（信号与信息处理专业论文）基于cobranet技术的音频传输网络.pdf

基于c o b r a n e t 技术的音频传输网络 作者简介：李志鹏，男，1 9 8 3 年2 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大 学郭勇教授，于2 0 0 8 年7 月获硕士学位 摘要 随着社会经济的发展，目前需要专业化音频传输系统的场合越来越多，如大 型场馆，大型楼宇，大型娱乐会场，大剧院等。采用传统的模拟方式分配与布线 已经不能满足越来越庞大的音频传输系统与音频传输质量，只有运用数字化和网 络化技术提高与改进广播技术，满足现代化的音频传输系统。 c o b r a n e t 是当前使用比较广泛的多通道数字音频传输技术。通过c o b r a n e t 技术把原来的模拟音频传输提升到了专业数字级别的传输。本文通过对音频传输 网络的基本组成，c o b r a n e t 网络，以及硬件设备的组成与各个模块和开放环境 与软件进行了相应的介绍。论文首先是对c o b r a n e t 技术进行了详细的介绍，通 过c o b r a n e t 技术实现了网络数字音频的传输，对c o b r a n e t 网络具体的构建方法 进行了相应的介绍。接下来是对整个系统组成的介绍，通过以c o b r a t 音频设 备为交换中心，对数字音频整个网络进行了相应的规划。本文主要介绍了硬件系 统的实现部分，通过对a 剐，f p g a ，c m 一2 模块的详细介绍，能够更加清晰的认识到 c o b r a n e t 设备的工作原理，以及音频信号的处理过程。对c o b r a n e t 音频传输网 络的各个部分进行了详细的介绍，其中包括了每个部分的硬件实现与技术指标。 在软件方面，通过对系统的分析采用了流行的a 蹦芯片与f p g a 芯片，软件的实 现主要包括：a 蹦部分，以及f p g a 部分的软件编程进行了介绍。首先是对开发 环境对a d s 以及i s e 的介绍，接下来是对软件的结构与功能进行了概述，介绍了 a r m 控制部分的主要工作以及主程序代码，对f p g a 的介绍主要包括了路由与译 码这2 部分。 该设备主要主要研究目地是基于c o b r a n e t 协议，设计可靠的稳定的数字音 频传输设备。该设备同以往的数字音频设备相比较采用先进的a r m 芯片作为核心 控制，采用高速f p g a 作为核心路由。提高了设备的可靠性，稳定性以及灵活性， 提高了整个数字音频传输网络的质量。采用了音频数据的网络化数字化传送，通 过c o b r a n e t 技术完成了对传统模拟音频传输到网络化数字化音频传输的过度， 音频质量达到c d 音质使得本套系统主要运用于高端系统。 关键词：c o b r a n e t ，数字音频，f p g a ，a r m ，音频传输 成都理r 大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ea u d i ot r a n s m i s s i o nn e t w o r kb a s e do n c o b r a n e tt e c h n o l o i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：l iz h i p e n g ，m a l e ，b o mi nf e b o f1 9 8 3 ，w a sg r a n t e d t h em a s t e rf m mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o r g u o y o n g a b s t r a c t a sar e s u l to fe c o n o m i cp r o g f e s s ，p r o f c s s i o n a la u d i ot r a n s f e rs y s t e ma r em o r e f k q u e n t l vu s e d i ti su s e di nm a n yp l a c e ss u c ha sh u g es i t e ，m a i np l a c eo fa m u s e m e n t ， h u 星哆s h o w p l a c e c o n v e n t i o n a la n a l o g d i s t r i b u t ea n dw i r i n gm o d ec a nn o t 丘l l f i l lt a s k o ft r a n s f e rm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dh 垣hq u a l j t ya u d i os y s t e m t h eo n l yw a yt o s o l v et h ep r o b l e mi su s i n gd i g i t a la n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt oi m p r o v eb r o a d c a s t i n g m o d e t h e nw ec a nb u i l d u pm o d e ma u d i 0t r a n s m i s s i o ns y s t e m 。 t h i sa n i c l ei n t m d u c e st h eb a s i sf o 珊o ft h ew h o l e 矩d i ot r a n s m i s s i o nn e 细o r k ： ( 、0 b r a n e t w ei n t r o d u c e se a c hp a r to ft h eh a r d w a f es y s t e ma n dt h ed e v e l o ps o r w a r e e n v i r o n m e n to ft h es y s t e m f i r s tw ep a n i c u l a r l yc o m m e n d e dt h ec o b m n e tt e c h n o l o g y w e e x p a t i a t eo nh o w t oi m p l e m e n td i 西t a la u d i ot r a n s m i s s i o nn e t w o r ks y s t e m t h e n w ei n t r o d u c et h ec o m p o s eo ft h es y s t e m w el a y o u tt h ew h o l ed i 昏t a l踟d i o t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h eo 曲r a n e ta u d i oe q u i p m e n ta st m n s m i tc e n t r e w e i n t r o d u c et h eh a r d w a r es y s t 锄s u c ha sa r m ，f p g a ，c m 一2f u i i c t i o nm o d u l et o d e s c r i b et h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h ec o b r a n e ta n dt h ep r o c e s so fh o wt 0m a n a g e a u d i 0s i 缈a 1 i nt h es o 矗w a r ep a r t ，w ei n t r o d t l c es o f ；t w a r ed e v e l 叩e n v i r o n m e n ta d s a n di s ew h i c ha r eu s e di na r m 觚df p g ad e s i g i i w bl i s tt h em a i nc o d ei nt h e c o n t r o l l e rw h i c hu s ea r ma sc o r ep r o c e s s o r a n dw ei n t r o d u c eh o wt or e a l i z er o u t e a n dc o d i n gf u n c t i o nj nf p g a n l ed e v i c ei sb a s e do nc o b f a n e tt e c h n o l g y ，d e s i g nar e l i a b l ea n ds t i b l ed i g i t a l a u d i ot r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t t h ee q u i p m e n ti nt h ep a s td i 百t a la u d i oe q u i p m e n t c o m p a r e dt ot h eu s eo fa d v 锄c e da r mc h i pa st h ec o r eo fc o n t r o l ，h i g t l - s p e e df p g a u s e da sac o r er o u t e r i i i l p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，s t a _ b i l i t ya n df l e x i b i l i t y a n di m p r 0 v et h ee n t i r ed i 百t a la u d i o 仃a n s m i s s i o nn e t 、v o r kq u a l i t y k e y w o r d ：c o b r a n e t ，d i 舀t a la u d i o ，f p g a ，a r m ，a u d i ot m n s m i s s i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 李乏p 和自 么妒7 年歹月乞夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 加矿年歹 月 日 第1 章引言 1 1 项目研究意义 第1 章引言 近年来，随着我国经济的发展，国力的增强，获得了2 0 0 8 年奥运会的申办 权。在奥运场馆建设过程中，以及诸如运动场、主题公园、歌剧院、广播电台、 大型演出等需要高品质音频信号传输时，如果采用以往模拟音频线路布线，长达 几公里的布线成本以及错综复杂的线路切换和信号衰减成为业主和工程商很棘 手的问题，随之而来的公共广播系统的集中控制、系统监测也很难解决，因此急 需一种数字音频传输系统它即能够传输音频信号，又能够对自身进行监测的数字 系统，并且能够全数字化的切换与控制。 c o b r a n e t 是当前使用比较广泛的多通道数字音频传输技术，c 0 b r a n e t 是 p e a ka u d i o ( 尖峰音频) 公司的c o b r a n e t 协议。c o b r a n e t 利用成熟的快速以太 网技术来传输和分配实时、非压缩的数字音频信号，其特点是是不会产生信号压 缩失真和感觉不到有声音延迟( 延时量小于8 m s ) ，因此音质极好。c o b r a n e t 协 议在1 0 0 m b p s 的快速以太网上，可以支持1 2 8 路音频信号。c 0 b r a n e t 协议把音 频信号打成数据包佃u n d l e ) ，以便在以太网上传输。c 0 b r a n c t 支持多点传输 ( m u h i c 筋t ) 和单点传输( u l l i c a s t ) ，音频信号的路由分配非常灵活。 对于运动场、主题公园、歌剧院、广播电台、大型演出等具有极其重要的意 义。这是因为c o b r a n e t 信号是在以太网络设备中传输的，一条普通的5 类双绞 线可以在双方向传输1 2 8 个通道的高质量、无压缩的音频信号。如果使用光纤则 可以轻易的将上百路信号传输数千米而无损耗。这会大大降低多通道、远距离多 点控制音频系统的设计和运行成本。标准的c 0 b r a n e t 信号采用和c d 唱片同样 的无压缩p c m 数据，而采样率和量化分辨率却使用了广播级的4 8 k h z 和2 0 b i t ， 远远高于了c d 唱片的数据指标，这就能方便的满足广播电台的直播间信号传 送、录音棚中各录音问之间的信号共享等高质量要求。 1 2 国内外发展现状 在专业级别数字音频传输领域主要有：c o b m n e t 、m a d i 、d c n 数字音频 技术等主要技术。 c 0 b 训e t 以其良好的互通性、低成本的造价、可靠性、稳定性、可遇见的 发展速度和良好的商业运作机制迅速的占领了这一市场，自从p e a l 【a u d i o 公司发 成都理工大学硕士学位论文 布第一块c o b r a n e t 模块以来，到现在为止，得到了包括p e a v e y 、c r e s t a u d i o 、q s c 、 c r o w n 、b o s e 、b o s c h 、y a m a h a 、e a w 等超过四十家国际一流音频设备公司 的支持，c o b r a n e t 技术是未来网络音频的发展方向和行业标准。c o b r a n e t 技术 已经应用在很多大型的项目，包括机场、大型体育场馆、主题公园、智能化大厦、 会议中心、火车站、城市地铁这些大型公共广播系统。典型案例有：2 0 0 0 年悉 尼奥运会、2 0 0 4 年雅典奥运会、澳大利亚悉尼国际机场、迪斯尼乐园、英国伦 敦希特鲁机场、爱尔兰都柏林机场等。c o b r a n e t 技术近几年在国内也有大量的 工程应用，典型的案例有：上海f 1 国际赛车场、上海科技馆、大亚湾核电站、 中南海总理会议室。对数字音频的需求日益增加，使得开发基于c o b r a n e t 技术 数字音频设备的工作刻不容缓。 1 3 项目特色与创新 主要是采用了音频数据的网络化数字化传送，通过c o b r a n e t 技术完成了对 传统模拟音频传输到网络化数字化音频传输的过度，音频质量达到c d 音质使得 本套系统主要运用于高端系统。通过数字化的切换使得操作更加的简单，通过与 相应计算机软件的接口，可以通过计算机软件轻松的控制整个网络和监测整个网 络的运行情况。主要的特点与创新点包括： 1 音频数据的网络数字化传送 2 无损的音频数据 3 采用高于c d 音质的音频采集系统 4 音频的数字化自由切换 2 第2 章c 0 b r a 卜i e t 专业音频传输设备研制方案 第2 章c o b r a n e t 专业音频传输设备研制方案 2 1c o b r a l l e t 系统介绍 c o b r a n e t 是一种数字音频网络技术，来自于p e a ka u d i o 尖峰音频公司。 c 0 b r a n e t 技术允许用户通过一个普通的网络来传输专业的数字音频。用网络技 术来传输信号能带给我们众多的好处，在一根电缆上能传输多路信号、系统组织 可以非常灵活、系统的冗余安全性和容错方案很容易实现、可随时对信号的路由 进行动态调整以及可以实时监控系统中任意信号的状况等等。在一个音频网络 中，一根5 类双绞线( 办公室中使用的普通网线) 或者一根光缆可以取代模拟系 统中无数根音频电缆，而且网线中还可以增加遥控和监控信息。由于网络系统中 实际需要铺设的线缆大大减少，线槽的尺寸也可以随之减小，线缆铺设所花费的 人工和时间也就大大减少和降低。另外由于光缆对于各种电磁干扰和射频干扰具 有天生的免疫特性，所以整个系统的调试和维护也变得更为简便。 用网络系统来调配音频信号的时候，灵活性是无与伦比的。在一个设计合理 的音频网络系统中，可以轻松地把任何输入信号切换到任何输出通道，而且完全 不用重新接线，甚至连跳线板也不用。这种信号路由的灵活调整特性，可以使系 统适应不同的使用要求。 每个c o b r a n e t 设备至少具有一个以太网接口( r j 4 5 接头) ，通过这个接口 就可以与网络相连接。在一个快速以太网上，数据传输的速度可以达到每秒1 0 0 兆比特( m b p s ) 。在这样的带宽条件下，c o b m n e t 网络可以支持6 4 路音频信号。 由于大部分c 0 b r a n e t 设备具有同时发送和接收网络数据的能力( 也叫做全双 工) ，所以每个c 0 b m n e t 设备能享受双向1 0 0m b p s 的带宽( 即接收1 0 0m b p s 、 发送1 0 0m b p s ) 。这样c o b r a n e t 设备实际享受的带宽达到2 0 0m b p s 。这也就是 说在一根5 类双绞线或1 对光缆上可以传输1 2 8 路音频信号。由于很多以太网交 换机具有千兆上行接口或扩展接口，在这些速度更高的端口上传输的音频信号可 以达到1 2 8 0 路。 c o b r a n e t 网络可以围绕以太网交换机( s w i t c h i i l gh u b s ) 或者以太网集线器 ( r e p e a t e rh u b s ) 来构建。交换机和集线器都是多个端口的网络交换设备，可以 用来连接电脑、网络打印机以及c 0 b m e t 设备。如果网络中的交换设备全部由 交换机组成，则这样的网络被称为交换机网络，而全部由集线器组成的网络相应 就被称为集线器网络。尽管c o b a m e t 网络可以支持集线器，但交换机可以提供 更强大的路由交换能力和更多的附加功能，比如支持闭合环路的拓扑结构、智能 3 成都理i ：人学硕十。、侮论文 化路山分配、网络流量监控、与普通办公电脑共享网络硬件设施，或者把网络卜 连接的设备人为分区彤成所诮的虚拟局域网v l a n 。 隔阑 p 。戮嚣蠡蔫嚣i l | e d 馘l 巍稿蠢移 区鎏鋈婺i ! 习 图1 一l 网络拓扑 最为矗，见的网络拓扑结构是星型连接。在这样的网络结构中，所有的网络节 点都连接剑q j 央的交换机i ：。在图1 1 巾，标有c o b r a n e t 字样的方框代表c o b r a n e t 设备。c o b r a n e t 没备与交换机之问用5 类双绞线连接，最远传输距离为1 0 0 米。 存这样的例络结构下，如果把c o b r a n e t 设备换成交换机，再阳外连接c o b r a n e t 设备，就能够形成史大的星型结构，也可以叫做星云结构。如图1 2 所示 蘑j 一 鞫 曼! 坚! | 露瑟瑟溺 e 骥缪簇 譬：羞_ _ _ _ _ 覆 图1 2星云网络拓扑 在星云结构中，交换机之问的5 类双绞线长度也必须控制在1 0 0 米以内。如 果超m 这个范围，则应该选用光缆传输。用于快速以太网的多模光缆最远l i j 以传 输2 公罩。如果使用单模光缆，传输距离可以进一步增加。通过不断向外层连接 以人网交换机，i 叮以建成更大的星云结构网络。如果设计合理的话，c o b r a n e t 网络的人小足没有局限的。 c o b r a n e ti 办议把音频信号打成数据包，以便在以太网f ：传输，这种数据包被 称为b u n d l e 。一个b u n d l e 的数据量可以包含8 路2 0 比特的音频信号。采用这种 最大尺、1 r 的b u n d l e 数据包是最值得推荐的做法，因为这样可以最有效地利用网 络带宽。在数据包巾也可以装入1 6 比特或2 4 比特的占频信号，但这科t 做法非常 黧 雾黛 瑟弦黪臻 第2 章c 0 b f a n e t 专业音频传输设备研制方案 少见。采用1 6 比特的信号，一个数据包能容纳8 个音频通道。采用2 4 比特的信 号，一个数据包只能容纳7 个音频通道。 在c o b r a n e t 网络中，音频信号的路由分配是通过数据包号b u n d l e 硼m b e r 来 实现的。具体来说又有所谓多点传输m u l t i c a s t 和单点传输u n i c a s t 的分别。 m u l t i c a s t 可以支持1 点到多点的信号分配，这样的数据包将耗占整个网络的带 宽。这意味着如果用多点传输数据包向网络上某个设备定向传送信号，网络上其 他本不用接受这一信号的设备也都能看到这个数据包。因此多点传输数据包因该 只在需要时使用，以免浪费网络带宽。多点传输数据包的包号在1 2 5 5 之间。 2 2 系统主要设计原理 c o b r a n e t 数字音频传输设备的核心是基于c o b r a n e t 技术。该系统主要实现 专业级别音频矩阵切换。通过在计算机上的软件操作c o b r a n e t 音频设备进行路 由与音频传输，音频通过c o b m n e t 音频设备中的a ，d 转换进行数字化并通过 c o b r a 卜k t 技术把音频数据转换成符合网络传送的数据格式。通过交换机传送到 指定的c o b r a n e t 设备，在接收端通过反变换，提取接收到的数据中的音频数字 信号，并通过n a 转换，转换成相应的音频信号。通过网络实现了专业音频的传 送。传输的音频质量高于c d 音质，属于专业音频级别，同时没有采用任何压缩 技术，保持了音频的音质，同时减小了音频传输的延时，能够到达实时传送的效 果。 基本工作原理框图如下： 图1 3 系统原理图 5 成都理工大学硕士学位论文 本系统主要是专业音频数据的传输，通过c o b r a n e t 音频设备。把输入的模 拟音频数据转换为高品质的数字音频数据。通过计算机的控制，把该音频数据流 传输到指定的输出端口。本系统的核心是c o b r a n e t 音频设备，该设备必须具有 a ，d ，d a ，计算机通信，音频路由等一些的功能。本设计主要就是要完成这些功 能，并保证系统的正常运行。 6 第3 章硬件系统实现 3 1 概述 第3 章硬件系统实现 整个硬件系统包括a 加，f p g a ，音频，显示以及电源等部分。音频信号通过d 转换变换为数字信号。a r m 控制f p g a 进行相应的路由选择，使得f p g a 对音 频数据进行路由，把音频数据送入c m 2 模块的指定通道。c m 2 模块把音频数 据封装成网络数据包并发送到以太网中，以太网中的其它的c o b r a n e t 设备收到 网络数据包后进行判断。如果是本设备应该接受的数据包，c m 2 模块把数据包 进行解包处理得到音频数据。并把音频数据送入到f p g a 中。有f p g a 路由到指 定的d a 端口，完成音频传输。具体结构图如下图3 1 ，实物图如3 2 ： 图3 1硬件结构图 图3 2 硬件p c b 实物图 7 成都理工大学硕士学位论文 3 2 a r m 部分设计 3 2 1a r m 介绍 a r m 处理器( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也 可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采 用a r m 技术知识产权( 1 p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片， 世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不 同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市 场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得 a r m 处理器技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本 降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 3 2 2l p c 2 1 3 8 介绍 l p c 2 1 3 8 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i sc p u ，并带有3 2 k b 、6 4 k b 、1 2 8 k b 、2 5 6 k b 和5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟 速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位n u m b 模式将代码规模降 低超过3 0 ，而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使l p c 2 1 3 2 特别适 用于访问控制和p o s 机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和 8 1 6 3 2 k b 的片内s r a m ，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件m o d e m 、 语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个 3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通道、4 7 个g p l o 以及 多达9 个边沿或电平触发的外部中断，低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的 3 2 k h z 时钟输入。多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总 线( 4 0 0k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。向量中断控制器。 可配置优先级和向量地址。小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i o 口( 可承受 5 v 电压) 。多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚通过片内p u 1 0 0 u s 的设置时 8 第3 章硬件系统实现 间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。片内集成振荡器与外部晶体的操作频 率范围为1 3 0m h z ，与外部振荡器的操作频率范围高达5 0 m h z 。低功耗模式： 空闲和掉电。可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。通过 外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉 电检测( b o d ) 电路。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗 要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的n u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、u n u x 、p a l m0 s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户的产品 升级换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调 制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 3 2 3 a r m 电路 本系统中a r m 主要负责系统初始化，发送指令，识别系统i d 号，与计算机 串口通讯等一系列的工作。本设计采用周立功的i j p c 2 1 3 8 作为a r m 控制器。在 系统上电后，a r m 自动的对系统的各个模块进行初始化操作。在初始化过程中， 读取本设备的d 号码，作为本以太网中的识别号码。在初始化结束后，如果初 始化没有问题，对串口发出初始化正常的消息，并点亮正常启动的指示灯，进入 正常工作状态。接收串口或者网络上来的指令对f p g a 路由进行控制，完成音频 数据的传输。a r m 部分的电路采用p r o t e l d x p 绘制，p c b 采用双层板。a r m 部分的原理图如下图3 3 ： 9 成都理工大学硕士学位论文 图3 3 a r m 郡分原理图 l p c 2 1 3 8 具有如下特点： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 6 4 封装。 8 1 6 3 2 k b 的片内静态r a m 和3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器。 1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达6 0 m h z 工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p i a p ) 。 单个f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 l l i l s 。2 5 6 字节行编程时间为l m s 。 e m b e d d e d i c er t 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实 时调试和高速跟踪。 1 个( l p c 2 1 3 1 3 2 ) 或2 个( l p c 2 1 3 4 3 6 3 8 ) 8 路1 0 位的加转换器，共提供1 6 路模 拟输入， 每个通道的转换时间低至2 4 4 u s 。 1 个1 0 位的d a 转换器，可产生不同的模拟输出。( l p c 2 1 3 2 3 4 3 6 3 8 ) 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路 输出) 和看门狗。 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u 灿玎、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i 帕) 、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 小型的工q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i ，o 口( 可承受5 v 电压) 。 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 1 0 第3 章硬件系统实现 通过片内p u 彳1 0 0 u s 的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1 3 0m h z ， 与外部振荡器的操作频率范围高达5 0 m h z 。 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。 单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路： c p u 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3v 1 0 ) ，i o 口可承受5 v 的电压。 3 2 4 串口通讯电路 本设计中串口电路的主要作用是用于a r m 与计算机进行通讯。采用通讯格 式：为8 数据位，1 停止位，无校验位，传输速率：1 9 2 0 0 b p s 。在计算机上对设 备进行的操作，可以通过串口将指令传送至设备，使得设备进行相应的动作。同 时设备的运行和连接情况情况可以通过串口反馈至计算机。使得用户掌握整个系 统的运行情况。具体电路如下图： 图3 _ 4 串口电路原理图 u 伽玎是异步通信方式，通信的发送方和接收方各自有独立的时钟，传输的 速率由双方约定。u 堰t 的通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作 为停止位，中间可传输5 8 比特数据和1 比特奇偶校验位，奇偶校验位的有无 和数据比特的长度由通信双方约定。一帧数据传输完毕后可以继续传输下一帧数 据，也可以继续保持为高电平，两帧之间保持高电平，持续时间可以任意长。本 方案采用不添加校验位的方法，以提高数据传输效率。发送端发送数据时先发一 低电平，然后发送8 比特数据，之后马上把信号拉高，从而完成一帧数据传送。 接收端接收到低电平时开始计数，然后接收8 比特信息位后如果检测到高电平即 认为已接收完一帧数据，继续等待下一帧起始信号低电平的到来，若接收完8 比 成都理工大学硕士学位论文 特数据后没有检测到高电平则认为这不是一帧有效数据，将其丢弃，继续等待起 始信号。时序关系如图1 所示，收发可同时进行，互不干扰。 本设计中采用m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 作为串口电平转换芯片，m a x 3 2 3 2 芯片的引脚图如图3 5 连线采用最简单的3 线制连接模式，即只需要两根信号线 和一根地线来完成数据收发。而f p g a 只需要选择两个普通i o 引脚分别与接口 芯片m a x 3 2 3 2 对应引脚t 2 i n 、r 2 0 u t 相连即可完成将串口电平转换为设备电 路板的工作电平，即实现r s 2 3 2 电平和1 叫c m o s 电平的转换。一个m a x 3 2 3 2 芯片可以支持两个串口的电平变换，我们选择其中的一组接口。 c 1 + v + el c 2 + c 2 一 v d o u t 2 r i n 2 v c c g n d d o u t l r l n r o u t l d i n l d l n 2 r o u t 2 图3 - 5m a x 3 2 3 2 芯片引脚图 m a x 3 2 3 2 特点： 3 v 巧v 供电 2 5 0 k b i t s 的传输速率 2 个发送器，2 个接收器 工作电流只需要3 0 0 u a 外部器件只需要4 个o 1 u f 电容 3 3 v 供电时能承受5 v 输入 3 2 5i d 识别电路 i d 识别电路主要功能是使得网络上的每台设备具有唯一的i d 号码，能够通 过在设备上的i d 拨码开关进行设置，在a r m 进行初始化的过程中，自动获得 该设备i d 号，识别电路的原理图如图3 6 1 2 第3 章硬件系统实现 图3 6 i d 识别电路原理图 i d 识别电路主要由2 个7 4 h c l 6 5 和4 个1 6 进制开关构成。当拨码开关拨动 到某个数值时，输出的就是该拨码开关的b c d 值。在系统初始化阶段，通过对 2 个7 4 h c l 6 5 移位寄存器发送时钟信号，把4 个1 6 进制的l d 码送入到a r m 中， 获得该设备的i d 号码。7 4 h c l 6 5 芯片引脚图如图3 - 7 。 7 4 h c l 6 5 为8 位移位寄存器，其主要工作方式为：当移位置入控制端为低电 平时，并行数据并置入寄存器，而时钟及窜行数据均无关。当控制端为高电平时， 并行数据置数功能被禁止。 c l k 与c l k k 在功能上是等效的，可以交换使用。当c l k 和c l ki n k 有一个为低电平并且移位置入控制端为高电平时，另一个时钟可以输入。当c u ( 和c u 【i n k 有一个为高电平时，另外一个时钟被禁止。只有在c u ( 为高电平时 c u ( i n k 才可以变为高电平。 7 4 h c l 6 5 引脚功能： c l k c l k i n h a h s h ，l d c i l i k 芝 f g h 翻 岱唾d v c c c l i ( 脚h d c b a s 豫 q h 双夕l jl j t 捅h 装 图3 7 7 4 h c l 6 5 芯片引脚图 时钟输入端 并行数据输入 s e r q 蕊 s h 两 成都理工大学硕士学位论文 串行数据输入 输出端 互补输出端 移位控制置入控制( 低电平有效) 3 3c m 2 模块介绍 3 3 1 c m 2 模块功能 c o b r a n e t 技术是c i r n l sb 西c 推出的领先于业界的数字音频网络技术，并已 成为众多网络音频供应商的理想选择。c 0 b r a n e t 利用高速发展的计算机网络技 术，为全世界音频领域的专业人士提供性价比更高的网络联通解决方案。c m 一2 基于高度集成的c s l 8 l o 】【xc 0 b r a n e t 硅系列产品，以小体积、低功耗和低成本的 模块方式提供接口功能。c m 2 同时提供2 、8 或1 6 通道的分布式数字音频输入 与输出，可轻易地集成到多种音频产品中，如信号处理器、混音器、放大器和有 源扩音器。 为了把数字音频通过网络来传输，必须有一个模块来完成从数字音频到网络 数据包的转化，c m 2 模块正是这个转换器件。c m 2 模块是c o b r a n e t 协议的解 析器，c m 2 把标准的i l s 数字音频数据封装成网络数据包并发送到网络上，同 时把数字音频从网络数据包中提取出来，形成i i s 标准数字音频数据送入到 f p g a 中进行相应的处理。c m 2 模块的结构图如下图： e o d a 喇i o s 鲫穰 奶s l 图3 8c m - 2 结构原理图 c m 2 模块功能： ( 1 ) 响应c 0 b r a n e t 节拍包、预约包和数据包。 ( 2 ) 根据s n m p 协议修改m i 变量 ( 3 ) 通过h m i 接口由单片机读取和修改m i 变量 ( 4 ) 提供s s i 音频输入输出接口，本设计中将s s l 接口设置成i i s 模式。 1 4 第3 章硬件系统实现 ( 5 ) 为系统提供位时钟i b i t c l l 【，主始终m a i l l - i 皿，以及采样始终甩c l k 。 c m 2 具有以下特点： 1 0 0b a s e t x 以太网接口1 0 0m b p s 、全双工以太网，完全兼容砸阻 8 0 2 3 u 标准。 次级1 0 0b a s e t x 以太网接口提高容错能力的冗余网络连接。 四路同步串行输出端口能够以4 8 或9 6k h z 采样率提供2 、8 或1 6 个 输出通道。 四路同步串行输入端口能够以4 8 或9 6k h z 采样率接收2 、8 或1 6 个 输入通道。 录音棚等级的低时基抖动时钟信号源抖动小于ln s 。 高速并行主机接口可接至外置控制处理器( 可选) 。 s n m p 代理符合标准的以太网控制、监控和管理。 支持t i 讯p 一可在线更新固件程序。 低迟延可选1 3 3 、2 6 6 或5 3 3m s 网间迟延。 可选砌4 5 连接远程供电通过c a t 5 以太网连接供电。需要外置电路。 异步串行输入输出端口向以太网传送串行控制数据。 状态指示灯为每个以太网插孔提供连接状态、活动状态以及c 0 b r a n e t 指挥状态指示。 3 3 2 通讯模式 c m 2 模块通过f s l 信号作为同步数据信号。当f s l 开始为低是表示为1 通 道的左声道数据，当f s l 翻转为高电平时表示1 通道的右声道数据。当f s l 再 此变低后，表示2 通道数据，依次类推。完成1 4 个通道左右声道数据的识别。 具体时序图如下图： f 8 1 厂 d d 1 一d a t a o ，d a 一o a 下 o 。d 0 1 一d a t a l ，d a 一d a t 1 d a 0 1 一d a - r a 2 ，d a 一o a t a 2 d o 1 一d t 3 ，d 一d a t 3 圈3 9 声道选择时序图 i i s ( i n t e r l cs o u n db u s ) 是常常用的音频总线之一，标准的2 4 b i t 音频数据传输 总线，作为一个标准的音频传输总线。可以方便的与各种具有i i s 协议的音频设 备相连接。i i s 时序如下图： 成都理工大学硕七学位论文 洲剐几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几几门几几 跨1 一厂 洲斟匠 圈巫碉亚皿亚匝五匠亚匝 二亟 二匝 图3 1 0i i s 时序图 c m 2 具有3 种时序：正常模式，i i s 模式，标准模式。为了配合其他模块的 传输，使用i i s 作为传输模式。 3 4f p g a 部分设计 3 4 1f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o 目a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在可编程阵列逻辑p a u p r o g r a m m a b l e 山t a yl 0 西c ) 、门阵列逻辑g a u g a t e a 仃a yl o 酉c ) 、可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el 0 9 i cd e v i c e ) 等可编程器件的 基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a