嵌入式数字多媒体终端硬件平台的设计与实现

1、    嵌入式数字多媒体终端硬件平台的设计与实现    嵌入式数字多媒体终端硬件平台的设计与实现    类别：嵌入式系统      引言 随着信息时代的到来，信息技术尤其是计算机多媒体技术与网络技术飞速发展，语音教室在各种学校都已有了广泛的应用。现存的语音教学系统一般都是采用模拟电路，可靠性低，抗干扰性弱，易发生串音，从而在传输过程中会失真、衰减，且易受干扰，导致语音质量较差，同时布线也较复杂，建设成本比较高；另外现

2、存的解决方案实现的功能较为单一，只能完成简单的教学功能，没有提供随意分组讨论、点名、选择题问答等应有的功能；另外，现存的解决方案没有发挥出现有的多媒体网络技术优势，无法进行高效、生动的多媒体教学，交互性比较差，教学效果受到很大的影响，严重影响了在实际教学中的推广与应用。要解决传统语音教学面临的问题必须引入数字化的设计。 数字多媒体终端的硬件设计与实现 数字语音教学系统由教师端、多个学生端(数字多媒体终端)、数字传输网络组成。其中，教师端一般采用计算机控制，主要完成系统管理及网络管理。学生端既可以基于pc机平台，也可以采用经济型独立设备。数字传输网络是所要传输的多媒体信息的载体。本文就是针对学生

3、端设计一种经济实用的独立设备。它采用嵌入式数字信号处理器dsp+cpld+接口电路的设计模式。数字信号处理器dsp实现语音信号的处理、网络接口部分的控制及多任务的管理。cpld完成网络适配部分设计及部分外围电路控制。接口电路包含网络接口、模拟语音输入输出接口。语音传输中要保证语音传输的实时性和交互性，实现学生端与教师端和其他学生端的通信。 硬件平台构造于dsp嵌入式系统上，该平台采用了ti公司的数字信号处理器tms320vc5402作为核心部件，利用可编程逻辑器件xc95288开发了外围控制电路和接口电路，其电路如图1所示。它主要包括以下几部分：多种设备接口 包括网络输入、输出接口、话筒输入接

4、口和耳机输出接口。 语音信号前置放大 由于从话筒输入的语音信号比较微弱(130mv)，达不到编解码器对信号强度的要求，因此必须进行前置放大，这里由专用前置放大芯片完成。 语音信号的转换及编解码 语音信号的a/d，d/a转换及编解码功能是利用mc145480完成的，它的优点是：可将语音信号的a/d，d/a转换及编解码集成在一个芯片中，提高了系统稳定性；只需单电源供电，减少了双电源供电所带来的电源干扰问题，提高了语声质量；可提供a律及m律两种编码格式，提供符合itu-tg.711建议的语音数据流。 系统控制、管理与语音压缩 由数字信号处理器tms320vc5402完成。该芯片处理速度快，可实现语音

5、的实时处理，并实现语音的回声抑制功能。除了能完成dsp所提供的功能外，利用内嵌的dsp/bios实时操作系统，可实现并建立语音实时多任务系统。 网络适配电路 本网络的拓扑结构参考令牌总线网，物理拓扑采用总线型结构，由一根线形的电缆连接各个站点。逻辑拓扑采用环形结构，每个站点知道自己左边和右边站点的地址，在逻辑上构成一个环，数据沿环逐节点顺序传送。这种物理结构具有以太网电缆的可靠性，不会因某处电缆故障物而在物理上导致整个系统瘫痪。其所需电缆长度短，安装费用低，易于布线、维护和扩充。而且，物理上共享总线的站点之间可以直接通信，响应速度较快。同时，由于总线电缆固有的广播特性，使得应用中广播功能的实现

6、较为容易。另外，由于逻辑环是公平的，每一站点对信道的访问时间有一个确定的上界，因此可以防止某一站点独占信道这种情况的发生。共享媒体语音网是一个局域通信网络，它没有路由问题，任何两个站点之间可以使用一条直接链路，所以不需要单独设置网络层，而可以将寻址、排序、流控、差错控制等功能都放在数据链路层中实现。 该控制电路利用xilinx公司的可编程逻辑器件cx95288实现。网络适配器把数据总线上的低电平并行信号转换成0、1码流，通过连接网络各站点的电缆传输。它采用特殊技术，以便利用适配器共享局域网线缆、局域网的介质访问控制mac方式和发送信号的类型。电路包括网络接口、接收电路、发送电路及与dsp的接口

7、电路。其中，网络接口部分采用通用的rs-485通信接口，实现简单。共享媒体语音网络的适配器电路结构如图2所示。 图2 网络适配器电路结构数字多媒体终端的软件设计与实现 数字多媒体终端系统除了利用dsp完成信号处理，实现全部系统控制功能之外，在系统软件设计中，需要对dsp、存储器、外设等各种资源加以管理，同时还要处理多任务并发操作和不同任务之间的协调。为了保证系统的可靠性和稳定性，本文采用了dsp/bios实现上述工作。 dsp/bios实时操作系统 dsp/bios是ti公司推出的一个实时操作系统(rtos)，与ti的codecomposerstudio(ccs)集成在一个开发环境下。目前最新

8、的版本是ccs2.0中的dsp/biosii。它支持软件模块化，通过修改内核提供占先式多任务服务；具有设备独立的i/o数据流模型；可以对内存进行动态分配与内存管理。dsp/bios实际上是一个可调用的系统模块api的集合，利用dsp/bios调试工具可以对程序进行实时跟踪与分析，提高应用程序开发的可靠性。通过dsp/bios插件(plug-ins)可实时观察内核中各线程的执行状态和对象的当前属性。利用配置工具(configurationtool)开发者可以对各个模块实行配置。非常有效地提高项目了开发效率，简化了dsp应用程序的开发和调试。 dsp/bios实时语音处理多任务系统 对语音信号的处

9、理利用dsp/bios建立实时多任务系统。dsp与音频编解码器之间的通信通过dsp的外设多通道缓冲串行口(mcbsp)实现闭环测试。简单的语音处理系统由采集线程和播放线程两个应用任务组成。每个应用任务分别对应一个输入sio和一个输出sio流，通过两个半双工通道(一个输入，一个输出)来访问连接到音频编解码器的dsp多通道缓冲串行口。另外，在两个任务之间的数据交换通过dpi设备驱动完成。具体实现包括： 建立设备驱动 设备驱动采用dax驱动程序作为管理设备的软件模块。dax驱动模块由dax头文件和dax函数组成。dax_params作为配置工具设备驱动对象的属性。每个设备驱动模块同时还需要一个控制模

10、块，控制模块由外部函数bind、start、stop和unbind等组成，通过dax_params参数结构和配置工具配置控制器。其中，控制器的bind(unbind)函数负责绑定(解除绑定)设备驱动模块对设备端口的控制。控制器的start函数负责调用流sio_get时打开设备端口，也就是打开mcbsp的接收和发送中断使isr中断服务线程正常运行。控制器的stop函数使停止中断运行并关中断。 dax函数由配置工具中设备对象的函数表调用，在dax.c中初始化驱动函数表dax_fxns，dax函数表的结构如下所示： dev_fxnsdax_fxns= dax_close, dax_ctrl, dax

11、_idle, dax_issue, dax_open, dax_ready, dax_reclaim ; 应用程序不直接调用驱动函数,这个函数表用于sio模块调用特定的设备驱动函数，sio模块依次发送通常的函数调用适当的驱动函数。 建立sio流 本文利用静态配置工具为每个任务建立一个输入流和一个输出流，采样线程对应采样输入流insample和输出流outsample,播放线程对应播放输入流insink和输出流outsink。 建立任务 系统利用dsp/bios建立两个任务tasksample和tasksink，分别对应sample和sink线程，以完成语音的采集处理与播放处理。采样线程samp

12、le和播放线程sink调用相同的i/o处理函数，i/o处理函数如下所示： staticvoiddostreaming(sio_handleinput,sio_handleoutput,unsnloops) ptrbuf; inti,nbytes; if(sio_staticbuf(input,&buf)=0) sys_abort("errorreadingbuffer"); while(1) if(nbytes=sio_get(input,&buf)<0) sys_abort("errorreadingbuffer%d",i); if(sio_put(output,&buf,nbytes)<0) sys_abort("errorwritingbuffer%d",i); 虽然两个线程调用了相同的i/o处理函数，但是由于对应不同的输入/输出流，因此在多任务操作中，不会出现冲突。 建立中断服务程序 使用hwi硬件中断服务管理器hwi配置相应的中断服务程序isr。当接收发生中断时，isr将接收的数据放入缓冲区，当接收缓冲区满时，通知设