk ini menyedari pemutaran data suara masa nyata, jadi prestasi penghantaran data suara masa nyata diperlukan untuk dijamin, tetapi syarat untuk integriti data tidak terlalu ketat, dan sebilangan kecil kehilangan paket tidak akan mempengaruhi keseluruhan kesan main balik, jadi data suara sistem Transmisi menggunakan mod penghantaran UDP. Pada masa yang sama, sistem ini berfungsi di rangkaian kawasan setempat dan terdapat sedikit pengguna sementara. Oleh itu, peruntukan alamat IP statik digunakan untuk mempermudah realisasi perisian terminal main balik.
3.1 Pengumpulan, penyimpanan dan penghantaran data suara di sisi pelayan sistem penyiaran
Pengumpulan data suara dilaksanakan menggunakan fungsi API audio WAVE tahap rendah. Agar tidak menyebabkan kehilangan data suara, reka bentuk menggunakan buffer berganda untuk menyimpan data suara. Proses pelaksanaan ditunjukkan dalam Rajah 3.
Ketika satu buffer rakaman penuh, sistem segera mengirim buffer rakaman lain ke perangkat rakaman untuk terus merekam, dan program aplikasi harus membaca data dalam buffer rakaman penuh dan memprosesnya. Kemudian panggil fungsi waveInAddBuffer untuk menetapkan semula penyangga ke peranti rakaman untuk dikitar semula.
Untuk mengelakkan kehilangan data suara dalam proses rakaman, tidak cukup hanya menggunakan buffering berganda. Perlu juga dicatat bahwa ketika satu penyangga penuh, aplikasi akan memproses data dalam penyangga dan yang kedua Penyangga digunakan untuk merekam, dan waktu pemrosesan data harus kurang dari waktu yang diperlukan agar penyangga kedua sepenuhnya dirakam, jika tidak, penyangga pertama belum ditugaskan semula ke peranti rakaman setelah penyangga kedua penuh, yang akan menyebabkan Kehilangan data suara. Apabila kadar sampel isyarat suara besar, peningkatan ukuran penyangga dengan tepat dapat menyelesaikan masalah ini dengan berkesan.
Untuk menyimpan kandungan siaran untuk penggunaan kemudian, perlu menyimpan kandungan siaran dalam fail WAV. Fail WAV mempunyai format tajuk tetap. Sebelum menyimpan data suara, anda perlu menetapkan tajuk fail WAV, jika tidak, fail WAV yang disimpan tidak dapat dimainkan. Setiap kali buffer rakaman penuh, cari dahulu fail WAV, dan kemudian tuliskan data yang dikumpulkan pada akhir fail secara bergilir-gilir. Apabila keseluruhan proses penyiaran selesai, semua data suara disimpan dalam fail WAV, menyedari penyimpanan data suara.
Apabila penyangga rakaman penuh, perlu menghantar data suara yang dikumpulkan melalui rangkaian. Dalam reka bentuk, pertama-tama gunakan kelas Csocket untuk membuat soket, dan kemudian hanya perlu memasukkan data yang dikumpulkan ke dalam paket IP dan mengirimkannya. Kadar pensampelan isyarat suara dalam reka bentuk ini ialah 44.1 kHz, 16-bit dwi-saluran. Untuk mengelakkan kehilangan data suara, ukuran buffer rakaman ditetapkan ke 1024B.
3.2 Merealisasikan penyiaran serantau
Aplikasi penting sistem penyiaran suara digital Ethernet bukan hanya untuk merealisasikan penyiaran seluruh kawasan, tetapi juga untuk mewujudkan fungsi penyiaran tempatan, iaitu untuk menyiarkan ke terminal yang ditentukan. Oleh itu, paket multicast UDP digunakan untuk penghantaran data dalam rangkaian penghantaran paket data IP suara. Dengan menggunakan paket multicast untuk menghantar data, semua terminal yang termasuk dalam kumpulan di rangkaian kawasan setempat dapat menerima data, menyedari keseluruhan siaran kawasan. Untuk mewujudkan fungsi siaran tempatan, struktur ditambahkan di depan data suara dalam reka bentuk, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, dan file konfigurasi digunakan untuk menyimpan alamat IP setiap terminal sistem.
02 Reka bentuk perkakasan terminal siaran sistem penyiaran
Cip kawalan utama terminal siaran sistem siaran menggunakan mikrokontroler LM3S8962 yang disediakan oleh LuminaryMicro. Siri cip ini adalah pengawal berasaskan ARM CortexTM-M3 pertama dengan pengawal Ethernet bersepadu dalaman. Ini adalah cip ARM pertama di industri yang menyokong Industrial Ethernet (IEEE) dan dapat melaksanakan fungsi rangkaian dengan mudah.
Cip penyahkod audio menggunakan cip MS6336 yang dihasilkan oleh MOSA. Cip itu adalah penukar digital-ke-analog audio stereo 16-bit, dan format input digital yang disokong adalah Right Justifl-ed, Left Justified, I2S. Antaramuka kawalan MS6336 menggunakan bas I2C, antara muka mudah diatur. Bahagian DAC mempunyai arus yang tepat dan stabil, digabungkan dengan kaedah penyahkodan simetri yang sangat baik, dapat menghasilkan semula isyarat audio berkualiti tinggi.
Cip kawalan utama LM3S8962 disambungkan ke antara muka RJ45 melalui komponen magnetik, dan digunakan untuk menerima data suara dari Ethernet. LM3S8962 menyediakan isyarat kawalan dan isyarat data suara untuk cip penyahkod audio MS6336. LM3S8962 menyokong fungsi I2C. Port PB2 dan PB3 masing-masing memberikan isyarat jam dan data I2C. Kedua-dua pin ini boleh disambungkan secara langsung ke pin fungsi I2C MS6336, dan perintang penarik diperlukan. LM3S8962 tidak menyokong format input data yang diperlukan oleh MS6336. Format input data MS6336 dalam sistem menggunakan I2S. Oleh itu, untuk menyediakan data suara ke MS6336, perlu menggunakan perisian port GPIO LM3S8962 untuk mensimulasikan format input data I2S yang diperlukan oleh MS6336. Dalam reka bentuk, port PA5, PA6, dan PA7 digunakan untuk mensimulasikan fungsi ini. Ketiga-tiga pin berkenaan dengan isyarat pemilihan saluran I2S, isyarat jam dan isyarat data masing-masing. Sambungkan ketiga-tiga pin ini ke pin fungsi I2S MS6336.
Struktur perkakasan terminal main balik sistem penyiaran suara digital Ethernet ditunjukkan dalam Rajah 2.
3 Reka bentuk perisian sistem penyiaran
Perisian sistem penyiaran terbahagi kepada dua bahagian: perisian pelayan sistem penyiaran dan perisian terminal penyiaran.
Reka bentuk ini menyedari pemutaran data suara masa nyata, jadi prestasi penghantaran data suara masa nyata diperlukan untuk dijamin, tetapi syarat untuk integriti data tidak terlalu ketat, dan sebilangan kecil kehilangan paket tidak akan mempengaruhi keseluruhan kesan main balik, jadi data suara sistem Transmisi menggunakan mod penghantaran UDP. Pada masa yang sama, sistem ini berfungsi di rangkaian kawasan setempat dengan jumlah pengguna sementara yang lebih sedikit. Oleh itu, peruntukan alamat IP statik digunakan untuk mempermudah pelaksanaan perisian terminal main balik.
3.1 Pengumpulan, penyimpanan dan penghantaran data suara di sisi pelayan sistem penyiaran
Pengumpulan data suara dilaksanakan menggunakan fungsi API audio WAVE tahap rendah. Agar tidak menyebabkan kehilangan data suara, reka bentuk menggunakan buffer berganda untuk menyimpan data suara. Proses pelaksanaan ditunjukkan dalam Rajah 3.
Ketika satu buffer rakaman penuh, sistem segera mengirim buffer rakaman lain ke perangkat rakaman untuk terus merekam, dan program aplikasi harus membaca data dalam buffer rakaman penuh dan memprosesnya. Kemudian panggil fungsi waveInAddBuffer untuk menetapkan semula penyangga ke peranti rakaman untuk dikitar semula.
Untuk mengelakkan kehilangan data suara dalam proses rakaman, tidak cukup hanya menggunakan buffering berganda. Perlu juga dicatat bahwa ketika satu penyangga penuh, aplikasi akan memproses data dalam penyangga dan yang kedua Penyangga digunakan untuk merekam, dan waktu pemrosesan data harus kurang dari waktu yang diperlukan agar penyangga kedua sepenuhnya dirakam, jika tidak, penyangga pertama belum ditugaskan semula ke peranti rakaman setelah penyangga kedua penuh, yang akan menyebabkan Kehilangan data suara. Apabila kadar sampel isyarat suara besar, peningkatan ukuran penyangga dengan tepat dapat menyelesaikan masalah ini dengan berkesan.
Untuk menyimpan kandungan siaran untuk penggunaan kemudian, perlu menyimpan kandungan siaran dalam fail WAV. Fail WAV mempunyai format tajuk tetap. Sebelum menyimpan data suara, anda perlu menetapkan tajuk fail WAV, jika tidak, fail WAV yang disimpan tidak dapat dimainkan. Setiap kali buffer rakaman penuh, cari dahulu fail WAV, dan kemudian tuliskan data yang dikumpulkan pada akhir fail secara bergilir-gilir. Apabila keseluruhan proses penyiaran selesai, semua data suara disimpan dalam fail WAV, menyedari penyimpanan data suara.
Apabila penyangga rakaman penuh, perlu menghantar data suara yang dikumpulkan melalui rangkaian. Dalam reka bentuk, pertama-tama gunakan kelas Csocket untuk membuat soket, dan kemudian hanya perlu memasukkan data yang dikumpulkan ke dalam paket IP dan mengirimkannya. Kadar pensampelan isyarat suara dalam reka bentuk ini ialah 44.1 kHz, 16-bit dwi-saluran. Untuk mengelakkan kehilangan data suara, ukuran buffer rakaman ditetapkan ke 1024B.
3.2 Merealisasikan penyiaran serantau
Aplikasi penting sistem penyiaran suara digital Ethernet bukan hanya untuk merealisasikan penyiaran seluruh kawasan, tetapi juga untuk mewujudkan fungsi penyiaran tempatan, iaitu untuk menyiarkan ke terminal yang ditentukan. Oleh itu, paket multicast UDP digunakan untuk penghantaran data dalam rangkaian penghantaran paket data IP suara. Dengan menggunakan paket multicast untuk menghantar data, semua terminal yang termasuk dalam kumpulan di rangkaian kawasan setempat dapat menerima data, menyedari keseluruhan siaran kawasan. Untuk mewujudkan fungsi siaran tempatan, struktur ditambahkan di depan data suara dalam reka bentuk, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, dan file konfigurasi digunakan untuk menyimpan alamat IP setiap terminal sistem.
STRING STR
{Rentetan IPNO1;
Rentetan IPNO2;
...
Rentetan IPNO9;
Rentetan IPNO10};
Apabila perlu melakukan penyiaran serantau pada terminal tertentu, pilih nombor terminal yang sesuai di panel sisi pelayan sistem penyiaran (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4). Pada masa ini, alamat IP terminal yang dipilih dibaca dari fail konfigurasi dan diberikan kepada pemboleh ubah yang sesuai dalam struktur. Apabila terminal menerima paket multicast IP, pertama menilai apakah struktur tersebut mempunyai pemboleh ubah yang sama dengan alamat IPnya sendiri, jika ada, maka data diterima dan dimainkan, jika tidak, data tersebut dibuang, sehingga menyedari kawasan yang disiarkan fungsi. Berbanding dengan kaedah menggunakan isyarat kawalan untuk mengawal terminal main balik untuk bergabung atau keluar dari kumpulan multicast, atau untuk secara dinamis mengekalkan jadual pemetaan yang kompleks untuk melaksanakan fungsi siaran wilayah. Kaedah ini tidak perlu mengawal terminal main balik secara interaktif sebelum setiap siaran, dan juga tidak perlu mengesan keadaan terminal secara dinamik. Ia hanya perlu menulis alamat IP yang bersesuaian dengan terminal ke dalam fail konfigurasi apabila terminal bergabung dengan sistem untuk pertama kalinya. Fungsinya mudah dilaksanakan.
3.3 Perwujudan perisian terminal penyiaran sistem penyiaran
Terminal siaran sistem siaran terbahagi kepada dua bahagian untuk disedari, bahagian penerima data audio digunakan untuk menerima data suara dan menyimpan dan meneruskan, dan penyahkod audio menyedari penukaran dan pemutaran isyarat suara D / A. Bahagian penerima data audio menggunakan pengaturcaraan Socket untuk menerima data suara dari Ethernet. Setelah menerima paket data suara, ia mesti menilai terlebih dahulu sama ada paket data itu sendiri. Terminal membandingkan pemboleh ubah anggota struktur STRING dalam paket IP dengan alamat IPnya sendiri, dan jika ada pemboleh ubah anggota sama dengan alamat IPnya sendiri, ia menyimpan data dalam paket, jika tidak membuangnya.
Data suara diterima dan disimpan dalam barisan bulat. Kerana gangguan penghantaran data UDP, paket data suara perlu disusun setelah data suara diterima di hujung penerimaan data suara untuk memastikan pemprosesan data suara secara berurutan dan isyarat Suara pemulihan yang betul. Pada masa yang sama, untuk mengelakkan gangguan jaringan, data diproses setiap kali terdapat sekurang-kurangnya 5 paket dalam barisan bulat.
Format input data MS6336 dalam reka bentuk menggunakan format I2S. Kerana LM3S8962 tidak mendukung format data ini, simulasi perisian diadopsi untuk mewujudkan fungsi I2S melalui port GPIO. Untuk memulihkan sepenuhnya isyarat suara, perlu memastikan bahawa masa isyarat I2S adalah ketat dan tepat, dan penukaran antara tahap tinggi dan rendah dilaksanakan oleh program penundaan. Gambar rajah masa I2S ditunjukkan dalam Rajah 5.
Frekuensi jam terminal siaran sistem siaran adalah 40 MHz, dan masa untuk menghantar setiap bit data adalah 600 ns yang dikira dari kadar persampelan. LM3S8962 menyediakan data suara ke MS6336, dan merealisasikan penghantaran bersiri melalui port GPIO mengikut titik persampelan. Setiap titik persampelan mengandungi empat bait, dan proses pengiriman data titik persampelan ditunjukkan pada Gambar 6.
4 Hasil analisis
Ukuran paket data suara yang dihantar oleh sistem melalui Ethernet adalah 1024B. Untuk mengelakkan gangguan rangkaian, terminal mula disiarkan apabila menerima 5 paket data. Masa tunda penyiaran adalah sekitar 30 ms, yang memenuhi petunjuk fungsional. Bahagian pelayan dapat mengawal kerja 10 terminal penyiaran pada masa yang sama. Dengan memilih nombor terminal yang sesuai di sisi pelayan, fungsi penyiaran seluruh kawasan dan penyiaran tempatan dari sistem penyiaran dapat berjaya dilaksanakan.
Kesimpulan 5
Bermula dari keperluan sebenar, kami merancang dan melaksanakan sistem penyiaran suara digital Ethernet. Hasil eksperimen menunjukkan bahawa terminal pemutaran sistem memutuskan sama ada melakukan penyiaran suara untuk merealisasikan penyiaran wilayah adalah cara yang mudah dan berkesan untuk merealisasikan penyiaran global dan penyiaran serantau isyarat suara. Terminal pemain sistem menggunakan simulasi perisian port GPIO untuk merealisasikan fungsi I2S, yang dapat merealisasikan pemasaan I2S dengan tepat, menyelesaikan penghantaran data isyarat suara, dan menyedari siaran isyarat suara masa nyata. Struktur reka bentuknya wajar, dan dapat dengan mudah mewujudkan pengembangan fungsi, seperti penyiaran waktu, pemutaran muzik, pengurusan jarak jauh, pemantauan masa nyata, dan lain-lain. Reka bentuk ini mempunyai kepentingan praktikal yang penting dan menjadi asas untuk menyelesaikan siaran Ethernet yang besar dan kompleks sistem.
produk kami yang lain:
