基于DS80C400微控制器實現(xiàn)音視頻范例網(wǎng)絡多媒體系統(tǒng)的設計

隨著電子信息技術日新月異的高速發(fā)展，令人振奮的多媒體應用，包括有線擴音系統(tǒng)（PA-Public address system）、網(wǎng)絡門、MP3播放器以及安全攝像機等需求也是與日俱增。在網(wǎng)絡技術發(fā)展的今天，可以采用一種低成本的網(wǎng)絡型微處理器DS80C400來建立與實現(xiàn)。其特點是無需任何硬件的圖像壓縮，便可每秒傳輸4幀原始的黑白圖像，而分辨率可達240180像素。

新型DS80C400是具有高性能結(jié)構(gòu)和多層網(wǎng)絡節(jié)點和I/O口及穩(wěn)定的ROM固件的網(wǎng)絡微控制器，它廣泛應用于工業(yè)控制/自動化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、遠距離數(shù)據(jù)采集設備、環(huán)境監(jiān)測、家庭/辦公室自動化、交易/支付終端及網(wǎng)絡傳感器等領域。本文對如何在音視頻范例網(wǎng)絡多媒體系統(tǒng)中應用DS80C400網(wǎng)絡型微控制器進行分析與討論。

一、網(wǎng)絡型有線擴音（PA）系統(tǒng)的建立

1 常用或傳統(tǒng)的PA系統(tǒng)

PA系統(tǒng)是用于尋呼/內(nèi)部通信和擴音的系統(tǒng)，其擴音系統(tǒng)有兩個主要部件，即放大器和揚聲器，其組成見圖1示意框圖，一個放大器帶4個16Ω的揚聲器，PBX（Private branch exchange） 用戶交換機是把外面的電話線接到某個建筑住宅或辦公室分機上，而PBX系統(tǒng)功能包括呼叫轉(zhuǎn)移、快速撥號、內(nèi)部/外部尋呼和呼叫詳細記錄等。

PA系統(tǒng)工作時，接線員用廣播、尋呼形式對人員播發(fā)若干信息，如“所有工作人員請注意，正在測試火警系統(tǒng)”，或“主管人員請到化學品庫報到”，等等。對這類系統(tǒng)人們常常采用傳統(tǒng)的獨立布線和基礎結(jié)構(gòu)的技術就可實現(xiàn)了。

2 網(wǎng)絡型有線擴音（PA）系統(tǒng)

現(xiàn)在，如果將這個系統(tǒng)搬到網(wǎng)絡上則情況會有所不同，不僅可以省掉獨立的音頻布線，而且還可以使系統(tǒng)變得更加智能。這是由于尋呼系統(tǒng)已與各建筑物的訪問控制系統(tǒng)或某個網(wǎng)絡服務器相連接，從而使接線員很方便知道某個人員所處的位置。而且，這種計算機化的網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)還能夠自動重復某個消息，從而使接線員能夠被解放出來去處理更多的呼叫。 更為新穎的是：系統(tǒng)亦可以接入公司范圍內(nèi)的郵件系統(tǒng)，實現(xiàn)郵件到語音的轉(zhuǎn)換服務；或者通過一個能夠輸入傳呼請求的網(wǎng)站發(fā)布消息，而無須人工干預。

那么怎樣才能建立這樣一種網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)呢？首先，至少需要一臺運行WEB界面和電子郵件網(wǎng)關并帶麥克風的服務器，我們稱這臺服務器為主控服務器（Master control server）。下一步，需要一些揚聲器模塊，如DS80C400網(wǎng)絡型微控制器、具有能夠驅(qū)動揚聲器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。這些揚聲器單元的價格要求低廉，而且要求現(xiàn)場安裝相當容易。圖2為DS80C400網(wǎng)絡型微控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成框圖。

圖3展示了網(wǎng)絡型音視頻PA系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。該網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)在兩座建筑物M與L之間實現(xiàn)網(wǎng)絡運行，它包括7個揚聲器單元和一個主控服務器；建筑物之間的網(wǎng)絡連接采用了一個路由器（Router），而不是網(wǎng)橋。在本網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)中，DS80C400網(wǎng)絡微控制器驅(qū)動揚聲器單元。由于這類網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)無須很高的帶寬和處理能力，因而該DS80C400控制器所具備的PC系統(tǒng)的處理能力和存儲資源足以支撐系統(tǒng)運行。為此，對采樣率在22.05kHz8位的非壓縮單聲道音頻帶寬要求， 足以在180Kbps以內(nèi)提供優(yōu)異的話音質(zhì)量。而且也不用為硬件解壓縮支付成本， 從而大大提高了本網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)的性能價格比。

圖4為該類網(wǎng)絡型音頻系統(tǒng)的相對帶寬需求示意圖。圖4中所示的剖面線為網(wǎng)絡型音頻PA系統(tǒng)帶寬區(qū)域，說明該類網(wǎng)絡型音頻系統(tǒng)的音頻帶寬只需要0.25Mbps， 即使在早期的網(wǎng)絡（半雙工式）10Mbps上（見圖4坐標縱軸），相對于本網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)具備5Mbps有效帶寬的容量來說，那音頻帶寬（0.25Mbps）也僅使用了其中5％的容量。與當今的大多數(shù)以太網(wǎng)帶寬需要100Mbps相比，顯得極低，大大節(jié)省了容量。

3 揚聲器單元硬件的配置

除DS80C400外，揚聲器單元還需要一些存儲器（512KB的SRAM就足夠了）、網(wǎng)絡PHY（開放系統(tǒng)互連）、DAC、放大器和揚聲器。為此，通過下列技術簡化了安裝和代碼的分發(fā)：

● 通過DS80C400網(wǎng)絡微控制器所配備的網(wǎng)絡引導方式“NetBoot”， 并由NetBoot采用DHCP（動態(tài)主配置協(xié)定）和TFTP（普通文件傳送協(xié)定）網(wǎng)絡協(xié)議獲取IP地址和裝載程序數(shù)據(jù)，降低了安裝和配置成本；

● 以太網(wǎng)供電（見圖3上下二橫圓形粗線所示，以太網(wǎng)電纜）簡化了布線，降低了材料成本。

上電后，DS80C400 ROM通過DHCP（動態(tài)主配置協(xié)定）獲取IP地址，接著查詢網(wǎng)絡，以獲取最新版的應用程序。應用程序執(zhí)行后，系統(tǒng)就準備接收音頻數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場找一個未使用的網(wǎng)口，連上電纜，就完成了新?lián)P聲器模塊單元的安裝。

4 揚聲器單元軟件

為簡化硬件的安裝，軟件需要做一些額外的工作。由于兩座建筑之間存在路由器（見圖3中間），廣播、呼叫消息不能夠直接從一座建筑物到達另一座建筑物。所以，不能采用簡單的消息廣播。一個新的揚聲器必須發(fā)送組播消息，直到主控服務器確認了該揚聲器的位置和參數(shù)。一個新的揚聲器系統(tǒng)事先無法知道主控服務器的位置，因而也需要發(fā)送組播消息來請求主控器確認自己。如果考慮安全問題，則交換信息可以采用數(shù)字簽名，以排除那些冒充服務器的系統(tǒng)。一旦采用傳統(tǒng)的單播消息配置后，該揚聲器單元就加入一個組播群，等待音頻包，這些音頻包由主控器組播。使用組播是因為DS80C400和TINI（Tiny interNet interface，微型因特網(wǎng)接口）運行環(huán)境支持組播，它不同于從一個源發(fā)往一個目標的單播數(shù)據(jù)包，允許多個目標主機接收相同的數(shù)據(jù)，從而消除了重復傳輸，節(jié)省了帶寬。在網(wǎng)絡中，組播包采用一類特殊的目標IP地址，稱之組播群網(wǎng)絡。

PA系統(tǒng)的范例程序采用C語言編寫。要說明的是除join（ ）之外，這些編寫步驟對于那些為TCP／IP網(wǎng)絡編寫代碼的程序員來說，應該是相當熟悉的。

5 關于以太網(wǎng)供電

要將設備連接到網(wǎng)絡中需要給網(wǎng)絡添加額外的電纜，幸好，電源可以被整合到以太網(wǎng)電纜中空余的導線上。解決這個問題有多種方法，最為常見的是IEEE 802.3af標準，規(guī)定將48V電源連接至8引腳以太網(wǎng)連接器的7、8引腳（+）和4，5引腳（GND）。48V電源普遍應用于電話系統(tǒng)，因此配線柜中通常已帶了這個電源。為了能夠應用于網(wǎng)絡型微控制器，電源必須降壓至某個合適的水平。

6 文本到語音

使用麥克風記錄現(xiàn)場語音或播放存儲在網(wǎng)絡服務器上的錄音，是應用網(wǎng)絡型PA系統(tǒng)的方式之一。另外—種是利用接收自電子郵件、WEB頁或蜂窩電話短消息業(yè)務的文本廣播消息。

為系統(tǒng)添加語音合成非常容易，轉(zhuǎn)換可以直接在主控服務器上進行，利用文本到語音轉(zhuǎn)換引擎從輸入文本產(chǎn)生音頻波形，然后就可以將這個波形如同其他音頻信號一樣發(fā)送至揚聲器，揚聲器模塊無須作任何改動。文本到語音轉(zhuǎn)換引擎已廣泛應用，并且已經(jīng)成為有些操作系統(tǒng)（例如Mac OSX）的組成部分。

7 娛樂級音頻

如果音頻采樣以非壓縮方式傳輸，則CD音頻就會遇到問題。以44.1kHz 16位采樣、未經(jīng)處理的立體聲需要1.44Mbps的網(wǎng)絡帶寬（幾乎占了10Mbps網(wǎng)絡的30％），已經(jīng)超出了許多網(wǎng)絡可提供的帶寬。

MP3這樣的壓縮算法能夠降低數(shù)據(jù)速率，由此大大提高網(wǎng)絡負載能力，使系統(tǒng)切實可行。配合硬件解壓縮芯片，DS80C400能夠輕松完成任務。事實上，36MHz的時鐘速率足以連續(xù)播放192ＫB的MP3。

8 成像

將視頻信號連接至DS80C400，如安防照相機，采用一個廉價的照相機每秒獲取一個快照，并傳送到網(wǎng)上用于顯示和存儲。服務器端的后處理可完成運動監(jiān)視并警示保安人員，比較好的照相機選擇是現(xiàn)代的蜂窩電話——它們不僅小巧、廉價而且隨處可得，大多采用一種串行協(xié)議進行通信，但不同的制造商也可能采用不同的通信協(xié)議。

實驗表明，無須任何硬件輔助的圖像壓縮，DS80C400便可每秒傳輸4幀原始的黑白圖像（240180），而且還留有一定的余量可用于處理話音級的音頻。對于那些熟悉Unix網(wǎng)絡編程的人來說，closesocket（ ）就是close（ ）。DS80C400版本的close（ ）函數(shù)由文件系統(tǒng)使用，與Windows系統(tǒng)一樣，DS80C400上的套接字句柄與文件句柄是不可互換的，必須使用獨立的套接字函數(shù)。

相機系統(tǒng)提供給DS80C400的時鐘頻率為73.7MHz，接近于75MHz的極限值。73.7MHz的頻率由基頻模式的18.432MHz晶體和集成在DS80C400上的PLL（Phase locked loop，鎖相環(huán)路）經(jīng)4倍頻后得到。這種設計降低了整個系統(tǒng)的成本，同時還允許工作在接近微控制器最高頻率的上限。此外，18.432MHz4對于異步串行通信來講還是一個很好的波特率發(fā)生器。

9 網(wǎng)絡門

將安防照相機與雙向音頻、按鈕和蜂鳴器等結(jié)合在一起是很容易做到的。這樣的系統(tǒng)允許我們建造一個網(wǎng)絡門（見圖5）。應用是無止境的，尤其是與訪問控制和安全登錄等結(jié)合在一起時。對于DS80C400來說，按鈕和蜂鳴器僅僅是外部設備，可以直接連接到普通I/O上。

在Keil C中，通過sfr和shit，很容易定義I/O端口：

／* Define port 1 *／

Sfr pl = 0x90；

／* Define P1．7 （port 1 is bit addressable） *／

sbit pl_7 = pl^7；／* Toggle Pl．7 *／

p_7 = ！pl一7；

采用ibutton和內(nèi)置于DS80C400的1-Wire主控制器接口，很容易在網(wǎng)絡門上添加安全認證功能（某種程度上講，該接口的編程要復雜一些，因此Dallas Semiconductor提供了庫文件，以便簡化任務）。

注意：像網(wǎng)絡門這樣的系統(tǒng)可能需要完成多種處理（或任務），DS80C400 ROM包含了一個任務調(diào)度器。下面實例說明了如何在C語言中使用它。還有，在工業(yè)級應用中，應該檢查返回代碼。

unsigned Char pri， task；

／* Get the current task *／

task = task_getcurrent（ ）；

／* The current task’S priority *／

pri = task_getpriority（0）；

／* Decrease the priority *／

task_Setpriority（0， pri-1）；／* Sleep *／

task_Sleep（0， 0， 500）；

樣例程序還包含了一些有用的函數(shù)，如task_fork（ ），通過復制當前任務，創(chuàng)建一個新的任務。Task_kill （ ）取消一個任務，以及task_suspend（ ）掛起一個任務。

二、總結(jié)

可以采用多種方法開發(fā)DS80C400的應用軟件。若想快速評估方案，可以考慮采用Java語言和TINI運行環(huán)境。對于那些要求考慮每個指令周期的應用，最好采用最優(yōu)化的匯編語言。

在本文中，我們采用了C語言。Keil C編譯器支持DS80C400連續(xù)的24位尋址模式，允許高達16MB的代碼/數(shù)據(jù)存儲空間。為了使用這種模式，要求采用擴展版本的編譯器和連接器（CX51、LX51）。這些工具包含在專業(yè)開發(fā)者工具中（PK51）。

Dallas Semiconductor公司提供接口至DS80C400內(nèi)部網(wǎng)絡棧的C庫文件?？梢哉业皆搸煳募?，以及一份使用Keil開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建DS80C400項目的詳細操作指南。這些庫文件極大地簡化了網(wǎng)絡編程．例如，創(chuàng)建兩個TCP連接已簡化為全球皆知的socket（ ）和connect （ ）順序調(diào)用。

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