基于FPGA的以太網(wǎng)音頻廣播系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同

1、課題背景：

課題來源：傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)從傳送音頻信號(hào)到廣播點(diǎn)，都須鋪設(shè)專門的線路且傳送的事模擬音頻信號(hào)，模擬音頻信號(hào)抗干擾能力弱，長距離的信號(hào)傳輸勢(shì)必造成信號(hào)的衰減，很難保證聲音質(zhì)量。同時(shí)為了對(duì)廣播的方式進(jìn)行控制，控制信號(hào)必須通過另外的控制線來傳送，布線復(fù)雜，成本高，施工及維修困難。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和音頻流技術(shù)實(shí)現(xiàn)在以太網(wǎng)上以數(shù)字化方式傳輸多路音頻信號(hào)，使廣播點(diǎn)可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地收聽高品質(zhì)聲音，實(shí)現(xiàn)零布線設(shè)計(jì)。以太網(wǎng)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)定位于公用廣播系統(tǒng)，主要應(yīng)用于車站、機(jī)場(chǎng)、碼頭等廣場(chǎng)和學(xué)校、大型商場(chǎng)等場(chǎng)合的廣播。主要采用以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將音頻信號(hào)以TCP/IP協(xié)議形式在以太網(wǎng)上進(jìn)行傳送和接收，解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在的音質(zhì)不佳、易受干擾、維護(hù)管理復(fù)雜、互動(dòng)性能差等問題。

需求分析：以太網(wǎng)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于車站、機(jī)場(chǎng)、學(xué)校、大廈等場(chǎng)合，具有低失真度、傳輸距離遠(yuǎn)、高可靠性、易于安裝布線等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)廣播、自由點(diǎn)播、多路分區(qū)播音，具有廣闊的應(yīng)用前景。以太網(wǎng)作為一種比較成熟的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其TCP/IP協(xié)議也成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳統(tǒng)以PC機(jī)為中心的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)已開始轉(zhuǎn)向以嵌入式為中心。利用FPGA來實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以克服定制電路的不足，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，易于依不同的需要進(jìn)行修改。引入軟處理器和嵌入式操作系統(tǒng)，并結(jié)合使用LwIP協(xié)議棧，能夠降低系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，可縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，軟硬件系部分可分離的設(shè)計(jì)架構(gòu)，使得對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和重構(gòu)非常方便。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：以太網(wǎng)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)定位于公用廣播系統(tǒng)，主要應(yīng)用于車站、機(jī)場(chǎng)、碼頭等廣場(chǎng)和大廈等場(chǎng)合的廣播。主要特點(diǎn)采用當(dāng)今世界最廣泛使用的以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將音頻信號(hào)以TCP/IP協(xié)議形式在以太網(wǎng)上進(jìn)行傳送和接收，徹底解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在的音質(zhì)不佳容易受到干擾，維護(hù)管理復(fù)雜，互動(dòng)性能差等問題。現(xiàn)有的廣播系統(tǒng)可采用多路定向?qū)ぶ返燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)廣播節(jié)目播出、接收的智能化管理，安裝在不同區(qū)域的廣播終端可以實(shí)時(shí)接收廣播數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)只能對(duì)全部區(qū)域進(jìn)行公共廣播的局限，并且廣播終端可以是移動(dòng)的（在局域網(wǎng)范圍內(nèi)），并涵蓋了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)的所有功能，包括音樂播放、實(shí)時(shí)講話、播送通知和轉(zhuǎn)播電臺(tái)節(jié)目等。以太網(wǎng)廣播系統(tǒng)具有良好的可靠性、穩(wěn)定性、低失真度、易于安裝布線等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景，目前已廣泛應(yīng)用于校園廣播、大型商場(chǎng)及公司內(nèi)部廣播。以太網(wǎng)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：多路分區(qū)播音、自由點(diǎn)播、實(shí)時(shí)插播、移動(dòng)播音，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理及監(jiān)控。

2、功能描述：

功能：本系統(tǒng)將實(shí)時(shí)錄制的音頻文件利用以太網(wǎng)，以UDP傳輸方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信號(hào)的發(fā)送、接收與播放。

• 實(shí)況音頻流服務(wù)器：完成模擬語音信號(hào)的采集，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過以太網(wǎng)上，發(fā)送到終端進(jìn)行接收和播放，滿足用戶播放實(shí)時(shí)聲音的需求；
• 基于FPGA的廣播終端：實(shí)時(shí)接收以太網(wǎng)傳送的數(shù)字音頻信號(hào)，存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)至音頻D/A轉(zhuǎn)換器，將所接收到的數(shù)字信號(hào)解碼轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并輸出到音響設(shè)備進(jìn)行播放。
• 擴(kuò)展功能：實(shí)現(xiàn)多個(gè)廣播終端的同時(shí)工作；廣播先前已存儲(chǔ)的音頻文件數(shù)據(jù)。

技術(shù)指標(biāo)：實(shí)時(shí)傳輸并播放語音信號(hào)，可用于遠(yuǎn)程管理，具有低失真度，高可靠性的特征。

3、總體設(shè)計(jì)：

以太網(wǎng)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：音頻數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和音頻數(shù)據(jù)接收播放端，通過以太網(wǎng)發(fā)送實(shí)時(shí)語音信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)接收和播放功能。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架：

圖1以太網(wǎng)音頻廣播系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)流程：

圖2音頻數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊數(shù)據(jù)流程圖

圖3音頻數(shù)據(jù)接收與播放模塊流程圖

各模塊功能：

①音頻數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊：通過編程實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，根據(jù)接收端的IP地址，將語音信號(hào)壓縮成廣播包以UDP傳輸方式發(fā)送出去。

②音頻數(shù)據(jù)接收與播放模塊：由Spartan3E FPGA開發(fā)板接收以太網(wǎng)傳來的IP包，進(jìn)行存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)發(fā)到音頻D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行解碼，送交音響設(shè)備播放。

4、方案論證：

設(shè)計(jì)思想：采用FGPA模塊接收以太網(wǎng)傳來的數(shù)字語音信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過音頻D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)在音響設(shè)備上進(jìn)行播放。分為兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)：語音信號(hào)采集與發(fā)送部分和信號(hào)接收與播放部分。①語音信號(hào)采集模塊（編程實(shí)現(xiàn)）在PC機(jī)上進(jìn)行，然后采用UDP傳輸方式以IP廣播包方式通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。②接收端是在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)包的接收，并將數(shù)據(jù)處理后送給音頻解碼芯片進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行播放。

方案論證：本系統(tǒng)采用服務(wù)器端和廣播終端的架構(gòu)，由音頻流服務(wù)器采集、處理語音信號(hào)，通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，然后由Spartan 3E作為廣播終端來接收以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換處理后輸送到播放設(shè)備。

服務(wù)器端的設(shè)計(jì)：服務(wù)器端在ＰＣ機(jī)上實(shí)現(xiàn)，主要完成語音數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送。其中，語音數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)采用WAVE音頻函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。使用WAVE低級(jí)音頻函數(shù)，可直接與音頻驅(qū)動(dòng)程序交互，通過窗口消息或回調(diào)函數(shù)來管理音頻數(shù)據(jù)塊的錄入和存儲(chǔ)，并提供了一個(gè)設(shè)備無關(guān)接口。在使用音頻設(shè)備之前，必須打開設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，確定系統(tǒng)音頻設(shè)備的能力，用完之后必須關(guān)閉音頻設(shè)備。具體流程如下：

①查詢?cè)O(shè)備數(shù)目。使用waveInGetNumDevs函數(shù)來獲取波形輸入設(shè)備的個(gè)數(shù)。只有確定設(shè)備存在，才能打開、使用設(shè)備。

②打開波形輸入設(shè)備。使用waveInOpen函數(shù)，該函數(shù)打開與指定設(shè)備ID相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，并以給出指定內(nèi)存句柄的方法放回打開波形設(shè)備的句柄。需要在waveInOpen中指定的一個(gè)回調(diào)函數(shù)或者線程，其作用是在一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被錄滿后被調(diào)用，以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，和其他一些相關(guān)的操作。

③準(zhǔn)備音頻數(shù)據(jù)塊。在音頻數(shù)據(jù)錄入之前，必須準(zhǔn)備好音頻數(shù)據(jù)塊。將數(shù)據(jù)塊傳送給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就可以開始錄音了。使用waveInPerpareHeader函數(shù)為輸入緩沖區(qū)準(zhǔn)備頭部，使用waveInAddBuffer函數(shù)添加一個(gè)輸入用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在用完數(shù)據(jù)塊后，必須用waveInUnprepareHeader函數(shù)來清除對(duì)音頻數(shù)據(jù)塊的準(zhǔn)備。

④開始錄音。使用waveInStart函數(shù)。

⑤停止錄音，關(guān)閉設(shè)備。調(diào)用waveInReset和waveInClose函數(shù)。結(jié)束錄音時(shí)，在waveInClose之前先調(diào)用waveInReset，以清除尚在等待錄音的緩沖區(qū)。

錄音過程中，若緩沖區(qū)已滿，但錄音還在繼續(xù)，為防止語音數(shù)據(jù)丟失，就需要再加入一個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)去?？紤]到添加緩沖區(qū)的處理是有時(shí)間延遲的，而音頻對(duì)時(shí)間很敏感，所以要預(yù)先設(shè)置好至少兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)滿時(shí)，就調(diào)用另外一個(gè)，即可保證所錄得的音頻數(shù)據(jù)不會(huì)有斷開的間隔。錄制波形音頻時(shí)如果緩沖區(qū)已滿，系統(tǒng)將發(fā)送MM_WIM_DATA消息給應(yīng)用程序，程序接收到這個(gè)消息后，就可以從消息帶回的參數(shù)中得到緩沖區(qū)的指針，從而讀出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且該緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀完后要用waveInAddBuffer函數(shù)將緩沖區(qū)重新送入設(shè)備，循環(huán)利用。在本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)緩沖區(qū)來存放語音數(shù)據(jù)。

音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送：數(shù)據(jù)發(fā)送采用MFC的CSocket類來實(shí)現(xiàn)。CSocket類是由CAsyncSocket類繼承而來，與CSocketFile類和CArchive類一起工作來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。軟件實(shí)現(xiàn)：當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿時(shí)，需要將已采集到的語音數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送出去，這就要用到Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸。利用CSocket類創(chuàng)建一個(gè)套接字，然后將錄音緩沖區(qū)中采集到的語音數(shù)據(jù)依次封裝成IP包進(jìn)行發(fā)送。語音數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

要實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的實(shí)時(shí)播放，必須對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，所以在以太網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)采用UDP傳輸方式。雖然TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸與出錯(cuò)重傳，但是這也導(dǎo)致了TCP協(xié)議對(duì)資源的占用更多。TCP主要適用于對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求很高的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用。UDP不一定提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它只是把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去，并不保證它們能到達(dá)目的地。由于UDP在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)之前不用在客戶和服務(wù)器之間建立連接，沒有超時(shí)重發(fā)機(jī)制，所以傳輸速度很快。當(dāng)某個(gè)程序的目標(biāo)是盡快地傳輸盡可能多的信息，強(qiáng)調(diào)傳輸性能而不是傳輸?shù)耐暾詴r(shí)，如音頻和多媒體應(yīng)用，UDP是最好的選擇。

錄音緩沖區(qū)的大小為1024個(gè)字節(jié)，這樣才能避免語音信號(hào)丟失，但是在系統(tǒng)終端對(duì)語音數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理的時(shí)候，如果數(shù)據(jù)包過大，則產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音，因此系統(tǒng)終端要求接收到的語音數(shù)據(jù)IP包不能過大，設(shè)計(jì)中終端處理IP包的大小為128個(gè)字節(jié)，這樣當(dāng)服務(wù)器端錄音緩沖區(qū)滿時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，封裝成IP數(shù)據(jù)包，然后再發(fā)送。這里要采用廣播地址。在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)廣播，只需將IP地址中主機(jī)部分設(shè)為全1，本設(shè)計(jì)中IP廣播地址設(shè)為192.168.1.255。

廣播系統(tǒng)可以有多個(gè)廣播終端，既可實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的廣播，還可以實(shí)現(xiàn)局域廣播，即對(duì)指定的終端進(jìn)行廣播。要實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的終端的廣播，服務(wù)器端必須知道各個(gè)終端的IP地址，然后才能實(shí)施對(duì)應(yīng)的廣播?？紤]到終端數(shù)量不多而且是在相對(duì)固定的局域網(wǎng)中，采用靜態(tài)IP地址分配，其特點(diǎn)是IP地址對(duì)每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都是固定的?？梢詫⒏鱾€(gè)終端的IP地址寫入一個(gè)配置文檔，如：“IPADDR.txt”。服務(wù)器首先讀取配置文檔中的IP地址，將終端IP地址與服務(wù)器端的終端號(hào)進(jìn)行綁定，然后每次選定廣播終端時(shí)也得到了對(duì)應(yīng)終端的IP地址，即可實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播了。另一方面，也必須使終端能夠判斷出所接收到的IP包是不是發(fā)給自己的。是則存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)給音頻解碼器；不是則丟棄?？梢栽贗P包頭進(jìn)行設(shè)置，廣播終端根據(jù)IP數(shù)據(jù)包包頭來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)給自己。IP數(shù)據(jù)包采用廣播包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

可以將廣播的內(nèi)容保存下來以便在以后可以使用。本設(shè)計(jì)對(duì)每次廣播的內(nèi)容進(jìn)行了存儲(chǔ)，存儲(chǔ)文件設(shè)置為Record.wav。每次錄音緩沖區(qū)滿時(shí)，即將IP廣播包發(fā)送出去，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，在文件末尾將數(shù)據(jù)寫入文件，并改變文件的長度。

廣播終端的設(shè)計(jì)：要實(shí)現(xiàn)FPGA與以太網(wǎng)的通信，可以將FPGA終端設(shè)計(jì)為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，即采用基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的互聯(lián)?？梢岳肵ilinx的MicroBlaze微處理器軟核和相應(yīng)的外設(shè)，通過Xilinx EDK搭建系統(tǒng)所需的軟硬件平臺(tái)，完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。FPGA控制著以太網(wǎng)物理層的操作，內(nèi)置一個(gè)符合MII標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器MAC，F(xiàn)PGA通過MII連接到開發(fā)板上的LAN83C185 Ethernet PHY，以便和以太網(wǎng)進(jìn)行通信，接收以太網(wǎng)發(fā)送給本終端的IP數(shù)據(jù)包，進(jìn)行存儲(chǔ)，并轉(zhuǎn)發(fā)給音頻解碼芯片進(jìn)行播放。

硬件部分：

硬件電路結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，基于Spartan 3E開發(fā)板的音頻數(shù)據(jù)接收模塊和音頻解碼模塊。

Xilinx Spartan 3E開發(fā)板上的XC3S500E FPGA作為控制芯片，在EDK中配置MicroBlaze微處理軟核作為CPU，配置FPGA內(nèi)置Ethernet MAC IP核（MAC是EDK開發(fā)平臺(tái)的一部分），外部存儲(chǔ)器采用DDR SDRAM，采用Xilkernel嵌入式操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧，構(gòu)建一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)互聯(lián)。

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖5 硬件結(jié)構(gòu)圖

MicroBlaze微處理器軟核是可嵌入在FPGA中的RISC處理器軟核，采用哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，具有運(yùn)行速度快、占用資源少、可配置性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，支持CoreConnect總線，和其他外設(shè)一起可以完成可編程片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。特征：32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)專用寄存器；32位指令系統(tǒng)，支持3個(gè)操作數(shù)和2種尋址方式；分離的32位指令與數(shù)據(jù)總線，符合IBM的OPB總線規(guī)范；通過本地存儲(chǔ)器總線（LMB）直接訪問片內(nèi)塊存儲(chǔ)器；具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存（cache），三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；具有硬件調(diào)試模塊；帶8個(gè)輸入輸出快速鏈路接口。

EDK開發(fā)流程：

EDK：所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括后面的應(yīng)用程序開發(fā)設(shè)計(jì)均在嵌入式開發(fā)套件軟件EDK內(nèi)完成。EDK（Embedded Development Kit）是針對(duì)FPGA內(nèi)部32位嵌入式處理器開發(fā)而推出的開發(fā)套件，EDK工具包中集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試等工具，利用其集成開發(fā)環(huán)境XPS（Xilinx Platform Studio）可以很方便、快速地完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)流程。EDK以IP核的形式提供LMB、OPB總線接口、外部存儲(chǔ)控制器、SDRAM控制器、UART中斷控制器、定時(shí)器及其他一些外圍設(shè)備接口等資源，利用這些資源可以構(gòu)建一個(gè)完善的嵌入式處理器系統(tǒng)。這些IP核都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用接口，使用者只需利用相應(yīng)的函數(shù)庫，就可以編寫自己的應(yīng)用軟件和算法程序。

首先完成系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)配置。在EDK的XPS中先使用基本的系統(tǒng)生成向?qū)SB，自動(dòng)生成MicroBlaze系統(tǒng)的基本構(gòu)架，設(shè)置處理器時(shí)鐘頻率為50MHz，總線時(shí)鐘頻率為50MHz，設(shè)置片上讀寫調(diào)試模塊為調(diào)試接口。生成結(jié)束時(shí)XPS可以自動(dòng)地生成對(duì)硬件進(jìn)行例化的微處理器硬件規(guī)范文件MHS和描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微處理器軟件規(guī)范文件MSS以及一些相關(guān)的文件，對(duì)這兩個(gè)文件進(jìn)行修改，以便完成對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化。生成的系統(tǒng)經(jīng)過綜合、布局布線無誤后生成bit文件下載到目標(biāo)開發(fā)板上。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)：

在硬件系統(tǒng)建立后，利用XPS的集成工具，完成網(wǎng)標(biāo)的生成核軟件的配置，存儲(chǔ)器地址映射默認(rèn)由系統(tǒng)自動(dòng)生成，自動(dòng)分配地址。

為了能夠更好地管理系統(tǒng)資源，選擇Xilinx 精簡(jiǎn)嵌入式操作系統(tǒng)Xilkernel，它是一種可定制的簡(jiǎn)單高效系統(tǒng)，能夠與用EDK形成的硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，并支持可移植操作系統(tǒng)界面POSIX開放結(jié)構(gòu)。Xilkernel系統(tǒng)的設(shè)置可以在開發(fā)環(huán)境EDK中手動(dòng)設(shè)置，需要配置調(diào)度原則為SCHED_RR（simple round-robin scheduling），并設(shè)置一個(gè)靜態(tài)線程用于初始化要使用的LwIP協(xié)議棧。Xilkernel操作系統(tǒng)通過移植LwIP協(xié)議棧就可以實(shí)現(xiàn)基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信。LwIP協(xié)議棧支持服務(wù)器模式和客戶機(jī)模式，提供RAW和Socket兩種API，是目前使用最為廣泛的TCP/IP協(xié)議棧。本設(shè)計(jì)中采用Socket API模式，利用Libgen工具對(duì)LwIP庫進(jìn)行鏈接和編譯。

在Xilkernel中設(shè)置一個(gè)靜態(tài)線程serverThread來初始化LwIP協(xié)議棧，即可以使用協(xié)議棧提供的功能函數(shù)。調(diào)用LwIP的線程生成函數(shù)sys_thread_new()生成并啟動(dòng)一個(gè)線程。在這個(gè)線程中設(shè)置開發(fā)板硬件的MAC地址、網(wǎng)關(guān)、IP地址和子網(wǎng)掩碼等參數(shù)。分配內(nèi)存空間開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)接口，再將MAC地址、網(wǎng)關(guān)、IP地址等信息添加到內(nèi)存空間，初始化網(wǎng)絡(luò)接口。

在設(shè)置好系統(tǒng)的軟件平臺(tái)后就可以編寫各種關(guān)于網(wǎng)絡(luò)傳輸控制的應(yīng)用程序了。使用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，編寫相應(yīng)的算法軟件，將編寫的程序代碼利用mb-gcc編譯工具，根據(jù)系統(tǒng)軟件環(huán)境，生成.ELF文件，完成系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，通過JTAG接口連到目標(biāo)開發(fā)板上，將軟件程序下載到系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試。

程序設(shè)計(jì)思路：

終端同樣需要Socket編程，以接收從以太網(wǎng)傳送來的音頻數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順序存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，定義一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)。

struct Queue

{ int front; //隊(duì)首

int rear; //隊(duì)尾

int count;

char DATA[QueueSize][SIZE];

};

初始化一個(gè)Socket，將它與IP地址和端口號(hào)綁定，然后開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，一旦監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)到來，就生成一個(gè)線程去處理。先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體struct CSTRING，包含目的終端的IP地址，終端通過判斷其成員變量，與自己的IP地址進(jìn)行比較。若有成員變量與自己的IP地址相同，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)到循環(huán)隊(duì)列中。還需要定義一個(gè)接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體struct RECVBUFFER，來存放所接收到的音頻數(shù)據(jù)，并且struct CSTRING IP作為它的一個(gè)成員用于判斷目的IP包地址。

struct RECVBUFFER

{ INT32 count;

struct CSTRING IP; //用來判斷IP包是不是發(fā)給自己的

INT8 recvbuffer[SIZE]; //接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

}RecvBuffer; //接收數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體

Socket接收函數(shù)接收數(shù)據(jù)到一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，根據(jù)IP數(shù)據(jù)包頭判斷該包是不是發(fā)給自己的，若是，將數(shù)據(jù)放入循環(huán)隊(duì)列以待轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄。在以太網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)音頻廣播，終端以太網(wǎng)控制器IP地址要和服務(wù)器處在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，設(shè)置本地IP地址和端口號(hào)，并綁定到服務(wù)器地址。

廣播終端的實(shí)現(xiàn)還需要連接一個(gè)音頻D/A轉(zhuǎn)換器，將開發(fā)板上輸出的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中采用VS1003音頻解碼器。VS1003是一個(gè)單片MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器，包含一個(gè)高性能、自主產(chǎn)權(quán)的低功耗DSP處理器核VS_DSP，工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，串行的控制和數(shù)據(jù)接口，4個(gè)常規(guī)用途的I/O口，一個(gè)UART，一個(gè)高品質(zhì)可變采樣率的ADC和立體聲DAC，還有一個(gè)耳機(jī)放大器和地線緩沖器。VS1003通過一個(gè)串行口來接收輸入的比特流 。數(shù)據(jù)流程：首先音頻數(shù)據(jù)從SDI接收并解碼，若其SCI_AIADDR非零則應(yīng)用代碼從寄存器所指向的地址開始執(zhí)行；然后數(shù)據(jù)流是否經(jīng)過低音/高音增強(qiáng)器，取決于SCI_BASS寄存器；之后數(shù)據(jù)流向音量控制單元，同時(shí)拷貝數(shù)據(jù)進(jìn)音頻FIFO，鎖存住數(shù)據(jù)，通過音頻中斷將數(shù)據(jù)送進(jìn)采樣率變換器和DAC；采樣率變換器將所有不同的采樣率變?yōu)閄TALI/2或128次最高可用采樣率；過采樣的輸出被片上的模擬濾波器進(jìn)行低通濾波；濾波后的信號(hào)前往耳機(jī)放大器。

VS1003通過一個(gè)串行接口來接收輸入的比特流，所以要實(shí)現(xiàn)VS1003與FPGA的互連，還需要在開發(fā)板上模擬實(shí)現(xiàn)SPI總線接口。SPI——串行外設(shè)接口總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各種外設(shè)以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位。一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和低電平有效的從機(jī)選擇線/SS，即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行通信，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的可靠性。在本設(shè)計(jì)中，從器件是vs1003音頻解碼器，在主器件產(chǎn)生的從器件時(shí)能和移位脈沖作用下，才能接收主機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。

FGPA為主控芯片，vs1003為從芯片，選擇開發(fā)板上與FPGA連接的Hirose FX2擴(kuò)展連接器模擬實(shí)現(xiàn)SPI接口，實(shí)際上是對(duì)SPI時(shí)序的模擬。FPGA的I/O口與Hirose FX2擴(kuò)展連接器相連，雙向I/O口都可以驅(qū)動(dòng)或接收信號(hào)。選擇FX2連接器上的FX2_CLKOUT模擬實(shí)現(xiàn)SPI接口的時(shí)鐘輸出線，一個(gè)I/O（如FX2_IO1）口模擬實(shí)現(xiàn)MOSI數(shù)據(jù)線，一個(gè)I/O（如FX2_IO2）口模擬實(shí)現(xiàn)/SS選擇線。SPI數(shù)據(jù)傳輸模式采用模式0（CPOL＝0，CPHA＝0）。數(shù)據(jù)傳輸流程：首先主控芯片F(xiàn)PGA要使能相應(yīng)的/SS信號(hào)（FX2_IO2，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢），通知從芯片即VS1003數(shù)據(jù)傳輸要開始了；主控芯片產(chǎn)生SPI時(shí)鐘脈沖，將數(shù)據(jù)從每個(gè)時(shí)鐘下降沿發(fā)送出去，每次發(fā)送1bit，從高位開始發(fā)送；待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，主控芯片復(fù)位/SS信號(hào)，SPI傳輸結(jié)束。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)：

（1）音頻信號(hào)的采集；

（2）IP廣播包的UDP傳輸；

（3）廣播終端對(duì)音頻信號(hào)的接收；

（4）FPGA控制芯片與VS1003解碼芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5、項(xiàng)目預(yù)期成果：

實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)上實(shí)時(shí)UDP傳輸，同步播放，支持多個(gè)廣播終端同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣播功能。