UML嵌入式系统开发实例.doc

47讲义名称：UML嵌入式系统开发实例本讲义内容包括： 1. 录音程式(Recorder) - p.22. 单晶片嵌入式软体介面设计 - p.28- 以8051控制四位数七节LED灯为例本文引自 高焕堂所着的 “物件导向ANSI-C” 和 “物件导向Keil C51”两书UML嵌入式系统开发实例之一录音程式(Recorder)- 情 境：录音及播放(Record/Play)- 建 模：SysML/UML- 语 言：物件导向LW_OOPC- 资料库：Linter Embedded DBMS- 平 台：Win32/VC+基础录音概念和技术认识PCM规格 在你的电脑上，可以使用许多软体来进行录音。本章是假设你想自己写个录音程式，让你自己透过麦克风来录制你的声音，并且存入.wav型态的音档。由于.wav是标准的音档格式，你可使用许多种软体来播放之，包括Microsoft 的Windows Media Player等流行的播放软体。 在撰写录音程式方面，Windows提供了完整的API函数可供你去呼叫，就能用来录制.wav音档了。通常是以8、11、16、22KHz取样后再依据PCM(Pulse Code Modulation) 音轨来进行编码、数位化之后就成为.wav格式之音档了。由于音波本质上可以分解成为数个正旋的波型，其频率整数之倍数，所以PCM能依固定之周期而进行取样。例如，若采取 11.025 kHz, stereo, 8-bit 模式，并且使用双声道来录音的话，则厘清下述之数据关系，对于设计及撰写录音程式，会有很大帮助的。l 每次取样8bit = 1Bytel 每秒钟取样11025 (即11.025 * 1000)次l 录音声道数= 2l 可算出每秒钟将录制 (11025 * 1 * 2) Bytes的音讯资料l 若录制N秒，供需要(11025 * 2 * N) Bytes的记忆体空间来存放其中，这.wav格式之音档除了8Bit之取样模式之外，还可以选择16Bit取样模式。8Bit取样意味着每次取样8bit，所以音档的每笔资料长度是1Byte；若为16Bit音档的话，则每笔资料长度是2 Bytes。当取样频率一样时，每次取样较大可得到较佳的音质。但是所需要较大的储存空间。 .wav音档又分为单声道(channel)或双声道等，单声道录音时，.wav音档是由单一个资料所构成；使用双声道录音时，会同时接收两笔资料，一笔由左声道输出的，另一笔是由右声道输出，依序写入.wav音档里。设定录音格式 在你的VB.Net录音程式里，只需要将上述的参数指定(assign)给如下的format结构里，然后呼叫Win32 API，就可以了：Private format As WAVEFORMATEX . 11.025 kHz, stereo, 8-bit 且双声道 format.wFormatTag = Wave.WAVE_FORMAT_PCM format.nChannels = 2 format.nSamplesPerSec = 11025 format.wBitsPerSample = 8 format.nBlockAlign = format.nChannels * (format.wBitsPerSample / 8) format.nAvgBytesPerSec = format.nSamplesPerSec * format.nBlockAlign format.cbSize = 0 Windows依据format里的资讯而进行音讯之采样，其过程中会不断地把采集到的音讯资料存入缓冲区(buffer)里，而你的程式必须及时给予足够的缓冲区，或者即时从缓冲区取出资料。设定缓冲区格式 你的程式必须安排缓冲区，并决定其大小，其定义之格式如下：缓冲区格式之内容：Structure WAVEHDR lpData As IntPtr - 指向你所安排的录音缓冲区(例如Byte阵列) dwBufferLength As Integer - 缓冲区之长度值 dwBytesRecorded As Integer - 是给录音系统使用，说明已经录了几个Byte dwUser As IntPtr - 指向原来呼叫waveInxxx来录音之物件 dwFlags As Integer - 相关之Flag dwLoops As Integer - 回圈Counter lpNext As IntPtr - 指向下一个缓冲区定义(WAVEHDR) reserved As Integer - 保留做为其他用途End Structure 设定好缓冲区之后，你的程式就可以从缓冲区不断取出音讯资料。取得资料后，可以将之存入档案里。因之，你必须知道.wav档案的格式，才能准确地存好档案。 将音讯资料写入.wav音档 在.wav的音档里，起头44 Bytes必须记载着我们采取8Bit或16Bit，也必须记载我们选择几声道方式录音。这44bytes长的区域通称为.wav音档的档头(Header)，继档头之后(即45 Byte起)到档尾才储存所录的音讯资料。如下表所示：(档头：固定占44个Bytes)Char(4)储存 RIFF 字串Int32储存FileSize 8整数值(表示从此到档尾之距离长度)Char(4)储存 WAVE 字串Char(4)储存 fmt 字串Int32储存16整数值(表示后续16Bytes记载音档之格式)音档格式区 Int16wFormatTag值(即音档规格, 0x0001表示PCM规格) Int16nChannels值(即声道数) Int32nSamplesPerSec值(即每秒取样几次- 频率) Int32nAvgBytesPerSec值(即每秒平均资料量) Int16nBlockAlign值(即 取样Bit数/8之整数值) Int16wBitsPerSample值(即每次取样之Bit数- 样本大小)Char(4)储存 data 字串Int32储存FileSize 44整数值(即实际音讯资料之长度) (档身:占 FileSize 44个Bytes)Char(FileSize 44)储存实际所录制之音讯资料使用Win32所提供之API 在录音方面，Win32 提供如下之常用API函数：1. waveOutGetNumDevs() - 侦测可用之音讯设备之个数2. waveOutGetDevCaps() - 侦测可用之音讯设备之能力3. waveInOpen() - 找到可用之录音设备，然后开启它 4. waveInPrepareHeader() - 给予缓冲区(Buffer)之格式5. waveInAddBuffer() - 实际添增一个缓冲区 6. waveInStart() - 开始录音 7. waveInUnprepareHeader() - 除去缓冲区(Buffer)之格式 8. waveInReset() - 立即停止录音9. waveInStop() - 待目前缓冲区满时，立即停止录音10. waveInClose() - 关闭录音设备 声音录制范例分析与设计绘制系统Use Case图 本范例里，因为操作需求简单，只是系统执行过程较复杂，所以跳过企业Use Case图，直接切入系统Use Case图。如下图所示：此图显示出使用者需求是简单的：只是想要录音10秒钟，然后存入.wav格式之档案。绘制类别图 此为典型之软硬体整合设计之系统，其包括三种不同类型的组件：l 硬体设备 - 例如麦克风、Hard Disk等。l 驱动软体(driver)或服务提供者(service provider)- 例如录音的MMSYSTEM(即winmm.lib)程式。 l 主控软体(或称为应用软体) - 例如声音录制VB.Net程式。 为了明确表达上述三者之间的密切关系，兹先绘制一个软硬整合设计之类别图如下：(系统类别图)接着，把焦点摆在软体(包括驱动程式和应用程式)，并且将驱动程式视为应用程式与硬体设备之间的介面。就能绘制以软体为主的类别图如下： (新式类别图：软体是圣诞树，硬体组件是糖果) 传统上，我们常常把硬体视为较坚强主干，它支撑着许许多多的软体系统，软体就像树叶一般挂在树干或树枝上。而上图则采取比较新潮的观点，就是：把软体视为树干，而硬体就像树叶一般挂在软体上。由于两个观点都没有错，但是换个新观点总是有益无害的。绘制循序图 于此，藉由循序图来表达上述Use Case幕后的系统流程，如下图： (以软体为主的循序图) 把驱动程式视为介面，则硬体组件就像汽车的轮胎，驱动程式就像轮盘(就是车辆与轮胎之介面)，应用程式就是车辆本身。这种新观点能带来极大的利益，就是：硬体组件很容易像轮胎一样迅速汰旧换新。 这种新观点几乎与传统软硬体观点是相反的，就如同数百年前，大多数人从地球看太阳，直觉地认为太阳绕地球而旋转。然而哥白尼则换个新角度，从太阳看地球，认为地球绕太阳而旋转。因为观点本身并无对错之分，所以两种观点都是对的。但是，当我们能同时兼具两种观点，将会为我们带来最大的利益。希望你也能像哥白尼一样的智慧。声音录制范例之实作- 使用LW_OOPC语言 Step-1: 先建立VC+专案，内容为：Step-2: 定义WavRec类别，担任录音的工作，录好之后，会存入c:SymSound.wav音档里。 /* wavrec.h */#ifndef WAVREC_H#define WAVREC_H#include lw_oopc.hCLASS(WavRec) /* char* m_buffer;int m_file_size;*/ void (*init)(void*);void (*prepare)(void*);void (*start)(void*);void (*close)(void*);#endif撰写WavRec.c程式码：/* WavRec.c */#include StdAfx.h #include stdio.h#include #include #include #include #include #include wavsave.h#include wavrec.hextern void* WavSaveNew();#define OFFSET_FORMATTAG20#define OFFSET_CHANNELS22#define OFFSET_SAMPLESPERSEC24#define OFFSET_AVGBYTESPERSEC28#define OFFSET_BLOCKALIGN32#define OFFSET_BITSPERSAMPLE34#define OFFSET_WAVEDATA44#define HEADER_SIZE OFFSET_WAVEDATAtypedef struct char R1; char I2; char F3; char F4; unsigned long WAVElen; struct char W1; char A2; char V3; char E4; char f5; char m6; char t7; char space; unsigned long fmtlen; struct unsigned short FormatTag; unsigned short Channels; unsigned long SamplesPerSec; unsigned long AvgBytesPerSec; unsigned short BlockAlign; unsigned short BitsPerSample; /* format specific for PCM */ fmt; char d8; char a9; char t10; char a11; unsigned long datalen; /* from here you insert your PCM data */ WAVE; RIFF;long total_len = 0;HWAVEIN m_hwIn;WAVEFORMATEX m_format;WAVEHDR m_wHdr; RIFF header;int hfile;int xfile;/-static void ProcessHeader(WAVEHDR * pvr)write(hfile, pvr-lpData, pvr-dwBytesRecorded); total_len += pvr-dwBytesRecorded;if(waveInAddBuffer(m_hwIn, pvr, sizeof(WAVEHDR) != 0) MessageBox(NULL, _T(waveInAddBuffer error!), _T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION);static void CALLBACK waveInProc(HWAVEIN hwi,UINT uMsg,DWORD dwInstance,DWORD dwParam1,DWORD dwParam2)WAVEHDR *pHdr=NULL;switch(uMsg)case WIM_CLOSE:break;case WIM_DATA:/VoiceRec *pvr=(VoiceRec*)dwInstance;ProcessHeader(WAVEHDR *)dwParam1);break;case WIM_OPEN:break;default:break;/-static void writeFileHeader() /header = new RIFF(); header.R1 = R; header.I2 = I; header.F3 = F; header.F4 = F; header.WAVElen = 36; /sizeof(header.WAVE); /* + datalen */ /既粜戈斗update header.WAVE.W1 = W; header.WAVE.A2 = A; header.WAVE.V3 = V; header.WAVE.E4 = E; header.WAVE.f5 = f; header.WAVE.m6 = m; header.WAVE.t7 = t; header.WAVE.space = ; header.WAVE.fmtlen = 16; /sizeof(header.WAVE.fmt); header.WAVE.fmt.FormatTag = WAVE_FORMAT_PCM; header.WAVE.d8 = d; header.WAVE.a9 = a; header.WAVE.t10 = t; header.WAVE.a11 = a; header.WAVE.datalen = 0; /* we dont know yet */既粜戈斗update header.WAVE.fmt.BitsPerSample = m_format.wBitsPerSample; header.WAVE.fmt.Channels = m_format.nChannels ; header.WAVE.fmt.SamplesPerSec = m_format.nSamplesPerSec; header.WAVE.fmt.AvgBytesPerSec =m_format.nAvgBytesPerSec; header.WAVE.fmt.BlockAlign =m_format.nBlockAlign ; /= hfile = open(c:SymSound.wav,O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR | O_BINARY, S_IWRITE); if(!hfile | hfile = -1) MessageBox(NULL,_T(can not open .wav!),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); if(write(hfile, &header, sizeof(header) != sizeof(header) MessageBox(NULL,_T(write header Err!),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION);/-static void prepare(void* t) int kk; MMRESULT ret=0; m_format.wFormatTag = WAVE_FORMAT_PCM; m_format.nChannels = 2; /channels; 1=mono, 2=stereo m_format.nSamplesPerSec = 44100; / 11025; m_format.wBitsPerSample = 16; /bitsPerSample; 16 for high quality, 8 for telephone-grade m_format.nBlockAlign = m_format.nChannels * (m_format.wBitsPerSample / 8); m_format.cbSize = 0; /sizeof(WAVEFORMATEX); m_format.nAvgBytesPerSec = m_format.nSamplesPerSec * m_format.nChannels * (m_format.wBitsPerSample / 8); writeFileHeader();/- ret=waveInOpen(&m_hwIn,WAVE_MAPPER,&m_format,(DWORD_PTR)waveInProc,(DWORD_PTR)NULL,CALLBACK_FUNCTION); if(ret!=MMSYSERR_NOERROR)MessageBox(NULL,_T(waveInOpen err .),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); return; /- PrepareBuffers UnPrepareBuffers Close Device - DWORD curr_time, base_time, draw_time; base_time = GetTickCount(); do curr_time = GetTickCount() - base_time; while (curr_time 2000 & error 3000) MessageBox(NULL,_T(Syntax error),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); LINTER_CloseAPI(); /* free library resource */ exit(1); else printf(Return code = %ldn, ret_cod);static void load_from_file_to_db(void* t) WORD nConn; /* connection identifier */ WORD nCurs; /* cursor identifier */ char Query1 = drop table YooTable; char Query2 = create table YooTable (SONGID char(20), BLOBSEG1 Blob, BLOGSEG2 Blob, REMARK char(125); char Query3 = select SONGID, BLOBSEG1, REMARK from YooTable; char Query4 = insert into YooTable values (Queen,NULL, NULL, -); LONG lAnsLen; /* answer length */ char *cAnsBuf; /* answer buffer */ LONG lRet; /* return code */ LONG lApiErr = 0; LONG lLinErr = 0; LONG lSysErr = 0;long lError;short ty;void* vBuff;long BuffLength = 50;WavSave* cthis = (WavSave*)t; if (lRet = LINTER_Connect(SYSTEM, 0, MANAGER, 0, NULL, mAutocommit, &nConn) processing_error(lRet, nConn, 0, 0, ERROR Linter_Connect); if (lRet = LINTER_OpenCursor(nConn, &nCurs, NULL, 0, mAutocommit) processing_error(lRet, nConn, 0, 0, Error open cursor); if (lRet = LINTER_ExecuteDirect(nCurs, Query1, 0, NULL, NULL) processing_error(lRet, 0, nCurs, 0, Error ExecuteDirect); if (lRet = LINTER_ExecuteDirect(nCurs, Query2, 0, NULL, NULL) processing_error(lRet, 0, nCurs, 0, Error ExecuteDirect);/ MessageBox(NULL,_T(555),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION);/= FILE *pf = fopen(c:SymSound.wav, rb); if(!pf) return;fseek(pf, 0, SEEK_END); long file_size = ftell(pf);long block_size = 441000;long block, last; if(file_size = block_size) block = 0; last = file_size;else block = file_size / block_size; last = file_size - block * block_size; vBuff = new char block_size; fseek(pf, 0, SEEK_SET); /-for(int i=0; i 0 ) fread(vBuff, 1, last, pf); if (lRet = LINTER_ExecuteDirect(nCurs, Query4, 0, NULL, NULL) processing_error(lRet, 0, nCurs, 0, Error ExecuteDirect); if (lError= LINTER_AppendBlob(nCurs, 0 ,vBuff, last, NULL, NULL) processing_error(lError, 0, nCurs, 0, LINTER_PurgeBlob); LINTER_CloseAPI();fclose(pf); return;/-CTOR(WavSave) FUNCTION_SETTING(init, init) FUNCTION_SETTING(copy_from_file_to_db, load_from_file_to_db)END_CTOR Step-4: 定义WavPlay类别，负责从Linter DB读取歌曲内容，然后播放出来。/* WavPlay.h */#ifndef WAVPLAY_H#define WAVPLAY_H#include lw_oopc.hCLASS(WavPlay) char* m_buffer;int m_file_size; void (*init)(void*);void (*load_from_db)(void*);void (*play)(void*);#endif撰写WavPlay.c程式码：/* WavPlay.c */#include StdAfx.h #include stdio.h#include #include linapi.h#include wavplay.h#define OFFSET_FORMATTAG20#define OFFSET_CHANNELS22#define OFFSET_SAMPLESPERSEC24#define OFFSET_AVGBYTESPERSEC28#define OFFSET_BLOCKALIGN32#define OFFSET_BITSPERSAMPLE34#define OFFSET_WAVEDATA44#define HEADER_SIZE OFFSET_WAVEDATA/-static void CALLBACK VoicePlayProc(HWAVEOUT hwo, UINT uMsg, DWORD dwInstance, DWORD dwParam1, DWORD dwParam2)switch(uMsg)case WOM_OPEN:break;case WOM_DONE:WAVEHDR *whdr = (WAVEHDR*)dwParam1;if(whdr-dwUser)waveOutWrite(hwo, whdr, sizeof(WAVEHDR);elsewaveOutUnprepareHeader(hwo, whdr, sizeof(WAVEHDR);delete whdr;break;case WOM_CLOSE:break;/-static void init(void *t) WavPlay* cthis = (WavPlay*)t; static void processing_error(LONG ret_cod, WORD con_id, WORD cur_id, WORD stmt_id, char *message ) LONG lRet; LONG apierr = 0, error = 0, syserr = 0; if (ret_cod = LINAPI_ERROR) if (lRet = LINTER_Error(con_id, cur_id, stmt_id, &apierr, &error, &syserr, NULL, NULL) MessageBox(NULL,_T(diagnostic error),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); else MessageBox(NULL,_T(API error),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); if (apierr = eLinterError) & error 2000 & error 3000) MessageBox(NULL,_T(Syntax error),_T(), MB_OK | MB_ICONINFORMATION); LIN