CobraNet网络音频路由器的设计

CobraNet 网络音频路由器的设计网络音频路由器的设计 祁才君 祁才君 赵赵 凡 凡 王培良王培良 浙江大学浙江大学 电气学院 电气学院 浙江浙江 杭州杭州310027 2008 07 30 摘摘 要 要 论述了 CobraNet 网络音频技术的发展 分析了嵌入 CobraNet 技术的 CS1810 xx 网 络音频处理芯片 并给出了应用 CS1810 xx 设计 CobraNet 网络音频路由器的方法和硬件结构 着重讨论了 CS1810 xx 的以太网控制接口设计 CS1810 xx 的固件装载 主机接口的软件设计等 关键词 关键词 CobraNet 专业音频 MCU 网络协议 目前 CobraNet 技术已成为专业音频领域实时网络传输的一种标准 不同厂商的 CobraNet 产品可以无缝连接 CobraNet 技术解决了专业音频信号在以太网平台上传输时的实时性 时钟同步 流量控制 和传输控制等关键问题 1 2 4 CobraNet 技术采用等时同步传输技术在数据链路层传输音频 数据包 等时延时最低等于ms 它将局域网内的 CobraNet 设备分成 Conductor 主设备 一个系统仅有一个 和 Performance 从设备 数量不限 设备 主设备等时发送时钟节拍包 beat pack 从设备从节拍包中解析主设备的时钟并用其同步本地时钟 时钟同步算法产生 的时钟跳变 jitter 小于 25ppm 每个 CobraNet 设备在发送或接收音频数据包前必须向主设备 发出请求包 主设备汇总局域网内所有请求 根据流量分析结果决定该音频包能否发送或接收 从而避免网络堵塞 音频数据包支持点对点 点对多点和广播三种发送方式 应用 CobraNet 技 术在一根 CAT 5 类线上最多可传输 64 个通道的专业 采样率 48kHz 分辨率 20 24bit 数字音 频信号 2000 年 美国专业音频芯片制造商 Cirrus Logic 收购了 peakaudio 公司 并将 CobraNet 技术芯片化 开始批量生产 CS1810 xx 和 CS496xx 带 DSP 处理功能 两个系列的 CobraNet 网 络音频处理器 本文研究应用网络音频处理器 CS1810 xx 设计 CobraNet 网络音频路由器的方法 1 1 CS1810 xxCS1810 xx 网络音频处理器网络音频处理器 5 5 CS1810 xx 是内嵌 TCP IP 协议栈 可以运行 CobraNet 技术固件 音频包的编解码算法 时 钟同步算法等 的音频处理器 CS1810 xx 采用 LPQF144 脚封装 引脚可分为处理器外部总线 主机接口 HMI Host Management Interface 数字音频和异步通信等 1 11 1 处理器外部总线处理器外部总线 处理器外部总线相关引脚包括 16 根数据线 DATA15 DATA0 20 根地址线 ADDR19 ADDR0 存储器选通信号 CS1 CS2 读写信号 WE OE 和外设等待信号 IOWAIT 等 利用总线可以扩展外部存储器或扩展带微处理器接口的以太网控制器 1 21 2 主机接口控制主机接口控制 主机接口是 CS1810 xx 的主要外设 主机控制有 motorola 和 intel 两种读写时序 主机控制 信号相关引脚 1 读写方向控制 HR W 主机使能 HDS 主机选通 HDS 主机端口数据请求输出 HREQ 主机端口中断请求输出 HACK 2 主机控制数据线 HDATA7 HDATA0 宽度 8 位 3 主机低位地址 4 位 对应 HADDR3 HADDR0 1 31 3 数字音频数字音频 数字音频相关引脚 1 时钟类 主时钟 通常是 512 倍帧时钟 DAO MCLK 移位时钟 DAI1 SCLK DAO1 SCLK 帧时钟 DAI1 LRCK DAO2 LRCK 2 同步串行音频输入数据 每根 2 个通道 DAI1 DATA3 DAI1 DATA0 3 同步串行音频输出数据 每根 2 个通道 DAO1 DATA3 DAO1 DATA0 串行音频输入有两种模式 模式 1 如图 1 一帧内每根同步串行输入 输出内部包含两个通 道 一个立体声 音频信号 模式 2 如图 2 一帧内每根同步串行输入 输出内部包含四个通道音 频信号 1 jpg 2 jpg 1 4 其他其他 异步通信由 UART TXD UART RXD 和 UART TX OE 组成 信号 DBCK 和 DBDATA 提供 I2C 接口 主要用于引导程序 bootloader 的装载 2 CobraNet 网络音频路由器的硬件设计网络音频路由器的硬件设计 图 3 是 CobraNet 网络音频路由器的硬件设计框图 3 jpg 2 1 CS1810 xx 部分电路部分电路 CS1810 xx 部分电路主要有以太网接口 并行 FLASH 接口 串行音频数据输入 输出和 下载接口等 CS1810 xx 内部并没有集成以太网控制器 为此选用带通用微处理接口 包含 MAC 控 制器并集成 10 100MPHY 接口的以太网接口单芯片 DM9000E 作为 CS1810 xx 的接口芯片 DM9000E 的 PHY 输出直接与磁芯变压器一体化的 RJ45 网头相连 原理设计如图 4 4 jpg 并行 FLASH 用于存储处理器的固件 选用 1MB 的 AM29LV800DB 90EC AD 选用 Cirrus Logic 公司 CS5396 6 DA 选用 Cirrus Logic 公司 CS4396 7 下载接口用于处理器装载引导程序 其接口原理设计如图 5 所示 5 jpg 2 2 MCU 部分部分 MCU 通过 CS1810 xx 处理器提供的主机接口与处理器进行通信 考虑 CS1810 xx 提供 8 位主机接口数据宽度 MCU 选用 Philipp 公司的 P89V51RD2 八位微控制器 MCU 相关 接口有 RS232 异步通信 LCD 液晶显示 键盘输入等 其中 LCD 选用 144X32 的内嵌汉 字字库的点阵液晶 LM3037 CS1810 xx 地址锁存和译码 MCU 地址锁存和译码等逻辑控 制选用 Xilinx 公司的 CPLD XC9572 100PQ 实现 3 CobraNet 网络音频路由器的软件设计网络音频路由器的软件设计 软件设计包括 CS1810 xx 固件装载和 MCU 软件设计两部分 3 1 CS1810 xx 固件装载固件装载 CS1810 xx 固件装载 3 由 bootloader 装载和应用程序装载两部分组成 用电缆将计算机的并口和目标板的下载接口相连 运行 Cirrus Logic 公司提供的 windows 环境下的 DOS 应用程序 CID 执行命令 e lcm2 cmd 实现 bootloader 装载 完成 以太网接口和主机接口等驱动安装 将目标机接入以太网并重新启动 运行 Winows 环境 下的另一个工具软件 Discovery 该软件会自动查找局域网内的 CobraNet 设备 给目标机 分配 IP 地址 并利用工具选项 update firmware 下载处理器的最新应用软件 3 2 MCU 软件设计软件设计 MCU 软件设计包括液晶显示控制 RS232 通信协议制订和处理 键盘扫描和与 CS1810 xx 之间的主机接口通信等 其中 最关键部分是与 CS1810 xx 主机接口部分程序的 编写 MCU 与 CS1810 xx 之间通信的实质是对处理器 CS1810 xx 内存映射存储单元的读写 HMI 主机接口的数据宽度是 8 位 而 CS1810 xx 内部核心是数据宽度等于 32 位的 Motorola 定点 DSP 处理器 CS1810 xx 内部主机接口部分提供 8 个 8 位寄存器 其地址由基址 HMI BASE 即 CS1810 xx 的主机选通或使能信号 HDS HEN 地址 和低位 HADD3 HADD0 之和 决定 0 8 位地址分别对应信息寄存器 MSG A MS MSG B MSG C MSG D LS 和数据 DATA A MS DATA B DATA C DATA D LS 主机可以向 CS1810 xx 发送 10 种消息 消息功能和对应信息寄存器的值如表 1 所示 6 jpg CS1810 xx 收到消息后 将主要处理结果存放在信息寄存器 MSG D 中 MSG D 中各 位对应的状态是 bit0 信息翻转位 bit1 接收包有效位 bit2 包发送完成位 bit3 地址转换完成位 bit4 可写区位 主机读写过程如图 6 设置地址过程如图 7 程序代码如下 void SendMessage uchar message int msgack ReadRegister HMI BASE MSG D 保留原信 息 WriteRegister HMI BASE MSG D message 写 入新消息 while msgack ReadRegister HMI BASE MSG D WriteRegister HMI BASE MSG B uchar address WriteRegister HMI BASE MSG C uchar address SendMessage 0 xB3 发地址转换消息 并等待 CS1810 xx 响应 while ReadRegister HMI BASE MSG D 等待地址写入转换结束 开始 读地址转换消息 WriteRegister HMI BASE MSG C 0 x0 信息寄存器 MsgC 写入 0 SendMessage 0 xB5 发送消息 结束地址设置 ReadRegister HMI BASE DATA D 清除数据管道 7 jpg 8 jpg MCU 微控制软件由主循环 按键中断和串行接收中断等组成 PC 机通过 SNMP 协议发送命令改变 CS1810 xx 中的接收或发送音频通道的 BUNDLE 编号 改变音频路由状态 MCU 在主循环中还不断扫描 CS1810 xx 各音频通道的音量 然 后将音量值以音量柱的形式在 LCD 界面上显示 路由控制还可以通过按键中断和串行中断实现 收到中断路由命令后 MCU 直接通过 CS1810 xx 的主机接口改变 CS1810 xx 的路由 这种路由方式的响应速度要快于 SNMP 协议