基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计

学号： 11034020229 毕业设计说明书基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计 The design of intelligent residential controlsystem based on S3C2440 chip 学院: 计算机与电子信息学院 专业: 电气工程及其自动化 班级: 电气11-2 学生: 王历文 指导教师: 熊建斌（副教授） 设计时间 2015 年 1月 1 日至 2015 年 6 月 7 日广东石油化工学院本科毕业设计诚信承诺保证书本人郑重承诺：基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计与实现毕业设计的内容真实、可靠，是本人在熊建斌老师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日专业负责人批准日期 毕 业 设 计 任 务 书院（系）： 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班 级： 电气11-2 学生： 王历文 学号： 11034020229一、毕业设计课题 基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计 二、毕业设计工作自 2015 年 1 月 1 日起至 2014 年 6 月 7 日止三、毕业设计进行地点 电气工程教研室 四、毕业设计的内容要求 内容：智能小区控制系统，是本人根据国内外智能建筑发展的情况，利用合作单位多年小区住宅弱电的产品的研究、生产、施工、应用中所积累的丰富经验，投入一定量的人 力和财力，所决策的开发项目；该项目是集信息技术、网络技术、传感技术、无线电技术、模糊控制技术等多种技术的综合应用，硬件核心为国际知名品牌的前沿芯 片S3C2440（嵌入式），软件开发平台为或windows系统，利用现代的宽带信息网络和无线电网络平台，将家电控制、家庭环境控制，家庭监视监测，家庭安全防范、小区信息交流，小区娱乐、小区管理和服务集为一体构成的智能系统产品，是具有较强的技术性和前瞻性的新产品。要求：（1）进行详细设计智能小区系统；（2）整理好毕业论文；（3）尽可能申请专利1项或软件著作版权1个或小论文1篇。 指导教师 熊建斌（副教授） 接受毕业设计任务开始执行日期 2015 年 1 月 1 日 学生签名 摘要摘要近年来由于我国建设部大力推动住宅小区产业化建设的步伐,建筑行业发展迅速。随着现代电子技术、软件技术、网络技术、信息技术以及计算机技术为代表的高新技术的工程应用、建筑中的智能小区和智能住宅日渐增多,很多房地产开发商也积极准备建设智能化的小区和住宅。据有关方面报道,在国外对智能化系统投资大约占整个建筑成本的5%-8%。智能化建设通常会使建筑物增值25%-30%。其中智能系统的控制部分与中央集成约占智能化投资的10%。但这部分就可以提高建筑的综合管理效率45%左右,国内建筑行业的情况也是如此因此智能小区系统的建设在小区的智能化系统程中占据十分重要的位置。本文设计了基于S3C2440芯片的智能小区控制系统，从硬件、软件两个方面来阐述如何设计智能小区控制系统；首先，阐述了有关智能 小区控制系统的发展历史、现状以及未来发展趋势；其次，对智能小区控制系统的网络通信模块、数字音频处理模块、TFT液晶显示模块、电源模块这些主要模块进行详细的硬件设计；再次，根据智能小区系统的各部分功能实现的不同，分别介绍应用程序设计，同时给出某些部分的设计流程及部分代码； 最后，简单介绍了智能小区控制系统运行模块设计，以及对系统运行控制操作初步分析。关键词：S3C2440芯片；智能小区 ；控制系统IAbstractAbstractIn recent years, due to the rapid development of the construction of residential quarters, the construction industry has developed rapidly.With modern electronic technology, software technology, network technology, information technology and computer technology as the representative of the new and high technology engineering application, construction of intelligent community and residential increasing, many real estate developers is also actively preparing for the construction of intelligent residential and residential.According to the relevant aspects of the investment in foreign countries accounted for about the entire construction costs of the 5%-8%.Intelligent building will usually make building value added 25%-30%.The intelligent system of the control and the central accounting for about 10% of the intelligent investment.But this part of the can improve the construction efficiency of the integrated management of 45% or so, the domestic construction industry is so so the construction of intelligent community system in the intelligent systems engineering occupy very important position.This paper designs a smart cell control system based on S3C2440 chip, and expounds how to design the intelligent residential control system from two aspects of hardware and software.Firstly, the development history, present situation and future trend of the intelligent community control system are described;Secondly, the hardware design of the network communication module, the digital audio processing module, the TFT LCD module and the power module of the intelligent community control system are designed in detail;Thirdly, according to the different function of the intelligent cell system, the application design is introduced, and some parts of the design flow and some code are given;Finally, the design of the operating module of the intelligent community control system and the preliminary analysis of the operation control operation are briefly introduced.Keywords:S3C2440 chip；intelligent community；control systemI目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外发展现状11.2.1 国外发展状况11.2.2 国内发展状况21.3 智能小区的发展趋势21.4 论文的主要内容31.5 本章小结3第二章 智能小区控制系统的需求分析42.1 系统可行性分析42.2 用户需求分析42.3 功能需求分析52.4 数据需求分析52.5 本章小结6第三章 智能小区系统总体设计73.1智能小区控制系统的整体设计73.2 具体方案的制定73.2.1 核心芯片的选择73.2.2 系统通信协议的选择83.3 智能小区系统各模块主要设计流程93.4 本章小结11第四章 智能小区系统的硬件设计124.1 网络通信模块124.1.1 基于 TCP/IP 核心协议的网络传输124.1.2 网络接口电路的设计134.2 数字音频信号处理模块134.2.1 IIS音频总线134.4.2 S3C2440A的IIS总线控制器接口154.2.3 音频接口电路的设计164.3 TFT 液晶显示模块184.3.1 S3C2440A 的 LCD 控制器简介184.3.2 S3C2440A的LCD控制器操作194.4.3 S3C2440A 与 LCD 接口电路204.4 系统电源模块214.5 本章小结215.1 网络通信模块225.2 视频功能255.3 对讲门禁功能275.4 本章小结29第六章 系统运行306.1 系统运行模块设计306.2 运行控制操作316.3 本章小结32结束语33参考文献34致谢35附录36第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题背景及意义在短短的十几年时间，我国就经历了智能房屋的出现到智能化小区的逐渐兴起。但就在这区区十几年时间中,智能化建筑,特别是智能化小区在生产建设中的运用已经十分普遍。国家建设部颁布的智能建筑设计标准一文就有对智能化作了以下表述“房屋智能化系统设计要体现以人为本的原则,做到方便、舒适、安全。”所以,面向世界的智能小区可以表述为通过运用现代信息集成技术、信息传输技术和网络技术,进行精心建设、精密设计、优化集成,提高房屋居住环境标准和高新技术的含量,以满足大众现代居住生活的需求。现在智能小区概念已经席卷全球。在国外,智能小区己经是大众选购房屋的一个重要标准。在我国,虽然发展较晚,但是智能小区也像雨后春笋一样蓬勃发展,现在一些发达城市如上海、北京,小区智能化已经成为当前建房的必备条件。可以预见的是,不远的将来,全国各个城市的高档住宅小区都会建设成为智能小区。随着房屋的商品化程度不断深入，智能化房屋将会具有更为广泛的市场需求，房屋的智能化功能也会变得更加迫切。从上世纪九十年代中期智能化小区的基本概念在我国提出以后，各地智能小区的建设与发展渐成气候，智能楼房已经开始成为城市的亮点。智能小区系统更关注于人们居住环境的舒适性、住房人员的安全性、社区服务的便利性以及社区管理、网络通信这些方面的实现和个性化需求。未来,新的人性化功能会更多的加入到智能小区终端中来满足人口数目增多的需要,使我们的生活得更舒适。由于智能小区如今的发展形势和将来的由发展潜力所带来的巨大的市场潜力和需求,本文设计了一种基于S3C2440芯片的智能小区控制系统。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展状况 智能小区的概念与思路来源于智能建筑。世界上的第一座智能建筑于1984年一月在美国康涅狄格州由UTBS公司建成的“城市广场”大厦(City plaza)。该大厦用当时来说最先进的技术控制照明设备、空调设备、电梯设备、防灾和防盗系统、通信与办公自动化等。1979年由美国的斯坦福研究所提出，将房屋里面的家用电器等物品的控制线统一合成家庭总线，是智能小区的前身。在二十世纪八十年代，联邦美国研究协会成立了，专门从事智能小区这方面的研究以及制定家庭电器设计标准。就在那时，美国的哈特福特市还完成了对一栋旧式大楼的照明、防盗、空调、电梯等电器设备的监测控制，并为顾客提供各种信息服务，标志着世界第一座智能化大楼的建立。随着智能小区概念的逐步普及以及智能小区应用技术的发展，在欧美等发达国家得到了广泛的认同。1986年，欧洲把住宅系统集成化的研究单独制成了一项计划，并把大量的人力物力投入其中；在二十世纪末，德国通过研究会与众多公司的联手合作，在杜伊斯堡大学里面建成了全世界首座能够可以实现完全的电子化与网络化，同时实现操作通信平台统一的样板智能小区；二十世纪八十年代末，日本不但提出了房屋总线系统，并且制定了房屋总线系统的相关标准，这些措施大力推动家庭智能化的发展。 1.2.2 国内发展状况 在我国智能小区的发展比较晚，直到八十年代中后期智能家居的概念才开始进入中国，并且直到九十年代才开始快速发展。当今，国内已经陆续出现了一些技术含量较高、实现了真正意义上的智能化的小区，其中不乏具有国际水平的佳作，如上海怡东花园、广州汇景新城、重庆金科花园等。总之，近来国内智能化小区的建设水平已经有了很大的进步。智能小区在节能、低碳方面优势明显，同时为人们生活带来更多舒适的体验。我国每年新增的建筑面积大约20亿平方米，另外政府对小区智能化建设科学化、规范化的引导，小区智能化发展的前景被人们看好。但从总体上来说，由于各地之间经济水平差别较大，同时人民的经济负担能力也有比较大的差异，国内大部分的居民小区开发仍停留在科技含量较低的水平，还远未达到完全的智能化。虽然不同的房地产开发商都在打着智能化的招牌，但除了极少数的中高端住宅区之外，由于经济和技术的原因，一般住宅小区还存在着很多问题，距离真正的智能化建设还有很大距离。由此可见，中国的小区智能化的路途还很漫长，另一方面也反映出我国智能小区建设的巨大市场空间。随着我国经济的快速发展，建设智能小区将是必然趋势，无论是开发商、设备供应商还是系统集成商，都必将受益于其广阔的市场前景。 1.3 智能小区的发展趋势 随着通信技术、控制技术、计算机技术以及各种集成化系统的迅速发展，智能小区的应用也风靡全球，一轮新的发展浪潮居住环境智能化的发展趋势必将势不可挡。智能小区今后将沿着环保化、规范化、一体化、服务增值化的方向发展。 （1）环保化 环保是整个人类发展的追求，也是智能小区系统的主要追求主要目标之一。在建设智能小区过程中，环保包含了资源的可持续利用、生态环境的保护、低消耗能量的追求等等，如何充分利用有限的小区资源，来达到最大限度的小区环保化，这是将来的一大研究热点。 （2）规范化 我国在智能小区领域，技术以及产品的规范化这些方面还存在很多的不足和缺陷，必须统一国内市场智能小区产品，制定相应的标智能系统的规范标准，逐渐接轨国际。 （3）一体化 智能小区的发展过程中，涉及了十分多的计算机高新技术，也对应着很多的智能小区相关功能模块。怎么使众多的功能组合在一起，进而组合成性能更好的智能小区一体化控制系统，是智能小区需要重点研究的领域。 (4）服务增值化 智能小区的一个重要设计目的就是如何为居民提供最优质的服务，除了一般的智能小区基本服务之外，如何妥善运营与管理，给人们提供更加优良的服务质量，提供额外的增值化服务性项目也将是未来智能小区领域的研究重点。1.4 论文的主要内容 本论文主要研究的是基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计与实现，具体内容如下：第一章 简述了智能小区在现代生活当中的不可替代性、研究本课题的意义、智能小区在国内外的发展、智能小区的发展趋势和本论文的主要内容。第二章 通过对智能小区控制系统的可行性分析，还有对系统的用户、功能、数据的需求分析，明确系统的功能，为系统的设计指明方向。第三章 对智能小区控制系统进行总体设计。主要给出了总体设计图，具体方案的制定，还有各模块主要的设计流程。第四章 对智能小区控制系统的网络通信模块、数字音频处理模块、TFT液晶显示模块、电源模块这些主要模块进行详细的硬件设计。第五章 根据智能小区系统的各部分功能实现的不同，分别介绍应用程序设计，同时给出某些部分的设计流程及部分代码。 第六章 本章简单介绍了智能小区控制系统运行模块设计，以及对系统运行控制操作初步分析。1.5 本章小结本章主要简述了智能小区在现代生活当中的不可替代性、研究本课题的意义、智能小区在国内外的发展、智能小区的发展趋势和本论文的主要内容。35广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计第二章 智能小区控制系统的需求分析2.1 系统可行性分析 （1）随着嵌入式技术的逐步普及，如今诸多嵌入式操纵系统技术已逐步的深入到各行各业，虽然使用诸如嵌入式linux，wince 等操作系统，确实可以给应用程序开发带简化，并且可重用性极高。但使用这类型操作系统会带来以下几个成本的提高： 硬件的可配置性，实时性受制约，开发这些硬件实现的功能时，需要寻找有相关操作系统有经验的人员编写驱动程序，驱动程序的复杂程度和操作硬件的复杂程度相关。高级的硬件外设驱动程序需要极富经验的人员进行编写，并且进行完善的系统测试，否则会影响功能的正常使用。 （2）由于使用嵌入式操作系统处理模式，所以在硬件的选取上基本上会选取市面的驱动比较成熟的芯片在制作BOM，选取这些芯片在一定程度上也会制约BOM成本的缩减。 （3）开发工作量变得较为复杂，在整个系统程序中如果细化分会划分为 3 块程序： Bootloader 启动程序，驱动程序，应用程序。这三部分在上述的两种操作系统的开发中缺一不可。对开发人员的素质要求较高，员工成本和维护成本都会极大提高。 首次开发周期长，项目环节众多，开发风险较大，开发成本高。 为尽量减低上述4类型成本，决定寻求一种可定制的系统解决方案。此次研究目的在于在系统开发成本和稳定性的控制上寻找平衡点。定制出一套可适用于智能小区控制系统的终端应用平台。2.2 用户需求分析用户需求分析可以说是软件系统开发中的第一关，它在整个软件工程中起着至关重要的作用。用户需求分析的最根本任务是明确系统应该具备的功能。在该阶段，需求用户和软件开发人员进行深入的探讨和协商，最终达成大家都比较认可的意见。 本次智能小区控制系统主要实现：（1）智能小区室内中央控制器 该控制器可以方便用户控制家中各种家用电器（风扇或空调的调速，窗帘的控制，用户可以根据自己的需求来各种情景模式来控制家电）；用户可以足不出户也能享受到社区的各种服务；在繁忙的工作之余，可以通过网络远程监控家中发生的各种，时刻了解家中的情况；同时，与日常生活密切相关的安防问题（如瓦斯，红外等），智能小区中央控制器会一一作记录，并可以通过短信等方式实时告知业主。（2）智能小区栋门口机 业主在出入的时候可以通过密码来开门，方便社区人员的管理；客人来访的时候可以通过该设备呼叫业主打开楼底的单元大门；同时也可以将陌生人拒于大门之外。（3）智能小区户媒体终端机 业主在小区内运动休闲的时候，可以通过媒体终端机了解到社区的最新通知信息以及可以浏览社区服务动心播放的多媒体广告。2.3 功能需求分析 智能小区系统构成的关键在于网络通信、社区服务及、物业管理安全防范等方面。其系统构成有这样的特点：运用符合标准、先进的的设备和技术；同时全部的系统都要运用集散式的构造方式，既具有分散的设备或终端，又利用网络集中到一个相同的控制或管理中心，中心提供公共信息资源；最后，所有的智能系统既可独立，又可在计算机网络的基础上实现集中管理。系统的物理拓扑结构图如图2.1所示。图2.1 智能小区控制系统物理拓朴结构图2.4 数据需求分析 各个模块牵涉到的数据描述如表2.1所示：表2.1 智能小区各个模块牵涉到的的数据模块实现的功能数据栋门口机向小区中心获取用户信息文本信息 音对讲功能A.访客确认B.来访通话音频数据C.远程开锁控制指令数据 媒体娱乐功能A.媒体播放音频+视频数据B.图片广告图片+文字信息家电控制 A.本地控制 B.不同的家电控制C.传感数据采集与显示控制指令数据窗帘控制控制窗帘的上拉与下放动作控制指令数据灯光控制控制灯光的变化控制指令数据社区服务小区信息发布文字信息2.5 本章小结 本章通过对智能小区控制系统的可行性分析，还有对系统的用户、功能、数据的需求分析，明确系统的功能，为系统的设计指明方向。第三章 智能小区系统总体设计第三章 智能小区系统总体设计3.1智能小区控制系统的整体设计 本文设计的智能小区系统主要由室内中央控制器、栋门口机、户媒体终端机构成。具体实现如图3.1所示 。 栋门口机1. 密码开锁2. 呼叫业主社区中央 控制器1. 室内设备2. 室内设备监控3. 与门口机对讲4. 安防布置5. 参数设置1. 信息发布2. 媒体播放社区媒体 终端室内机 图3.1智能小区整体设计图3.2 具体方案的制定3.2.1 核心芯片的选择 从系统的功能需求来看，实现语音视频的采集和播放、数据的存储压缩与数据的网络传输是整个系统的关键。而这些功能主要通过核心芯片来控制的，因此核心芯片的选择显得尤为重要。以下对几种核心芯片方案进行分析： （1）基于单片机方案：传统的安防系统技术上来讲都是以单片机为核心处理单元，上定制的硬件和软件共同组成控制系统。大都采用的是模拟音视频现场总线，用来控制音视频切换和音视频的模拟传输。电路设计一般较复杂，故稳定性不高，其扩展能力不强。（2）基于 DSP 的方案：采用 DSP 芯片作为微处理器，进行数据信号的处理运算。相对于单片机它的主频高，处理速度快，精度高，运算能力强。但是芯片的资源缺乏灵活性，不易添加新功能，设计复杂，开发难度大且周期比较长。 （3）基于ARM的方案：ARM作为核心CPU，主频高，处理功能强大，性能高，能同时担任数据处理和系统控制的任务。具有丰富的外设接口，易于开发，成本低，资源丰富，更新升级方便。 对比以上三种方案发现，采用ARM作为核心芯片更具有优势，更适应系统开发的需求，因此，系统选用ARM作为核心硬件平台。3.2.2 系统通信协议的选择 可视楼宇对讲及安全防范系统是当今住宅必不可少的系统之一，其基本功能有呼叫、对讲、遥控开锁、监视和报警等功能。它把来访者、住房和小区管理者三方面的通讯包含在同一个网络中，方便了客人和住户出入、物业的管理，防止闲杂人员擅入住宅楼宇。为住户提供了一个安全、舒适的家居生活环境。它主要采用的是图像传输技术和控制技术，其核心功能是实现音视频和数据信号的传输，因此如何实现管理机、门口机和室内机之间数据的通信，选取何种通信控制方式进行组网最为关键。下面就几种通信协议进行分析。 （1）RS-485总线联网通信 RS-485是串行数据接口标准，数据信号采用平衡发送和差分接收的方式。RS485接口组成的是半双工网络，一般使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B 。 其主要缺点是无法构成多主结构，主节点任务很繁忙，如果主节点发生故障就可能导致整个系统瘫痪。以命令响应式作为数据通信方式，它的传输效率十分低，同时如果通信下端出现错误时，数据不可以马上上传，灵活性很差，在实时性要求较高的场合难以适应。而且需专门布线，传输距离近，接线调试麻烦，联网范围和数量都受到限制，同时RS485总线难以满足信息传输的需求。 （2）编码方式通信 编码方式主要以电压方式传输数据，将主机与分机按编码接线图连接好，使用前要对每台分机进行编码。现在工程单位的技术水平参差不齐，而对讲系统的选址、编码基本上都采用现场编码121(批脚、拔号、剪线等方式)，易出现不少人为故障3。而且采取编码通信连接的用户数少，传输距离短，抗干扰不好，易出现解码错误，双向性不好，功能简单。 （3）基于Internet网络的通信协议 采用 TCP/IP 双向网络通讯模式，用网络传输系统数据, 模糊了距离的概念，大大提高了数据传输速度，例如局域网的传输速度目前能做到百兆，刷卡、报警等。数据能在100ms以内迅速上传到管理主机，数据处理和动作响应非常快这都是总线制技术做不到的。它将声音、图像和数据进行数字化，采用数字信号传输，无电缆，网络布线简单，线路可靠性强。而且采用标准化的接口，传输电路简单，组网灵活方便，便于升级及功能扩展， 又可实现多路同时互通，消除占线，后期的维护检修也比较方便，满足现代复杂、大规模小区组网的需求。 本系统正是基于 Internet 技术，采用数字化网络传输，将音视频及所有控制信号通过一根网线传输，传输数据量大，速度快，组网灵活，可扩展性强，克服了模拟传输带来的种种弊端。3.3 智能小区系统各模块主要设计流程（1）媒体娱乐处理流程图图3.2 媒体娱乐处理流程图（2）家电控制处理流程图 图3.3 家电控制处理流程图（3）窗帘控制处理流程图图3.4 窗帘控制处理流程图（4）灯光控制处理流程图图3.5 灯光控制处理流程图（5）安防处理流程图图3.6 安防处理流程图3.4 本章小结本章对智能小区控制系统进行总体设计。主要给出了总体设计图，具体方案的制定，还有各模块主要的设计流程。广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于S3C2440芯片的智能小区控制系统设计第四章 智能小区系统的硬件设计4.1 网络通信模块目前许多嵌入式产品为了实现多个微控制单元 MCU 之间的信息交流，采用CAN，RS-232、RS-485等总线将MCU组网，但这种网络的有效半径有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于Internet以外的。而随着Internet技术的飞速发展，网络已经渗透到了人们生活的方方面面。在嵌入式系统中，和网络结合已经成为嵌入式系统发展的趋势。在今天网络应用广泛的情况下，本系统音视频数据传输利用的是小区局网络。4.1.1 基于 TCP/IP 核心协议的网络传输 TCP/IP 是一种分层协议，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层等。每一层都可以完成一种明确的功能，并且与一个或者几个传输协议相对应，每一层相对于下层都看做一个孤立的数据包来实现。协议中的核心协议被设计在网络层和传输层中运行，它们提供通信服务给网络中的各主机。在开发网络应用程序的当中主要涉及传输层TCP和UDP两种协议。 （1）TCP协议TCP协议（Transfer Control Protocol）即传输控制协议，是一个面向连接的可靠的传输层协议。它是在需要通信的两个应用程序之间通过三次握手建立起一条虚拟的连接线路，为两台主机提供高可靠性的端到端数据通信，并且保证没有丢失的或者重复的数据包。它所做的工作包括： 发送方把应用程序交给它的数据分成合适的小块，并添加附加信息（TCP头），包括顺序号、源、目的端口、控制、纠错信息等字段，称为 TCP 数据包，并将TCP数据包交给下面的网络层处理。接收方确认接收到的TCP数据包，重组并将数据送往高层。TCP 的 3 次握手、重传确认、差错控制等确保了数据传输的可靠性，但是同时也会有较大的延时，系统开销也较大。 （2）UDP协议UDP（User Datagram Protocol），即用户数据包协议。它是一种面向无连接的不可靠传输协议，不需要通过3次握手来建立连接。该协议只是把应用程序传来的数据加上UDP头包括端口号、段长等字段，作为UDP数据包发送出去。对于数据包的顺序错误或重发不作处理，由于通信时无需连接，不需要接收方确认，所以它无法保证数据包能到达目的地，可能出现丢包现象。其可靠性交由应用程序来保证。UDP协议主要适用于网络中拥有大量客户端、网络负担非常重，但一次只传送少量数据(网络短消息)而对响应速度要求高的场合。它是分发信息的一个理想协议，被广泛应用在多媒体应用中。例如，在屏幕上报告股票市场、在屏幕上显示航空信息、网络视频会议等等。与TCP相比，虽然UDP协议不可靠，却减少了协议开销，提升了执行速度，且具有很好的实时性，在网络通信质量状况很好的时候，选择UDP可以减少网络负担，体现出高效率。对于本系统音视频数据传输而言，实时性要求高，又不需要数据绝对的可靠，允许偶然出现的差错，所以选用UDP协议传送数据，以实现网络的高速。4.1.2 网络接口电路的设计 S3C2440A处理器与CS8900A连接的结构图SC2440A本身并无网络控制器，要实现以太网通信需增加独立的以太网控制器。网络接口模块由S3C2440A芯片、以太网控制器芯片、网络隔离滤波变压器和RJ45网络接口组成。连接结构图如图4.1所示。RJ-45接口网卡隔离变压器嵌入式处理器S3C2400A以太网芯片CS8900A 图4.1 S3C2440A与CS8900A连接结构图本系统以太网控制器芯片选用 Cirrus Logic 公司生产的 CS8900A，它是一个真正的全双工、单芯片、低功耗和低成本的以太网解决方案成品。芯片里面包含10Base-T 传输、ISA 总线接口和片上 RAM以及 接收滤波器等相关功能模块。CS8900A能够支持8位、16位的微型处理器，其传输速率工作可以达到10M。这个芯片应用广泛，其工作模式、物理层接口和数据传输模式等都能够根据需要而自动调整，通过设置内部寄存器来适应不同的情况。4.2 数字音频信号处理模块4.2.1 IIS音频总线随着多媒体技术的的快速发展和不断进步，数字音频通信技术得到了越来越广泛的应用，例如 MP3、CD、手机、DVD 等电子产品都引入了数字音频系统。这些电子产品中数字化的声音信号是由一系列的集成电路处理，因此为这些电路提供一个标准的通信协议显得非常重要，IIS总线由此应运而生。IIS（Inter-IC Sound Bus）即音频数据接口，又称 I2S，它是 Philip 公司开发的一种面向多媒体计算机的串行数字音频总线协议。该总线专门用于数字音频设备之间的音频数据传输，为立体声音频序列的传输提供了一个标准的通信协议。目前很多音频芯片和MCU都提供了对IIS的支持。IIS总线只传递音源数字信号，其他信号（如控制信号）必须单独传输，为了使芯片的引出管脚尽可能的少和布线尽量简单，IIS总线仅由3条串行总线构成，它们分别是：(1)时钟信号(SCLK)：SCLK 也叫位时钟，即对应数字音频的每一位数据，SCK 都有 1 个脉冲。在IIS总线中，任何一个能够产生时钟信号的电路都可以称为主设备，从设备从外部时钟输入得到时钟信号。(2)帧时钟(LRCK)：LRCK也称字段选择信号WS。音频系统一般包含左右两个声道，LRCK就是用来控制左右声道的选择。LRCK =0，表示正在传输的是左声道的数据； LRCK =1，表示正在传输的是右声道的数据。LRCK 可以在串行时钟的上升沿或者下降沿发生改变，并且LRCK信号不需要一定是对称同步的。在从属端，LRCK在时钟信号的上升沿发生改变。(3)串行数据(SD)：SD 就是用二进制补码表示的音频数据。它的传输受时钟信号的同步控制，串行数据以2的补数发送，首先发送最高位MSB，数据的最高位MSB总是出现在LRCK变化（也就是一帧开始）后的第2个SCLK脉冲处。因此接收端与发送端的有效位数可以不同。发送方不必知道接收方能处理的位数，同样接收方也不必知道发送方正把多少位数据发送过来。如果接收端能够处理的的有效位数比发送端少，则数据帧当中剩余的低位数据就会被放弃；反之，如果接收端能够处理的有效位数发比送端多，可以通过0自行补足余下的位。这种同步机制方便数字音频设备的互连，而且不会出现数据错位。图4.2 为IIS总线时序图 发射器 控制器 SCK WS SD 接收器图4.3控制器为主设备的IIS总线的传输模式从图中可以直观的看出IIS 总线中时钟信号SCLK、帧时钟LRCK和串行数据SD这3条串行总线之间的同步关系。在时钟周期信号SCLK的控制下，左右声道选择信号LRCK的改变到串行信号 SD发送最高位MSB之间有一个周期的时间，这样可以使数据接收方和发送方保持同步，并且LRCK能让接收设备存储前1字节，并且准备接收后1字节。数据的发送方和接收方需要采用相同的时钟信号来控制数据的传输，数据传输方(主设)必须产生时钟信号、字段选择信号和需要传输的数据信号。在一个复杂的数字音频系统中，可能会有多个发送方和接受方，通常采用系统主控制模式，主控制模块控制数字音频数据在不同集成电路间的传输，数据发送方需要在主控模块的协调下发送数据。如图4.3所示为控制器为主设备的IIS总线的传输模式。IIS 总线控制器接口是为连接标准编解码器（CODEC）提供的外部接口。在Philip 公司的 IIS 标准中，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据的格式。IIS 总线接口为先进先出队列 FIFO 的访问提供 DMA 传输模式来取代中断模式，可同时发送和接收数据，也可只发送或接收数据。4.4.2 S3C2440A的IIS总线控制器接口S3C2440芯片内置了一个IIS总线控制器接口，该控制器实现了对外部8/16位立体声音频编解码器接口，兼容IIS总线数据格式和MSB-justified数据格式，能够读取IIS总线上的数据，可以很方便的与其它音频编码解码芯片配合使用。1、S3C2440A处理器IIS总线控制器接口相关的信号线。(1) 两条串行数据线，即一条串行输入信号数据线IISDI、一条串行输出信号数据线 IISDO，它们可以同时发送和接收数据，都与 IIS 总线接口中的 SD信号相对应；(2) 左右通道选择IISLRCK，它的频率等于采样频率fs；(3) 串行位时钟IISCLK，它的频率=2*采样频率*采用位数，即16或32或48fs；(4) 主控时钟CDCLK，也称音频系统主时钟，是采样频率的256倍或384倍。2、S3C2440处理器的IIS总线接口结构图如图4.5所示。 SD CHNC BRFCTxFIFOSFTRRxFIFOSCLKGKGSCLKKKKADORR IPSR-A IPSR-BDATALRCKPCLK CDCLKCNILKXMPLLn图4.4 S3C2440芯片IIS总线接口结构图图4.5 中各部分功能描述如下：BRFC：指总线接口、寄存器和状态机。总线接口逻辑和 FIFO 访问由状态机控制。IPSR：指两个5位的前置分频器IRSR_A和IRSR_B，一个前置分频器作为IIS总线接口的主时钟发生器，另一个前置分频器作为外部CODEC的时钟发生器TxFIFO和RxFIFO：表示两个64字节的FIFO。发送数据时，数据被写入TxFIFO，接收数据时，数据从RxFIFO中读取。SCLKG：指主IISCLK发生器。在主模式下，由主时钟产生串行位时钟。CHNC：指通道发生器和状态机。通道状态机用于产生并控制 IISCLK 和IISLRCK。SFTR：指16位移位寄存器。在发送模式下，并行数据移入SFTR并转换成串行数据输出；在接收模式下，串行数据移入SFTR并转换成并行数据输出。3、S3C2440A 处理器IIS总线控制器接口的相关寄存器(1) IIS控制寄存器IISCON。通过该寄存器可以设置左右声道，获取发送或接收 FIFO 的就绪状态，能够设置发送或接收 DMA 的请求，使能 IIS 预分频器和IIS接口。(2) IIS模式寄存器IISMOD。通过该寄存器选择主从模式、发送/接收模式、主时钟频率和串行时钟频率，设置左/右声道的有效电平、每通道串行数据位。(3) IIS预分频寄存器IISPSR。(4) IIS FIFO 控制寄存器 IISFCON。通过该寄存器选择发送/接收 FIFO 访问模式，使能发送/接收FIFO，发送/接收FIFO数据计数。(5) IIS FIFO寄存器IISFIFO。主要用于IIS发送或接收数据。 4、S3C2440A处理器IIS总线控制器接口的3种工作模式。(1) 正常传输模式在正常传输模式下 IIS 控制寄存器 IISCON 对于发送或接收 FIFO 有一个FIFO 准备标志位。当 FIFO 准备发送数据时，如果 FIFO 非空，FIFO 准备标志位置 1，此时可以继续发送数据。如果 FIFO 为空，FIFO 准备标志位置 0，此时不能继续发送数据，需进行缓存处理。当数据接收 FIFO 非满，对于接收 FIFO 的FIFO准备标志位置1，其指出FIFO准备好接收数据。如果接收FIFO为满，FIFO准备标志置 0。这些标志用于决定 CPU 读写 FIFO 的时间。用这种方法当 CPU 在访问发送接收FIFO时，串行数据能被发送和接收。(2) DMA模式在该模式下，发送或接收FIFO寄存器对DMA控制器是可访问的。在发送或接收模式下的DMA服务请求是由FIFO准备标志自动执行。当FIFO满时，由DMA控制器对FIFO中的数据进行处理。(3) 发送/接收模式在该模式下，IIS总线接口将通过双通道DMA同时发送和接收音频数据。4.2.3 音频接口电路的设计（1）音频电路设计框图本模块的硬件电路设计框图如图 4.5 所示，图中音频硬件主要由 S3C2440AARM9微处理器、数字音频输入/输出接口芯片 UDA1341TS和麦克风等电路构成。S3C2440提供3条控制线和系统时间，通过内置的IIS接口读取IIS总线上的数据，并由语音处理芯片外扩，对语音信号进行采样、A/D或D/A转换，最后通过总线和系统连接。 本系统采用的音频芯片为UDA1341TS，它是Philips公司推出的一块功能强大的专用音频数字信号处理芯片，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，支持IIS总线数据格式，通过IIS数字音频接口，可完成立体声的数字化处理。在实际中，因其低电压、低功耗的特点被广泛应用于 MD、CD、笔记本等便携式设备。UDA1341TS芯片包含了音频信号输入线2组、音频信号输出线1组、IIS总线接口信号线1组和L3总线1组。它与S3C2440A处理器的电路连接相对简单，能够实现语音的 A/D 和 D/A 等预处理，而不需要再额外增加专门的A/D和 D/A器件。 音频总线 音频总线 IIS 总线麦克风L3控制 接口扬声器语音处理芯片UDA1341TS 微处理器 S3C2400图4.5 音频电路设计框图（2）音频接口电路原理图及工作原理音频接口电路原理图如下图4.6所示：图4.6 音频接口原理图UDA1341TS 芯片的IIS总线接口信号线包括音频系统时钟SYSCLK信号线位、数据输入DATA1、输出DATA0、字选择输入WS和时钟输入BCK。当中的位时钟输入信号BCK连接在S3C2440A 的IIS 总线时钟信号IISCLK；声道选择信号 IISLRCK 与字选择输入信号 WS 连