（信号与信息处理专业论文）基于cobranet技术的音频网络终端的研究与实现.pdf

摘要 随着广播业数字化、网络化发展步伐的加快，音频网络传输和 交换技术代表了未来音频传输和交换的发展方向。采用音频网络传 输和交换技术，实现多路音频数据的实时收发和监控是大势所趋。 本文紧密结合c o b r a n e t 音频网络技术、数据传输技术、单片机技 术和f p g a 技术，从事了单片机接口及控制程序设计、控制板设计、 a d 转换插卡设计、d a 转换插卡设计、数字音频信号收发插卡设 计，开发出了一系列音频网络设备，并组网测试。 本文首先阐述了广播业的数字化、网络化发展方向，国内外广 播也的现状，采用网络传输高质量的音频信号的可能性和优点，以 及本文的研究内容。第二章介绍了c o b r a n e t 音频网络技术的软硬 件体系结构；第三章讲解了单片机i o1 ：3 设计和控制程序设计，分 析了主要的控制函数；第四章阐述了系统硬件设计和设计中的注意 事项，第五章给出了系统测试结果及分析。最后是结论以及对后期 丌发的展望。 关键词】音频网络传输技术，c o b r a n e t 音频网络技术，单片机技术 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i v eg r o w t ho fd i g i t a lt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g yi nb r o a d c a s t i n gf i e l d ，n e t w o r kt r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y a n de x c h a n g et e c h n 0 1 0 9 ya t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h et r e n d i st on s ea u d i 0n e t w o r kt r a n s m i t t i n ga n de x c h a n g et e c h n o 】0 9 yt c a c h i e v er e a l - t i m ed i s p a t c ha n dr e m o t en l o n i t o ro fm u l t i ，s i g n a l s o w ec o m b ir i t ec o b r a n e ta u d i on e t w o r kt e c h n o l o g y ，d a t at r a ns m i t t i n g t e c h n o l o g y ，m c ut e c h n e l o g ya n df p g at e c h n o l o g yt o d e v e l o p i n t e f f a c ea n dp r o g r a mo fm c u ，c o n t r o l l i n gp c b b o a r d ，a dc o n v e r t e r p c bb o a r d ，d ac o n v e r t e rp c bb o a r d ，d i g i t a la u d i or e c e i v ep c b b o a r d a t1 a s t ，w ec o n s t r u c taa u d i on e t w o r ka n dt es t i t s p e r f o r m a n c es i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l y ，w es n m m a r j z et h ed i g i t a la n dn e t w o r k o r i e n t a t i o no fb r o a d c a s t i n g ，t h ep r o b a b i l i t ya n dm e r i t so fu s i n g n e t w o r kt o d i s p a t c ha u d i 0s i g n a l ，a n dt h em e a l l i n g0 ft h et h e s i s s e c o n d l y ，w ep r e s e n tt h ec o b r a n e ts y s t e ma n dt h et a s ko ft h et h e s i s i nt h ec h a p t e r3 ，w ed e s c r i b et h ed e v e l o p m e n to fi o i n t e r f a c ea n d p r o g r a mi nm c u ，a n da n a l y s i st h em a i nc o n t r 0 1f u n c t i o n s i nc h a p t e r 4 ，w ed e s c r i b et h ed e v e l o p m e n to fs y s t e mh a r d w a r ea n dc a h t i o u s i t e msi np c bd e s i g n i nc h a p t e r5 ，w eg i v et h et e s t i n gr es u l tsa n d a n a l y s e s f i n a l l y ，t h ew h o 】ew o r ko ft h i st h e s jsi sc o n c l u d e d k e ，w o r d s ：a u d i on e t w or kt r a ns m i t t i n gt e c h n o l o g y c o b r a n e ta u d i on e t w o r kt e c h n o l o g y m c ut e c h n o i o g y 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 为获得电子科技大学或其它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。 签名： 圣弓虽 日期：如订年f 月7 f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：莹圣虽导师签名： 日期：l o - o l e 予科技人学砸士学位论文持于c o b t a n e t 技术的音频例络的研究j 实班 第一章绪论 计算机网络技术的发展已对现代社会产生了巨大的冲击，通过 网络传输数据、文字、图像乃至视频、音频信号早已在人们的生活 和工作中广泛应用。广播电视业也正向数字化、网络化发展，音频 网络传输和交换技术代表了未来音频传输和交换的发展方向。因 此，本文提出应用音频网络技术组建播出完全自动管理的音频网 络，简化广播系统布线，实现音频信号播出的自由切换、设备远程 管理播出及系统中央控制室监控等功能，同时解决音频信号传输的 实时性问题。 1 1 国内广播业的现状 目前的广播系统中仍以传输模拟信号的音频电缆作为设备之 间的连接线，即使是设有综合布线的高楼，其综合布线也只承担电 话、灯光、安全等信息的传输及办公用的计算机信息的传输，音频 信号仍由单独的音频电缆系统完成。传统音频信号的传输一般是一 个信号占用一对线，采用平衡方式传输则需3 根线，如需要传输多 路音频信号，就必须采用多芯电缆或多根电线，系统布线十分复杂、 成本较高。无法实现音频信号更加灵活的分发和音频信号的远程监 控及音频设备的遥控和远程管理。急需对广播电台进行数字化、网 络化改造，以适应广播业发展的要求。 1 2 国外广播业的发展趋势 随着现代网络技术的飞速发展，网络所能传输的信息包罗万 象，广泛应用于视频、灯光控制、保安监控、演出进程控制等众多 领域，采用网络传输高质量的音频信号也成为可能。国外的很多广 播电台、大型体育场馆已经完成数字化、网络化改造。如迪士尼动 物王国音乐背景系统、2 0 0 0 年悉尼奥运会主会场的扩声及广播系 统均采用音频网络技术。整个音频网络采用10 0 m b i t 的快速互联网， 实现音频信号的多路实时分发和传输，一根c a t 5 电缆可以传输多 达6 4 路音频信号，大大简化了系统结构，降低了系统成本。并且， 出于音频信号在网络上采用标准互联网包的形式传递，基于其数字 化的基本特征，动态范幽、信噪比、失真系数、频率响应等技术指 l b 了科技火学坝i 学位论文拱于c o b r a n e t 挫术的音频网络的研究o j 实现 标均大大高于模拟方式，改善了音频信号的传输质量。 采用网络技术传输音频信号在实际应用中有许多优点；( 1 ) 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) 或者根光缆可 以_ i = 阪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问也就大大减少 和降低。另外由于光缆刈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。( 2 ) 在音频 网络系统当中，冗余备份和容错设计非常容易实现。通过合理设计， 当系统检测到任何一件设备或者网络电缆发生故障，都可以进行应 急切换，保证系统继续运行。在网络管理方顽，可以在中心机房或 任何需要的地方设置专门的监控计算机，对网络上：所有的设备进行 监控，如果有设备发生损毁，在应急切换的同时也可以给出报警信 号，比如电脑监视器上原先的绿灯变成红灯，或者发出电于邮件、 b p 机呼叫和手机短信，提请工程师注意进行系统维护。对系统进 行中央监控可以节省大量的时间和劳力，尤其是当音频网络系统应 用于大型场馆的情况下，效果更明显。( 3 ) 用网络系统束调配音 频信号的时候，其灵活性是无与伦比的。在一个设汁合理的音频网 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，而乩 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，对于未来的可扩展性和 系统的调整也留有充分余地，而这一切都不需要繁重的体力劳动来 搬动机根机架，更不需要繁琐的重新焊线接头工作。因此，网络技 术在广播系统中的应用越来越受到人们的熏视，各种音频网络技术 应运而生。 c 0 b r a n e t 音频网络技术是最先进的音频网络技术之一，它能很 好的满足广播系统数字化、网络化的发展需求。c o b r a n e t 音频网络 是一个软件、硬件和网络技术规则相结合的音频信号传输网络。它 的特点就是实现了多路音频信号的实时分发和传输，若使用一根 c a t 一5 ，信号发送点和信号接收点的数目分别可以高达6 4 个。音频 信号的传输不仅可以单向传递( u n i c a s t ) ，也可以多向传递( 1 r l l l n i c as t 电子科技大学硕士学位论文 即一点向多点传递) 。c o b r a n e t 音频网络采用1 0 0 m b i t 的快速互连 网，那些符合i e e e 8 0 2 3 u 快速互联网指标的设备，如交换机 ( s w i t c h e r ) 、集线器( h u b ) 、媒体转换器( m e d i ac o n v t e r ) 及网络 用的连接器( c o n n e c t o r ) 都支持c o b r a n e t 音频网络的实现。网络 中有一个设备扮演指挥者的角色，向其他所有的接口设备发送时钟 信号和控制信息，以管理各种信号的传输，防止信号阻塞和丢失。 另外，为了实现从中央控制室对某些设备( 如功率放大器) 进行远 程管理( 如开关、定时切换、音量调节、错误检测) ，网络上还需 要传输控制信息，以及相应的系统控制软件来实现所需功能。 1 3 课题的研究内容 随着计算机网络技术的发展，网络已经无处不在，通过网络传 输数据、文字、图像乃至视频、音频信号早已在人们的生活和工作 中广泛应用。广播电视业也正向数字化、网络化发展，但是目前国 内外的大部分广播系统仍采用模拟信号的传输方式，音频信号的音 质难以保证，系统布线复杂，越来越不能满足目前广播业的发展需 求。本论文从实际需求出发，紧密结合c o b r a n e t 音频网络技术、 单片机技术、f p g a 技术和网络传输技术，研究和设计一系列音频 网络终端设备，组成一个音频网络。 1 3 1 课题的研究任务 针对目前的广播系统中仍以传输模拟信号的音频电缆作为设 备之间的连接线，系统布线十分复杂，无法实现从中央控制室对其 他设备( 如功率放大器) 进行远程管理( 如开关、定时切换、音量 调节、错误检测) 等缺点，本文提出应用网络技术来实现音频数据 的分发，克服目前广播系统中存在的系统布线复杂、节目播出手动 切换、播出信号中断无法自动补白、无法远程管理播出设备及无法 实现系统中央监控等缺点。基于c o b r a n e t 音频网络技术，设计出 一系列设备组成一个音频网络，其中包括各个设备的硬件设计和软 件编写及系统控制软件的编写。主要实现如下功能： 电子科技大学硕上学位论文 ( 1 ) 模拟音频信号的实时分发和传输 ( 2 ) 数字音频信号的实时分发和传输 ( 3 ) 按节目播出时间表自动切换播出频道； ( 4 ) 系统冗余备份和容错设计 ( 5 ) 远程监控和设备管理( 信号状态检测、节目内容监测、设备 管理等) ； 整个音频网络设计包括硬件和软件设计，本文主要阐述音频网 络的系统硬件设计和系统测试。包括如下几个部分： 单片机8 9 c 5 1 的外部存储器扩展、i o 接口电路设计和控制 程序的编写： 系统硬件设计，包括控制板设计、a d 转换插卡设计、d a 转 换插卡设计、数字音频信号输入输出插卡设计 - 系统测试结果及分析 根据实际需求，本文需要满足如下性能指标 总谐波失真： 9 0 d b u 一频率响应不均度( 2 0 h z 2 0 k h z ) ：0 3 d b u 输入输出信号电平值之差( 4d b u 2 4 d b u ) ：0 2 d b u 电子科技大学硕士学位论文 本文的提出来源于广播系统数字化、网络化的发展要求。论文 共分七章，本章是绪论：第二章阐述了c o b r a n e t 音频网络技术； 第三章概述了单片机i o 接口及控制程序编写；第四章阐述了系统 硬件设计及注意事项；第五章给出系统测试结果及分析：最后的总 结概述在结束语中。 电子科技大学硕士学位论文 第二章c o b r a n e t 音频网络技术概述 c o b r a n e t 音频网络技术是一个工业标准网络技术，它可以提供 可靠的、基于标准以太网硬件和媒介的数字音频网络传输。 c o b r a n e t 音频网络是一个软件、硬件和网络技术规则相结台的音频 信号传输网络。它允许设计者创建大量基础构建以便在以太网上组 成大量的数字音频传输通道。c o b r a n e t 音频网络在1 0 0 m b i t 的快速 以太网上实时地发送和接收高质量的数字音频信号。由予音频电信 号在网络上以标准互联网包的形式传递，基于其数字化的基本特 征，动态范围、信噪比、失真系数、频率响应等技术指标均大大高 于模拟方式，改善了音频信号的传输质量。c o b r a n e t 音频网络避免 了在大型系统中使用复杂繁琐的管线装置，并且大部分单位都已安 装了网线，利用已有的网线，采用c o b r a n e t 技术搭建音频系统可 以节约大量的人力、物力资源及时间。并且所有的连接是数字化的， 这样可以避免传统模拟音频线路中的很多连接故障。 2 1 术语概述 本节主要介绍c o b r a n e t 音频网络技术的各种相关术语。 2 1 1 术语定义【1 5 1 以太网：一种局域数据通信网，使用同轴电缆作为无源通信介 质，连接设置在本地的不同类型计算机、信息处理设备和其他设备。 c o b r e n e t 音频网络技术：通过网络传输多路高质量数字音频信 号的技术，由软件、硬件和协议等组成。利用c o b r a n e t 音频网络 技术，许多高质量数字音频信号和控制命令可以起通过一根 c a t 一5 电缆或光纤传输，并且可以将模拟域的音频处理转移到数字 域中实现。与传统的e t h e r n e t 网相比，c o b r a n e t 网络真正解决了音 频数据传输的实时性问题。 m a c 地址：网络设备的物理地址，每个网络设备具有全球唯一 的m a c 地址。 i p 地址：音频网络设备在网路中的网际地址，一般由系统动态 分配。 c o b r a n e t 设备：采用c o b r a n e t 协议，接受或发送音频数据的 6 电子科技人学颂：l 学位论文基于c o b r a n e ! 技术的音频删络的研究t _ j 宴现 音频路由器。 b u n d l e ：在c o b r a n e t 技术中，最基本的网络传输单位。一个 b u n d l e 最多可以由8 个( 2 0 b i t ) 或7 个( 2 4 b i t ) 音频通道组成。 单点b u n d l e ：单点b u n d l e 支持网络音频一对一的路出。以太网 单点地址决定音频传输的目的地址。 多点b u n d l e ：多点b u n d l e 支持网络音频一对多的路由。多点传 输时需要占用更多的带宽，使用时必须充分注意。 单点传输：音频信号由一个输入点传输至一个目的点的传输方式。 多点传输：音频信号由一个输入点传输至多个目的点的传输方式。 音频通道：单一音频信号通道。在c o b r a n e t 中，音频通道的采样 率为4 8 k h z ，分辨率为1 6 、2 0 或2 4 b i t ，多个音频通道组成一个 b u n d l e 。 通道类型：根据处理的输入输出音频信号分类，一般分为模拟通 道和数字通道两种。 监听通道：只有输出通道才可以设置成监听通道。监听通道的输 出一般接有扬声器或有源音箱。通过监听通道及路由控制，可以监 听所有的输出通道音频信号。 虚拟矩阵：通过软件控制音频数据包路由的手段，实现音频输入 通道和输出通道之间的的灵活切换，称作虚拟矩阵。 虚拟音分：利用路由控制的多点传送功能，一个输入通道的音频 信号可以发送到一个或多个通道。该功能称为虚拟音分。 计划表：根据节目要求，预先设置输出通道在不同时间点的路由。 通过计划表可以实现路由的自动控制。 路由手动设置：在虚拟路由矩阵界面，手动设置输入通道和输出 通道之f 旬的连接关系。 路由自动控制：根据事先设置的计划表，音频设备自动切换输入 通道和输出通道之间的连接关系。 连接方式：输入通道和输出通道之间的连接方式。通常有固定连 接和虚拟连接两种。 静音监测：监测某通道的静音状态。通道信号强度小于设定值( 般5 0 d b ) 1 段时间，就认为通道没有信号输入或输出。 b 予科技人学瑚j 二学位论文基于c o b r a n e t 技术的音频咧络的研究j 实班 静音门限：通道静音电平值，缺省值为5 0d b 。 最大静音时间长度：通道静音持续时间只有超过最大静音时间长 度时，才确定该通道真f 静音。 监测报警：一旦监测到静音，可以根据静音设置，做出诸如静音 报警、静音补白等操作。 静音补白：当某输入音源丢失后，加入备用音源的过程。 2 1 2 协议【l 5 c o b r a n e t 协议工作在数据链路层( o s i 模型的第二层) 。 c o b r a n e t 技术采用三种基本的数据包形式( 节拍包、同步数据包和 预约包) ，所有的数据包由分配给音频数据的唯一协议标识码 ( 0 x 8 8 19 ) 标识。由于c o b r a n e t 音频网络技术是一种局域网( l a n ： l o c a la r e an e t w o r k ) 技术，而不是广域网( w a n ：w i d ea r e a n e t w o r k ) 技术，因此c o b r a n e t 不采用通用的i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议传输音频数据。 节拍包( b e a tp a c k e t ) 是多点发送包，多点发送目的地址是 0 1 ：6 0 ：2 b ：f f ：f f ：0 0 。它包含网络操作参数、时钟和发送许可消息。 节拍包由一个c o b r a n e t 设备发送到网络上，标明同步周期的开始。 节拍包带有整个网络的时钟信息，它对传输延时变化很敏感。节拍 包一般很小( 10 0 b y t e s 左右) ，但也可以包含数个有源b u n d l e 。 同步数据包( i s o c h r o n o u sd a t ap a c k e t ) 是单点发送包或多点 发送包，由它的传输目的端点个数决定。由于c o b r a n e t 设备有缓 冲功能，因此数据包的混序传输是可以的。节拍包一般为 1 0 0 0 b y t es 。 预约包( r e s e r v a t i o np a c k e t ) 是多点发送包，多点发送目的地 址是0 1 ：6 0 ：2 b ：f f ：f f ：0 1 。c o b r a n e t 设备一般每秒钟发送一个预约 包，它很小。 r 1 1 2 1 3b u n d l e 标识“ 在c o b r a n e t 网络中，音频数据以b u n d l e 为单位传输，因此此 b u n d l e 是网上的最小路由元素。一个b u n d l e 可以包含0 8 个音频 通道。多点发送b u n d l e 是全局资源。在任何一个同步循环中，只 能有一个设备能发送多点b u n d l e ，网络管理设备强制这个约束。在 电子科技大学硕士学位论文基于c o b r a n c l 技术的音频i 删络的研究o j 实现 通过控制界面配置网络时，多点发送b u n d l e 表示了网络中音频数 据共用的最小基数。由于不是单点发送，包含多点发送b u n d l e 的 数据包被不加区别韵发送裂网络上所有端点，因此将耗占整个网络 的带宽。这意味着如果用多点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应该只在必要时使用，以免浪费网络带宽。 在同步周期中，仅有一个发送设备发送单点b u n d l e 时，单点 发送b u n d l e 才能作为全局资源，网络管理设备强制这个约束。由 发送设备决定b u n d l e 是单点发送，还是多点发送，通过控制变量 t x u n i c a s t m o d e 设置。t x u n i c a s t m 0 d e 的缺省值是单点发送b u n d l e 。 即使使用单点发送地址，通过改变变量t x m a x u n i c a s t ，单点发送 b u n d l e 也可以用作一点对多点的路由，采用单点发送地址发送同一 音频信号的多个拷贝到不同的耳的湍点。 单独的发送设备局部分配私有b u n d l e ( p r i v a t eb u n d l e ) 。比如 单点发送b u n d l e ，它们有可能是单点发送或多点发送，这取决于它 接收到的反向预约，变量t x u n i c a s t m o d e 决定采用哪种发送地址。 除了b u n d l c 数外，发送设备的介质访问控制地址( m a ca d d r e s s ) 也必须与接收设备的私有通道完全匹配。 表2 1c o b r a n e tb u n d l e 属性表 16 进制10 进制名称用途传输地传输 b u n d le #b u l l d le # 址 模式 o0n u l l爿i 用的b u n d le 。当选从刁i 传从4 二传 中时，使发送或传输输输 失散。 l 一0 x f f 1 255多点发送由一个c obr a n e t 接口一直多一直多 发送多个接口接收 点发送点发送 0 x 10 0 25 6 单点发送由一个c o br a n e t 设备一般单只有 0 x f e f f 6 5 2 7 9 发送由变量 点发送， 少一个 t x u n i c a s t m o d e 和通过改 以一i _ - 接 t x m 8 x u n ic as t 设置接变变量收搽通 收方式r 单点接收( 缺设置可过反向 省值) 几点接收( 多以多点预约被 个但单点发送模式) 发送 确认后 很多点接受( 多点发才发送 送模式) u 子科技火学i i | i l j ：学位论文基于c 0 b r a n e t 技术的音频嘲络的_ | i ) 究与实现 o x f f o o 一6 5 2 8 0 一私存聋独的发送设器局部一般译只有警 0 x f f f f 6 5 5 35 分配私有通道1 3u 1 1 d i e点发送少一个 号取决十m a c 地址， 通过改以j ：接 每个发送设备冉25 6变变量收器通 个私存bun d le ，整个设置可过反向 网络的私有b un d l e 数以多点预约被 日趋于无限发送确认后 才发送 2 2c o b r a n e t 音频网络技术简介【1 5 儿16 17 儿18 l c o b r a n e t 音频网络技术包含硬件( c o b r a n e t 接口) 、网络协议 和固件( f i r m w a r e ) 三个部分。c o b r a n e t 协议工作在交换机以太网 上或专用以太中继网络上。c o b r a n e t 技术为以太网提供一些额外的 通信服务，比如同步数据传输、采样时钟分配及传输数据的控制和 监测等。c o b r a n e t 接口可以将同步数据转换成异步数据、异步数据 转换成同步数据，同时可以按照网络传输实时数字信号的要求进行 数据格式转换。由于c o br a n e t 技术是基于以太网的，在大多数情 况下，数据通信和c o b r a n e t 技术应用可以共存于同一网络中。 2 2 1 硬件结构 c o b r a n e t 接口的硬件由如下几个部分构成，见图2 1 所示。 闪存( f l a s hm e m o r y ) 保存d s p 固件和管理接口变量设置。静 态随机访问存储器( s r a m ) 是d s p 的工作存储器，所有的以太网 和音频缓冲都在s r a m 中。 数字信号处理器( d s p ) 是c o b r a n e t 接口的核心。它执行网络 协议栈，并执行同步到异步的转换和异步到同步的转换。d s p 在采 样时钟产生中起重要作用，并执行与主机系统( h os ts y s t e m ) 的交 互通信。 采样时钟由d s p 控制的压控晶振( v c x o ) 产生。d s p 仔细校 正v c x o 的频率，以锁定网络时钟。 以太网介质访问控制器( e t h e r n e tm a c ) 和物理接口( p h y ) 是用于10 0 m b i t 快速以太网标准的标准芯片。 0 l n 予科技人学坝十学位论文基于c o b r a n 吼技术的音频刚络的研究畸实现 匹卫 钳c l o 训c k 乔( 专) 厂一一一高舌 _ ，一一l。， l 一一i _ je 啪。僦 s e r 训o l l 二一 t oi至 2 2 2 通信控制 叵d o 浏2 1c o br a n e t 接口硬件框图 e t h e r n e t 通过串行通信接口( s c i ) ，异步串行数据流能桥接到网络上。 接收到的s c i 接口字符被缓冲和放置在以太网包的有效载荷中。以 太网包以单点发送或多点发送的方式传输到网上，其发送方式由主 机( h o s t ) 或管理设备( m a n a g e r ) 控制。本接口支持大多数标准串 行格式，能桥接无奇偶效验的8 或9 b i t 格式或没有任何奇偶配置 的8 b i t 格式，最高波特率( b a u dr a t e ) 达到5 6 7 k 。采用适当的 接口电路，本串口可以支持r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 电气格式。 桥特性作为c o b r a n e t 设备的内部或外部特性十分有用。外部 使用时，接通控制板上的接口，各种数据都能输入到这些设备中， 这样就可以实现对机架上没有直接接入网络的其他设备的远程控 制。内部使用时，桥特性可以控制网上不同设备内的主处理器( h o s t p r o c es s o r ) 之间的通信。使用这种通信方案，在将c o b r a n e t 接口 集成到已经存在串口通信控制的音频产品中时会减少很多工程量。 图2 2 串口桥示意图 当c o b r a n e t 接口是以太网控制器时，包桥( p a c k e tb r i d g e ) 提 供另一种使用它的方式，这个特性提供发送和接收原始以太网包的 基本能力。使用带有网络协议栈处理器的产品时，能通过它完成控 制和音频传输。 电予科技人学颂0 ：学位论文摧于c o b r a n e t 技术的街频删络的研究与实现 匾鞲圈 厂弋 ue 山e m e j l 与 鬯芍 里善 ( ) l 图2 3 包桥示意图 主机( h o s t ) 将包桥看作几个控制变量和两个大的包缓存，一 个用于发送，另一个用于接收。它们都位于h m i ( h o s tm a n a g e i n t e r f a c e ) 存储区。以太网数据包通过主机端口双向传递，它采用 与读、写管理变量相同的语法。包桥可以工作在串行或并行的模式。 在串行模式下，对主机而言，包桥代表所有与c o b r a n e t 接口无关 的包。c o b r a n e t 接口的包信息包含b 0 0 i t p 请求、a r p 请求、r a r p 响应、到口1 6 l ( s n m p ) 和口6 9 ( t f t p ) 的u d p 包和c 0 b r a n e t 预约请求。在并行模式下，接e l 复制这些包，以便它们能被c o b r a n e t 网络栈和主机处理器网络栈处理。虽然预约包可以到达主机，但是 包桥从来不会传送音频包或节拍包到主机。变量br i d g e r x f i l t e r 控 制哪些包可以通过包桥到达主机，如下图所示。 7 自h e r n e t ，p a c k e t， c 0 b m n c 口、 n 0 x 8 8 1 9 o x i o 用币i 道的协改桥援所有的乜 、 ( 通常性川p 控制挑泼) 一 - 、一一哆：、“一i _ 聊，!，幅p r o e m sp a c k e 。t r a a g e k x t 。t v n t l e r，7 y y 锪罗”，“、】“1 , 一a u d t o j j 一一。厂芒 rpre一。ssa r po j r f 言匡；l 三鼍l f j 一一一 i h l 一一o x o i 麟犍壁蝗o x 业j 童塑鱼一 图2 4 包桥接收过滤算法 ! s i q m p a g e m “_ 阡t ps e l v a b o o t p c i i e n t麟。_o誓?1l i b 予科技大学硕士学位论文基于c o b r a n e t 投术的音频网络的研究与实现 串行模式是操作的缺省模式，当主机处理器和c o b r a n e t 接口 共用一个i p 地址时使用。从网络管理的角度，这也许是最直接的 方法。这种方法需要对主机处理器的网络协议栈作些工作，使它能 与c o b r a n e t 协议栈协同工作。同时，主机处理器对c o b r a n e t 接口 已经支持的业务( 主要指s n m p 和t f t p ) 没有直接的访问。这不 是大的障碍，因为f t p 协议仍可获得，并且一般文件操作更喜欢越 过t f t p 协议。在c o b r a n e t 的s n m p 代理的基础上，通过使用扩 展代理技术，主机能获得s n m p 功能。 并行模式通过设置变量b r i d g e r x f i l t e r 的0 x 0 8 位启用。当采 用并行模式时，主机处理器和c o b r a n e t 接口分别使用不同的i p 地 址单独工作。对网络管理应用而言，工作在并行模式下的设备被看 作两个独立的设备。在并行模式下，主机处理器的网络协议栈不再 限制在它支持的服务，并不需要与c o b r a n e t 的协议栈协同工作。 当添加已存在的网络到c o b r a n e t 音频网络或当一个低柔性的网络 操作系统使用在主机处理器上时，这种柔性工作方式十分有用。 2 2 3 系统同步 整个系统根据不同的使用模式进行时钟同步，控制器 ( c o n d u c t o r ) 和执行器( p er f o r m e r ) 的同步模式由管理接口变量 s y n c c o n d u c t o r c l o c k 及s y n c p e r f o r m e r c l o c k 分别选择。设备的角色 ( 控制器或执行器) 由网络环境决定，其中包括网络上不同设备的 控制器优先权。下图给出了时钟相关电路。 图2 5c o b r a n e t 音频时钟框圈 b 了科技大学坝：l 学位论文 幕于c o b r a n e t 技术的音频恻络的研究i j 实现 内部模式下，所有c o b r a n e t 时钟都从板上压控晶振( v c x o ) 获得。由v c x o 产生的主控时钟( m a s t e rc l o c k ) 可以通过主控时 钟输出到外部电路。该模式下，控制器的v c x o 由变量 s y n c c l o c k t r i m 的设置触发，执行器的v c x o 与控制器发送的时钟 频率匹配。 除了允许通过参考时钟输入将设备时钟( 采样时钟和音频位时 钟) 同步到外部时钟源外，外部采样同步模式与内部模式基本相同。 在将c o br a n e t 接口添加到已经有电路产生源时钟的设备中时，这 种附加功能很有用。该模式下，控制器的v c x o 由变量 s y n c c l o c k t r i m 的设罱触发，执行器的v c x o 与控制器发送的时钟 频率匹配。 外部字时钟( e x t e r n a lw o r dc 1 0 c k ) 模式下，所有c o b r a n e t 时钟都从板上v c x o 获取，板上v c x o 由输入到参考时钟输入口 的外部时钟控制。外来时钟可以是7 5 0 k h z 一4 8 k h z 范围采样时钟 的整数分之一，该时钟的精度应高于+ 一5 0 p p m 。外部同步锁定范围 为：+ 0 2 5 个音频采样周期( + 一5 2 u s ) ，这规定了外来时钟和生成 的网络时钟之间的漂移及偏离。外来时钟和生成时钟之间的绝对相 位偏差没有指明( 大约+ 0 5 个采样周期。该模式下，对控制器而 言，提供了一种将整个c o b r a n e t 网络同步到外部时钟的方式。执 行器在该模式下，不会考虑控制器通过网络传递的精确时间信息， 精确时删信息由参考时钟替代。该模式在已经存在同步时钟源的场 合采用。 外部主控时钟( e x t e r n a lm a s t e rc 1 0 c k ) 模式下，v c x o 失效， 外来主控音频时钟输入用作该设备的主控时钟。这是“硬”同步模 式，外来时钟被c o b r a n e t 接口直接使用。外来时钟必须为 2 4 5 7 6 m h z ，精度必须高于+ 5 0 p p m 。该模式下，控制器同步整个 网络时钟到外来时钟，执行器初始锁定网络时钟。该模式在有多个 c o b r a n e t 接口时采用。 除了允许通过参考时钟输入将设备时钟( 采样时钟和音频位时 钟) 同步到外部时钟源外，外部主控时钟和外部采样同步模式与内 部主控时钟模式基本相同。这个附加功能在c o b r a n e t 接口与带有 时钟源电路的设备协调工作时很有用。该模式下，控制器将网络时 钟同步到外来时钟，执行器初始锁定网络时钟，外部时钟源必须与 网络控制器同步。该模式在有多个c o b r a n e t 接口时采用。 电子科投大学硕士学位论文 幕于c o b r a n c t 技术的音频恻络的研究与实现 2 2 。4 网络协议栈 网络协议栈组成如下，c o b r a n e ts er v i c e 区域的功能是 c o b r a n e i 私有服务，其余部分是网络协议组。 c o b r a n e ts e r v i c e 图2 6c o br a n e t 网络栈 c o b r a n e ta u d i o 包括音频数据包的传输接收、预约请求、控 制器断言执行和担当控制器或执行器角色能力。c o b r a n e ta u d i o 是 一个私有服务，跨越逻辑链路层到应用层。 串口桥( s e r i a lb r i d g e ) 提供通过以太网的异步串行数据流的 桥接。s e r i a lb r i d g e 是一个私有服务，跨越逻辑链路层到应用层。 包桥( p a c k e tb r i d g e ) 允许c o b r a n e t 接口用作以太网控制器。 这个服务工作在逻辑链路层，并提供访问网络的路径，但并不提供 具体的网络服务。 网络用户使用引导协议( b o o t p ) 接收从中心服务器传来的 i p 地址。用户需要一个i p 地址时，广播个b t o o p 请求包。网上 的b t o o p 服务器用b t o o p 响应应答该请求，该t b t o o p 响应包 含一个供用户使用的首选i p 地址。使用b t o o p 简化了给大型网络 上的设备分配唯一的i p 地址时的错误检查任务。b t o o p 由 u d p p i p 携带，因此可以通过配簧正确的路由器。b t o o p 请求出 随机时间表上的c o b r a n e t 接口传输，该请求在系统启动阶段发送 频率较高，随后逐渐减少到每秒至少2 次的频率。在c o b r a n e t 设 备发送b t o o p 请求前，必须满足后面的两个条件：( 1 ) 设备必须 没有已经存在的i p 地址。除了b t 0 0 p 方式外，设备还有两种方式 获得i p 地址一r a r p 和i p m o n i t o r 变量。( 2 ) 设备必须连接在网络 上。这个要求是为了避免产生转发网上的不规则通行( u n r e g u l a t e d t r a f f i c ) ，当接收到一个有效的b t o o p 响应时，c o b r a n e t 设备将自 身的i p 地址改变成b t o o p 响应提供的i p 地址。 ；一= 似l i 删吣 a l i ：【子科挫人学硕士学位论文基于c o b r a n e t 技术的音频阿络妁研究0 实现 网络用户使用预约地址协议( r a r p ) 从中心服务器接收i p 地 址。r a r p 与b t o o p 不同，它存在于逻辑链路层，因此不能通过 i p 路由器。r a r p 由请求包和确应包组成。当接收到一个有效的 r a r p 响应时，c o b r a n e t 设备将自身的i p 地址改变成r a r p 响应 提供的i p 地址。c o b r a n e t 网络栈不发送r a r p 请求包，r a r p 被 c o b r a n e t 用作i p 地址分配。 网络控制信息协议( i c m p ) 是一个网络协议的管理帮助协议。 c o b r a n e t 响应i c m p 回应请求，该功能被通用的“碰”( p i n g ) 网 络诊断功能采用。在c o b r a n e t 网络协议栈中，没有其他的i c m p 信息被执行。 互联网协议 数据输 号不变，需要将p 0 口让出，以便从p 0 口输入输出数据，所以必 须将低8 位地址码锁存。因此在电路设计中加入低8 位地址的锁存 器( f p g a 完成) 。由p 2 口输出高8 位地址，由于p 2 口有输出锁 存功能，且在整个读写周期中不使用它，故直接与外部存储器的 高8 位地址连接。m c u 的w r 和r d 引脚和外部粗储器的w r 和 r d 连接成读写选通信号。外部存储器的c e 片选引脚始终选通。 3 3i o 接口设计 本系统主机设计既可以通过以太网控制，也可以由计算机通过 i o 串口给m c u 发送指令，所以需要设计一个全双工通用i o 口。 同时，m c u 还需要读取每台设备的设备号，所以还需要设计个 扩展接口用于读取控制板上4 个1 6 进制开关的设定值( 设备出厂 时由制造商设定) 。 3 3 1 通用全双工i o 接口设计 本系统既可以通过以太网( c m 2 模块) 控制，也可以通过计 算机进行控制，所以设计了一个通用全双工i o 接口。但是m c u 的串行接口是c m o s 电平，而计算机的串行接口是r s 2 3 2 标准电 平，所以需要进行电平转换。