이 기사에서는 방송 시스템의 지역 방송 기능을 쉽게 구현할 수있는 임베디드 이더넷 디지털 음성 방송 시스템 솔루션을 제공합니다. 이 시스템은 암 아키텍처를 기반으로하며 시스템 재생 단말 중재 방식을 채택하여 지역 방송의 실현을 제어하고 방송 콘텐츠를 동시에 재생하고 저장할 수 있습니다.
이더넷 디지털 음성 방송 시스템은 주로 이더넷을 전송 매체로 사용하여 오디오 서비스를 제공하는 방송 시스템을 말합니다. 이더넷은 음성 신호의 장거리 전송 문제를 해결하는 데 사용할 수 있습니다. 설계자가 이더넷에서 수천 개의 디지털 음성 신호 전송을 실현하고 기존 네트워크 리소스를 최대한 활용하고 반복적으로 회선을 설정하는 문제를 피하고 방송과 컴퓨터 네트워크의 통합을 실현하는 대규모 네트워크 구조를 만들 수 있습니다. . 음질 저하, 간섭에 대한 민감성, 복잡한 유지 관리 및 관리, 기존 방송 시스템의 열악한 상호 작용 문제를 해결합니다. 동시에 방향성 그룹 방송을 위해 전체, 일부 또는 특정 영역을 선택할 수있어 기존 방송 시스템이 모든 영역에 대해 공영 방송을 수행 할 수 있다는 한계를 극복했습니다. 기존의 이더넷 디지털 음성 방송 시스템은 주로 제어 신호를 사용하여 방송 단말이 멀티 캐스트 그룹에 가입하거나 탈퇴하도록 제어하여 지역 방송 기능을 구현합니다. 방송이 실현되기 전에 단말이 멀티 캐스트 그룹에 참여하도록 제어 신호를 보내야합니다. , 또는 서버 측에 복잡한 매핑 테이블을 설정하여 재생 단말의 상태를 유지하여 지역 방송을 달성하기 위해 구현하기가 더 복잡합니다.
1 구조 설계
이 시스템은 C / S 구조를 채택하고 있으며, 그림 1과 같이 방송 시스템 서버 단과 방송 시스템 방송 단말기의 두 부분으로 구성됩니다.
방송 시스템의 서버는 PC에서 구현되며 VC ++로 구현 된 음성 신호 수집, 저장, 네트워크 전송 프로그램입니다. 마이크를 통해 음성 신호를 수집하여 저장 한 다음 UDP를 통해 음성 데이터를 이더넷으로 전송하여 음성 데이터의 네트워크 전송 기능을 구현합니다.
방송 시스템 재생 터미널은 LM3S8962 기반의 임베디드 터미널로 이더넷에서 보낸 IP 음성 데이터 패킷을 수신 할 수 있으며 오디오 디코딩 칩 MS6336은 음성 데이터의 디지털 / 아날로그 변환 및 재생을 완료합니다.
2 방송 시스템 방송 단말 하드웨어 설계
방송 시스템 방송 단말기의 메인 제어 칩은 LuminaryMicro에서 제공하는 마이크로 컨트롤러 LM3S8962를 채택합니다. 이 일련의 칩은 내부 통합 이더넷 컨트롤러가있는 최초의 ARM CortexTM-M3 기반 컨트롤러입니다. 산업용 이더넷 (IEEE)을 지원하고 네트워크 기능을 쉽게 구현할 수있는 업계 최초의 ARM 칩입니다.
오디오 디코더 칩은 MOSA에서 생산 한 MS6336 칩을 사용합니다. 이 칩은 16 비트 스테레오 오디오 디지털-아날로그 변환기이며 지원되는 디지털 입력 형식은 오른쪽 정렬, 왼쪽 정렬, I2S입니다. MS6336 제어 인터페이스는 I2C 버스를 채택하고 인터페이스를 설정하기 쉽습니다. DAC 부분은 정확하고 안정적인 전류를 가지고 있으며 우수한 대칭 디코딩 방법과 결합되어 고품질 오디오 신호를 재생할 수 있습니다.
메인 제어 칩 LM3S8962는 자기 부품을 통해 RJ45 인터페이스에 연결되며 이더넷에서 음성 데이터를 수신하는 데 사용됩니다. LM3S8962는 오디오 디코더 칩 MS6336에 대한 제어 신호 및 음성 데이터 신호를 제공합니다. LM3S8962는 I2C 기능을 지원합니다. PB2 및 PB3 포트는 각각 I2C 클록 및 데이터 신호를 제공합니다. 이 두 핀은 MS2의 I6336C 기능 핀에 직접 연결할 수 있으며 풀업 저항이 필요합니다. LM3S8962는 MS6336에 필요한 데이터 입력 형식을 지원하지 않습니다. 시스템에서 MS6336의 데이터 입력 형식은 I2S를 채택합니다. 따라서 MS6336에 음성 데이터를 제공하려면 LM3S8962의 GPIO 포트 소프트웨어를 사용하여 MS2에서 요구하는 I6336S 데이터 입력 형식을 시뮬레이션해야합니다. 설계에서 PA5, PA6 및 PA7 포트는이 기능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 2 개의 핀은 각각 I2S 채널 선택 신호, 클럭 신호 및 데이터 신호에 해당합니다. 이 세 핀을 MS6336의 IXNUMXS 기능 핀에 연결합니다.
이더넷 디지털 음성 방송 시스템의 재생 터미널의 하드웨어 구조는 그림 2에 나와 있습니다.
3 방송 시스템 소프트웨어 설계
방송 시스템 소프트웨어는 방송 시스템 서버 소프트웨어와 방송 터미널 소프트웨어의 두 부분으로 나뉩니다.
이 설계는 음성 데이터의 실시간 재생을 실현하므로 음성 데이터 전송의 실시간 성능을 보장해야하지만 데이터 무결성에 대한 요구 사항이 너무 엄격하지 않으며 소량의 패킷 손실이 영향을 미치지 않습니다. 전반적인 재생 효과, 그래서 시스템의 음성 데이터 전송은 UDP 전송 모드를 채택합니다. 동시에 시스템은 LAN에서 작동하며 임시 사용자는 거의 없습니다. 따라서 재생 터미널 소프트웨어의 구현을 단순화하기 위해 고정 IP 주소 할당이 채택됩니다.
3.1 방송 시스템의 서버 측 음성 데이터 수집, 저장 및 전송
음성 데이터 수집은 저수준 WAVE 오디오 API 기능을 사용하여 구현됩니다. 음성 데이터 손실을 일으키지 않기 위해 설계에서는 이중 버퍼링을 사용하여 음성 데이터를 저장합니다. 구현 프로세스는 그림 3에 나와 있습니다.
하나의 기록 버퍼가 가득 차면 시스템은 즉시 다른 기록 버퍼를 기록 장치로 전송하여 기록을 계속하고 응용 프로그램은 전체 기록 버퍼의 데이터를 읽고 처리해야합니다. 그런 다음 waveInAddBuffer 함수를 호출하여 버퍼를 레코딩 장치에 다시 할당하여 재활용합니다.
녹음 과정에서 음성 데이터 손실을 방지하기 위해 단순히 이중 버퍼링을 사용하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또한 하나의 버퍼가 가득 차면 애플리케이션은 버퍼의 데이터를 처리하고 두 번째 버퍼는 기록에 사용되며 데이터 처리 시간은 두 번째 버퍼가 완전히 채워지는 데 필요한 시간보다 짧아야합니다. 그렇지 않으면 두 번째 버퍼가 가득 차면 첫 번째 버퍼가 녹음 장치에 다시 할당되지 않아 음성 데이터가 손실됩니다. 음성 신호의 샘플 속도가 큰 경우 버퍼 크기를 적절하게 늘리면이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
나중에 사용할 수 있도록 방송 콘텐츠를 저장하려면 방송 콘텐츠를 WAV 파일로 저장해야합니다. WAV 파일에는 고정 헤더 형식이 있습니다. 음성 데이터를 저장하기 전에 WAV 파일의 헤더를 설정해야합니다. 그렇지 않으면 저장된 WAV 파일을 재생할 수 없습니다. 기록 버퍼가 가득 찰 때마다 먼저 WAV 파일의 끝을 찾은 다음 수집 된 데이터를 파일 끝에 차례로 기록합니다. 전체 방송 과정이 끝나면 모든 음성 데이터가 WAV 파일에 저장되어 음성 데이터 저장이 가능합니다.
녹음 버퍼가 꽉 차면 수집 된 음성 데이터를 네트워크를 통해 전송해야합니다. 디자인에서 먼저 Csocket 클래스를 사용하여 소켓을 만든 다음 수집 된 데이터를 IP 패킷으로 캡슐화하고 전송하기 만하면됩니다. 이 설계에서 음성 신호의 샘플링 속도는 44.1kHz, 16 비트 이중 채널입니다. 음성 데이터 손실을 방지하기 위해 녹음 버퍼의 크기는 1024B로 설정됩니다.
3.2 지역 방송의 실현
이더넷 디지털 음성 방송 시스템의 중요한 응용은 전 지역 방송을 실현하는 것뿐만 아니라 지역 방송 기능, 즉 지정된 단말로 방송하는 것입니다. 따라서 UDP 멀티 캐스트 패킷은 음성 IP 데이터 패킷의 네트워크 전송에서 데이터 전송에 사용됩니다. 멀티 캐스트 패킷을 사용하여 데이터를 전송하면 LAN 그룹에 포함 된 모든 단말이 데이터를 수신 할 수있어 전체 영역 브로드 캐스트를 실현할 수 있습니다. 로컬 방송 기능을 구현하기 위해 아래와 같이 설계에서 음성 데이터 앞에 구조를 추가하고 시스템의 각 단말의 IP 주소를 저장하는 구성 파일을 사용합니다.
02 방송 시스템 방송 단말 하드웨어 설계
방송 시스템 방송 단말기의 메인 제어 칩은 LuminaryMicro에서 제공하는 마이크로 컨트롤러 LM3S8962를 채택합니다. 이 일련의 칩은 내부 통합 이더넷 컨트롤러가있는 최초의 ARM CortexTM-M3 기반 컨트롤러입니다. 산업용 이더넷 (IEEE)을 지원하고 네트워크 기능을 쉽게 구현할 수있는 업계 최초의 ARM 칩입니다.
오디오 디코더 칩은 MOSA에서 생산 한 MS6336 칩을 사용합니다. 이 칩은 16 비트 스테레오 오디오 디지털-아날로그 변환기이며 지원되는 디지털 입력 형식은 오른쪽 정렬, 왼쪽 정렬, I2S입니다. MS6336 제어 인터페이스는 I2C 버스를 채택하고 인터페이스를 설정하기 쉽습니다. DAC 부분은 정확하고 안정적인 전류를 가지고 있으며 우수한 대칭 디코딩 방법과 결합되어 고품질 오디오 신호를 재생할 수 있습니다.
메인 제어 칩 LM3S8962는 자기 부품을 통해 RJ45 인터페이스에 연결되며 이더넷에서 음성 데이터를 수신하는 데 사용됩니다. LM3S8962는 오디오 디코더 칩 MS6336에 대한 제어 신호 및 음성 데이터 신호를 제공합니다. LM3S8962는 I2C 기능을 지원합니다. PB2 및 PB3 포트는 각각 I2C 클록 및 데이터 신호를 제공합니다. 이 두 핀은 MS2의 I6336C 기능 핀에 직접 연결할 수 있으며 풀업 저항이 필요합니다. LM3S8962는 MS6336에 필요한 데이터 입력 형식을 지원하지 않습니다. 시스템에서 MS6336의 데이터 입력 형식은 I2S를 채택합니다. 따라서 MS6336에 음성 데이터를 제공하려면 LM3S8962의 GPIO 포트 소프트웨어를 사용하여 MS2에서 요구하는 I6336S 데이터 입력 형식을 시뮬레이션해야합니다. 설계에서 PA5, PA6 및 PA7 포트는이 기능을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 2 개의 핀은 각각 I2S 채널 선택 신호, 클럭 신호 및 데이터 신호에 해당합니다. 이 세 핀을 MS6336의 IXNUMXS 기능 핀에 연결합니다.
이더넷 디지털 음성 방송 시스템의 재생 터미널의 하드웨어 구조는 그림 2에 나와 있습니다.
3 방송 시스템 소프트웨어 설계
방송 시스템 소프트웨어는 방송 시스템 서버 소프트웨어와 방송 터미널 소프트웨어의 두 부분으로 나뉩니다.
이 설계는 음성 데이터의 실시간 재생을 실현하므로 음성 데이터 전송의 실시간 성능을 보장해야하지만 데이터 무결성에 대한 요구 사항이 너무 엄격하지 않으며 소량의 패킷 손실이 영향을 미치지 않습니다. 전반적인 재생 효과, 그래서 시스템의 음성 데이터 전송은 UDP 전송 모드를 채택합니다. 동시에 시스템은 더 적은 임시 사용자가있는 LAN에서 작동합니다. 따라서 재생 터미널 소프트웨어의 구현을 단순화하기 위해 고정 IP 주소 할당이 채택됩니다.
3.1 방송 시스템의 서버 측 음성 데이터 수집, 저장 및 전송
음성 데이터 수집은 저수준 WAVE 오디오 API 기능을 사용하여 구현됩니다. 음성 데이터 손실을 일으키지 않기 위해 설계에서는 이중 버퍼링을 사용하여 음성 데이터를 저장합니다. 구현 프로세스는 그림 3에 나와 있습니다.
하나의 기록 버퍼가 가득 차면 시스템은 즉시 다른 기록 버퍼를 기록 장치로 전송하여 기록을 계속하고 응용 프로그램은 전체 기록 버퍼의 데이터를 읽고 처리해야합니다. 그런 다음 waveInAddBuffer 함수를 호출하여 버퍼를 레코딩 장치에 다시 할당하여 재활용합니다.
녹음 과정에서 음성 데이터 손실을 방지하기 위해 단순히 이중 버퍼링을 사용하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또한 하나의 버퍼가 가득 차면 애플리케이션은 버퍼의 데이터를 처리하고 두 번째 버퍼는 기록에 사용되며 데이터 처리 시간은 두 번째 버퍼가 완전히 채워지는 데 필요한 시간보다 짧아야합니다. 그렇지 않으면 두 번째 버퍼가 가득 차면 첫 번째 버퍼가 녹음 장치에 다시 할당되지 않아 음성 데이터가 손실됩니다. 음성 신호의 샘플 속도가 큰 경우 버퍼 크기를 적절하게 늘리면이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
나중에 사용할 수 있도록 방송 콘텐츠를 저장하려면 방송 콘텐츠를 WAV 파일로 저장해야합니다. WAV 파일에는 고정 헤더 형식이 있습니다. 음성 데이터를 저장하기 전에 WAV 파일의 헤더를 설정해야합니다. 그렇지 않으면 저장된 WAV 파일을 재생할 수 없습니다. 기록 버퍼가 가득 찰 때마다 먼저 WAV 파일의 끝을 찾은 다음 수집 된 데이터를 파일 끝에 차례로 기록합니다. 전체 방송 과정이 끝나면 모든 음성 데이터가 WAV 파일에 저장되어 음성 데이터 저장이 가능합니다.
녹음 버퍼가 꽉 차면 수집 된 음성 데이터를 네트워크를 통해 전송해야합니다. 디자인에서 먼저 Csocket 클래스를 사용하여 소켓을 만든 다음 수집 된 데이터를 IP 패킷으로 캡슐화하고 전송하기 만하면됩니다. 이 설계에서 음성 신호의 샘플링 속도는 44.1kHz, 16 비트 이중 채널입니다. 음성 데이터 손실을 방지하기 위해 녹음 버퍼의 크기는 1024B로 설정됩니다.
3.2 지역 방송의 실현
이더넷 디지털 음성 방송 시스템의 중요한 응용은 전 지역 방송을 실현하는 것뿐만 아니라 지역 방송 기능, 즉 지정된 단말로 방송하는 것입니다. 따라서 UDP 멀티 캐스트 패킷은 음성 IP 데이터 패킷의 네트워크 전송에서 데이터 전송에 사용됩니다. 멀티 캐스트 패킷을 사용하여 데이터를 전송하면 LAN 그룹에 포함 된 모든 단말이 데이터를 수신 할 수있어 전체 영역 브로드 캐스트를 실현할 수 있습니다. 로컬 방송 기능을 구현하기 위해 아래와 같이 설계에서 음성 데이터 앞에 구조를 추가하고 시스템의 각 단말의 IP 주소를 저장하는 구성 파일을 사용합니다.
구조체 STRING
{문자열 IPNO1;
문자열 IPNO2;
...
문자열 IPNO9;
문자열 IPNO10};
특정 단말기에서 지역 방송을 수행해야하는 경우 방송 시스템의 서버 측 패널에서 해당 단말기 번호를 선택합니다 (그림 4 참조). 이때 선택한 터미널의 IP 주소는 구성 파일에서 읽어와 구조의 해당 변수에 할당됩니다. 단말이 IP 멀티 캐스트 패킷을 수신하면 먼저 구조가 자신의 IP 주소와 동일한 변수를 가지고 있는지 판단하고, 있다면 데이터를 수신하고 재생하고, 그렇지 않으면 데이터를 폐기하여 브로드 캐스트 영역을 실현합니다. 함수. 제어 신호를 사용하여 멀티 캐스트 그룹에 가입 또는 탈퇴하도록 재생 단말기를 제어하거나 지역 방송 기능을 구현하기 위해 복잡한 매핑 테이블을 동적으로 유지하는 방법과 비교합니다. 이 방법은 각 방송 전에 재생 터미널을 대화식으로 제어 할 필요가 없으며 터미널의 상태를 동적으로 추적 할 필요도 없습니다. 터미널이 처음으로 시스템에 참여할 때 터미널의 해당 IP 주소를 구성 파일에 기록하기 만하면됩니다. 이 기능은 구현이 간단합니다.
3.3 방송 시스템 방송 터미널 소프트웨어의 실현
방송 시스템 방송 단말기는 두 부분으로 나뉘어 구현되며, 오디오 데이터 수신 부분은 음성 데이터를 수신하고 저장 및 전달하는 데 사용되며 오디오 디코더는 음성 신호의 D / A 변환 및 재생을 실현합니다. 오디오 데이터 수신부는 소켓 프로그래밍을 채택하여 이더넷에서 음성 데이터를 수신합니다. 음성 데이터 패킷을 수신 한 후 먼저 데이터 패킷이 자신을위한 것인지 판단해야합니다. 단말기는 IP 패킷의 구조체 STRING의 멤버 변수를 자신의 IP 주소와 비교하고, 멤버 변수가 자신의 IP 주소와 같으면 데이터를 패킷에 저장하고 그렇지 않으면 폐기합니다.
음성 데이터는 수신되어 순환 대기열에 저장됩니다. UDP 데이터 전송의 장애로 인해 음성 데이터 수신단에서 음성 데이터를 수신 한 후 음성 데이터 패킷을 정렬하여 음성 데이터의 순차적 처리와 올바른 복원 음성 신호를 보장해야합니다. 동시에 네트워크 지터를 방지하기 위해 순환 대기열에 최소 5 개의 패킷이있을 때마다 데이터가 처리됩니다.
디자인에서 MS6336의 데이터 입력 형식은 I2S 형식을 채택합니다. LM3S8962는이 데이터 형식을 지원하지 않기 때문에 소프트웨어 시뮬레이션을 채택하여 GPIO 포트를 통해 I2S 기능을 구현합니다. 음성 신호를 완전히 복원하려면 I2S 신호의 타이밍이 엄격하고 정확한지 확인해야하며, 지연 프로그램을 통해 하이 레벨과 로우 레벨 간의 변환을 구현해야합니다. I2S 타이밍 다이어그램은 그림 5에 나와 있습니다.
방송 시스템 방송 터미널 클럭 주파수는 40MHz이고 각 데이터 비트를 보내는 시간은 샘플링 속도에서 계산 된 600ns입니다. LM3S8962는 MS6336에 음성 데이터를 제공하고 샘플링 포인트에 따라 GPIO 포트를 통해 직렬 전송을 실현합니다. 각 샘플링 포인트에는 6 바이트가 포함되며 샘플링 포인트의 데이터 전송 프로세스는 그림 XNUMX에 나와 있습니다.
4 결과 분석
이더넷을 통해 시스템에서 전송되는 음성 데이터 패킷의 크기는 1024B입니다. 네트워크 지터를 피하기 위해 단말기는 5 개의 데이터 패킷을 수신 할 때 브로드 캐스트를 시작합니다. 방송 지연 시간은 약 30ms로 기능 지표를 충족합니다. 서버 측은 10 개의 방송 단말기를 동시에 제어 할 수 있습니다. 서버 측에서 해당 단말 번호를 선택하면 방송 시스템의 전지역 방송 및 지역 방송 기능을 성공적으로 구현할 수 있습니다.
5 결론
실제 요구에서 시작하여 이더넷 디지털 음성 방송 시스템을 설계하고 구현합니다. 실험 결과, 시스템의 재생 단말기가 음성 방송 수행 여부를 결정하여 지역 방송을 구현하는 것이 글로벌 방송 및 음성 신호의 지역 방송을 실현하는 간단하고 효과적인 방법임을 알 수있다. 시스템 플레이어 터미널은 GPIO 포트 소프트웨어 시뮬레이션을 채택하여 I2S 타이밍을 정확하게 실현하고 음성 신호의 데이터 전송을 완료하며 음성 신호의 실시간 방송을 실현할 수있는 I2S 기능을 실현합니다. 디자인 구조가 합리적이며 타이밍 방송, 음악 재생, 원격 관리, 실시간 모니터링 등과 같은 기능 확장을 쉽게 실현할 수 있습니다.이 디자인은 중요한 실질적인 중요성을 가지고 있으며 크고 복잡한 이더넷 방송을 해결하기위한 토대를 제공합니다. 시스템.
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