This article provides an embedded Ethernet digital voice broadcasting system solution, which can easily realize the regional broadcasting function of the broadcasting system.この記事では、組み込み型イーサネットデジタル音声放送システムソリューションを提供します。これにより、放送システムの地域放送機能を簡単に実現できます。 The system is based on the arm architecture and adopts the method of system playback terminal arbitration to control the realization of regional broadcast, and the broadcast content can be played and saved simultaneously.このシステムはアームアーキテクチャに基づいており、システム再生端末の調停方法を採用して地域放送の実現を制御し、放送コンテンツの再生と保存を同時に行うことができます。
、または、サーバー側に複雑なマッピングテーブルを確立して、再生端末の状態を維持し、実装がより複雑な地域放送を実現します。
1構造設計
このシステムは、図1に示すように、C / S構造を採用し、放送系サーバーエンドと放送系放送端末のXNUMXつの部分で構成されています。
The server of the broadcast system is implemented on a PC, and it is a program of voice signal collection, storage, and network transmission realized by VC++.放送システムのサーバーはPC上に実装されており、VC ++によって実現される音声信号の収集、保存、およびネットワーク送信のプログラムです。 This part collects and stores the voice signal through a microphone, and then transmits the voice data to the Ethernet via UDP to realize the network transmission function of voice data.この部分は、マイクを介して音声信号を収集して保存し、UDPを介してイーサネットに音声データを送信し、音声データのネットワーク送信機能を実現します。
放送システム再生端末は、イーサネットから送信されたIP音声データパケットを受信できるLM3S8962をベースにした組み込み端末であり、音声デコードチップMS6336が音声データのデジタル/アナログ変換と再生を完了します。
2放送システム放送端末ハードウェア設計
The main control chip of the broadcast system broadcast terminal adopts the microcontroller LM3S8962 provided by LuminaryMicro.放送系放送端末のメイン制御チップは、LuminaryMicro社製のマイクロコントローラLM3SXNUMXを採用。 This series of chips is the first ARM CortexTM-MXNUMX-based controller with an internal integrated Ethernet controller.このシリーズのチップは、イーサネットコントローラーが内蔵された最初のARMCortexTM-MXNUMXベースのコントローラーです。 It is the industry's first ARM chip that supports Industrial Ethernet (IEEE) and can easily implement network functions.これは、産業用イーサネット（IEEE）をサポートし、ネットワーク機能を簡単に実装できる業界初のARMチップです。
MS6336制御インターフェースはI16Cバスを採用しており、インターフェースの設定が簡単です。 DAC部分は、正確で安定した電流を持ち、優れた対称デコーディング方法と組み合わせて、高品質のオーディオ信号を再生できます。
LM3S8962は、オーディオデコーダチップMS45に制御信号と音声データ信号を提供します。 LM3S8962はI6336C機能をサポートしています。 PB3およびPB8962ポートは、それぞれI2Cクロックおよびデータ信号を提供します。 LM2S3は、MS2で必要なデータ入力形式をサポートしていません。 2つのピンは、それぞれI6336Sチャネル選択信号、クロック信号、およびデータ信号に対応します。 Connect these three pins to the I3S function pin of MS8962.これらの6336つのピンをMS6336のI2S機能ピンに接続します。
イーサネットデジタル音声放送システムの再生端末のハードウェア構成を図2に示します。
3放送システムソフトウェアの設計
放送システムソフトウェアは、放送システムサーバーソフトウェアと放送端末ソフトウェアのXNUMXつの部分に分かれています。
This design realizes the real-time playback of voice data, so the real-time performance of voice data transmission is required to be guaranteed, but the requirements for data integrity are not too strict, and a small amount of packet loss will not affect the overall playback effect, so the voice data of the system The transmission adopts UDP transmission mode.この設計は、音声データのリアルタイム再生を実現するため、音声データ伝送のリアルタイムパフォーマンスを保証する必要がありますが、データの整合性の要件は厳格ではなく、少量のパケット損失は影響しません。全体の再生効果は、システムの音声データなので、送信はUDP送信モードを採用しています。 At the same time, the system works in the local area network and there are few temporary users.同時に、システムはローカルエリアネットワークで動作し、一時的なユーザーはほとんどいません。 Therefore, the static IP address allocation is adopted to simplify the realization of the playback terminal software.そこで、静的IPアドレス割り当てを採用することで、再生端末ソフトの実現を簡素化しています。
3.1放送システムのサーバー側での音声データの収集、保存、送信
The collection of voice data is implemented using low-level WAVE audio API functions.音声データの収集は、低レベルのWAVEオーディオAPI関数を使用して実装されます。 In order not to cause the loss of voice data, the design uses double buffering to store voice data.音声データの損失を引き起こさないように、設計ではダブルバッファリングを使用して音声データを格納します。 The implementation process is shown in Figure 3.実装プロセスを図XNUMXに示します。
XNUMXつの記録バッファーがいっぱいになると、システムはすぐに別の記録バッファーを記録デバイスに送信して記録を続行します。アプリケーションプログラムは、いっぱいになった記録バッファーのデータを読み取って処理する必要があります。 Then call the waveInAddBuffer function to re-assign the buffer to the recording device for recycling.次に、waveInAddBuffer関数を呼び出して、バッファを記録デバイスに再割り当てしてリサイクルします。
In order to prevent the loss of voice data in the recording process, it is not enough to simply use double buffering.録音プロセスでの音声データの損失を防ぐには、単にダブルバッファリングを使用するだけでは不十分です。 It should also be noted that when one buffer is full, the application will process the data in the buffer and the second The buffer is used for recording, and the data processing time must be less than the time required for the second buffer to be fully recorded, otherwise the first buffer has not been re-assigned to the recording device after the second buffer is full, which will cause Loss of voice data.また、XNUMXつのバッファーがいっぱいになると、アプリケーションはバッファー内のデータを処理し、XNUMX番目のバッファーは記録に使用されます。データ処理時間はXNUMX番目のバッファーがいっぱいになるのに必要な時間よりも短くする必要があります。そうしないと、XNUMX番目のバッファがいっぱいになった後、最初のバッファが録音デバイスに再割り当てされないため、音声データが失われます。 When the sample rate of the voice signal is large, increasing the size of the buffer appropriately can effectively solve this problem.音声信号のサンプルレートが大きい場合、バッファのサイズを適切に大きくすると、この問題を効果的に解決できます。
WAVファイルのヘッダー形式は固定されています。 Before saving voice data, you need to set the header of the WAV file, otherwise the saved WAV file cannot be played.音声データを保存する前に、WAVファイルのヘッダーを設定する必要があります。設定しないと、保存したWAVファイルを再生できません。 Every time the recording buffer is full, first find the end of the WAV file, and then write the collected data at the end of the file in turn.録音バッファがいっぱいになるたびに、最初にWAVファイルの終わりを見つけ、次に収集されたデータをファイルの終わりに順番に書き込みます。 When the entire broadcast process is over, all the voice data are saved in the WAV file, realizing the storage of voice data.放送全体が終了すると、すべての音声データがWAVファイルに保存され、音声データの保存が実現します。
When a recording buffer is full, it is necessary to send the collected voice data through the network.録音バッファがいっぱいになると、収集した音声データをネットワーク経由で送信する必要があります。 In the design, first use the Csocket class to create a socket, and then only need to encapsulate the collected data into an IP packet and send it out.設計では、最初にCsocketクラスを使用してソケットを作成し、次に収集したデータをIPパケットにカプセル化して送信するだけで済みます。 The sampling rate of the voice signal in this design is 44.1 kHz, 16-bit dual-channel.この設計の音声信号のサンプリングレートは1024 kHz、XNUMXビットデュアルチャネルです。 In order to avoid the loss of voice data, the size of the recording buffer is set to XNUMXB.音声データの損失を避けるために、録音バッファのサイズはXNUMXBに設定されています。
3.2地域放送の実現
An important application of the Ethernet digital voice broadcasting system is not only to realize the whole area broadcasting, but also to realize the local broadcasting function, that is, to broadcast to the designated terminal.イーサネットデジタル音声放送システムの重要なアプリケーションは、地域全体の放送を実現するだけでなく、ローカル放送機能、すなわち指定された端末に放送することも実現することです。 Therefore, the UDP multicast packet is used for data transmission in the network transmission of voice IP data packets.したがって、UDPマルチキャストパケットは、音声IPデータパケットのネットワーク送信でのデータ送信に使用されます。 Using multicast packets to transmit data, all terminals included in the group in the local area network can receive the data, realizing the whole area broadcast.マルチキャストパケットを使用してデータを送信することで、ローカルエリアネットワークのグループに含まれるすべての端末がデータを受信し、エリア全体のブロードキャストを実現できます。 In order to realize the local broadcast function, a structure is added in front of the voice data in the design, as shown below, and a configuration file is used to store the IP address of each terminal of the system.ローカルブロードキャスト機能を実現するために、設計の音声データの前に以下のような構造を追加し、構成ファイルを使用してシステムの各端末のIPアドレスを格納します。
02放送システム放送端末ハードウェア設計
The main control chip of the broadcast system broadcast terminal adopts the microcontroller LM3S8962 provided by LuminaryMicro.放送系放送端末のメイン制御チップは、LuminaryMicro社製のマイクロコントローラLM3SXNUMXを採用。 This series of chips is the first ARM CortexTM-MXNUMX-based controller with an internal integrated Ethernet controller.このシリーズのチップは、イーサネットコントローラーが内蔵された最初のARMCortexTM-MXNUMXベースのコントローラーです。 It is the industry's first ARM chip that supports Industrial Ethernet (IEEE) and can easily implement network functions.これは、産業用イーサネット（IEEE）をサポートし、ネットワーク機能を簡単に実装できる業界初のARMチップです。
MS6336制御インターフェースはI16Cバスを採用しており、インターフェースの設定が簡単です。 DAC部分は、正確で安定した電流を持ち、優れた対称デコーディング方法と組み合わせて、高品質のオーディオ信号を再生できます。
LM3S8962は、オーディオデコーダチップMS45に制御信号と音声データ信号を提供します。 LM3S8962はI6336C機能をサポートしています。 PB3およびPB8962ポートは、それぞれI2Cクロックおよびデータ信号を提供します。 LM2S3は、MS2で必要なデータ入力形式をサポートしていません。 2つのピンは、それぞれI6336Sチャネル選択信号、クロック信号、およびデータ信号に対応します。 Connect these three pins to the I3S function pin of MS8962.これらの6336つのピンをMS6336のI2S機能ピンに接続します。
イーサネットデジタル音声放送システムの再生端末のハードウェア構成を図2に示します。
3放送システムソフトウェアの設計
放送システムソフトウェアは、放送システムサーバーソフトウェアと放送端末ソフトウェアのXNUMXつの部分に分かれています。
This design realizes the real-time playback of voice data, so the real-time performance of voice data transmission is required to be guaranteed, but the requirements for data integrity are not too strict, and a small amount of packet loss will not affect the overall playback effect, so the voice data of the system The transmission adopts UDP transmission mode.この設計は、音声データのリアルタイム再生を実現するため、音声データ伝送のリアルタイムパフォーマンスを保証する必要がありますが、データの整合性の要件は厳格ではなく、少量のパケット損失は影響しません。全体の再生効果は、システムの音声データなので、送信はUDP送信モードを採用しています。 At the same time, the system works in a local area network with fewer temporary users.同時に、システムは一時的なユーザーが少ないローカルエリアネットワークで動作します。 Therefore, static IP address allocation is adopted to simplify the realization of the playback terminal software.そのため、静的IPアドレス割り当てを採用して、再生端末ソフトウェアの実現を簡素化しています。
3.1放送システムのサーバー側での音声データの収集、保存、送信
The collection of voice data is implemented using low-level WAVE audio API functions.音声データの収集は、低レベルのWAVEオーディオAPI関数を使用して実装されます。 In order not to cause the loss of voice data, the design uses double buffering to store voice data.音声データの損失を引き起こさないように、設計ではダブルバッファリングを使用して音声データを格納します。 The implementation process is shown in Figure 3.実装プロセスを図XNUMXに示します。
XNUMXつの記録バッファーがいっぱいになると、システムはすぐに別の記録バッファーを記録デバイスに送信して記録を続行します。アプリケーションプログラムは、いっぱいになった記録バッファーのデータを読み取って処理する必要があります。 Then call the waveInAddBuffer function to re-assign the buffer to the recording device for recycling.次に、waveInAddBuffer関数を呼び出して、バッファを記録デバイスに再割り当てしてリサイクルします。
In order to prevent the loss of voice data in the recording process, it is not enough to simply use double buffering.録音プロセスでの音声データの損失を防ぐには、単にダブルバッファリングを使用するだけでは不十分です。 It should also be noted that when one buffer is full, the application will process the data in the buffer and the second The buffer is used for recording, and the data processing time must be less than the time required for the second buffer to be fully recorded, otherwise the first buffer has not been re-assigned to the recording device after the second buffer is full, which will cause Loss of voice data.また、XNUMXつのバッファーがいっぱいになると、アプリケーションはバッファー内のデータを処理し、XNUMX番目のバッファーは記録に使用されます。データ処理時間はXNUMX番目のバッファーがいっぱいになるのに必要な時間よりも短くする必要があります。そうしないと、XNUMX番目のバッファがいっぱいになった後、最初のバッファが録音デバイスに再割り当てされないため、音声データが失われます。 When the sample rate of the voice signal is large, increasing the size of the buffer appropriately can effectively solve this problem.音声信号のサンプルレートが大きい場合、バッファのサイズを適切に大きくすると、この問題を効果的に解決できます。
WAVファイルのヘッダー形式は固定されています。 Before saving voice data, you need to set the header of the WAV file, otherwise the saved WAV file cannot be played.音声データを保存する前に、WAVファイルのヘッダーを設定する必要があります。設定しないと、保存したWAVファイルを再生できません。 Every time the recording buffer is full, first find the end of the WAV file, and then write the collected data at the end of the file in turn.録音バッファがいっぱいになるたびに、最初にWAVファイルの終わりを見つけ、次に収集されたデータをファイルの終わりに順番に書き込みます。 When the entire broadcast process is over, all the voice data are saved in the WAV file, realizing the storage of voice data.放送全体が終了すると、すべての音声データがWAVファイルに保存され、音声データの保存が実現します。
When a recording buffer is full, it is necessary to send the collected voice data through the network.録音バッファがいっぱいになると、収集した音声データをネットワーク経由で送信する必要があります。 In the design, first use the Csocket class to create a socket, and then only need to encapsulate the collected data into an IP packet and send it out.設計では、最初にCsocketクラスを使用してソケットを作成し、次に収集したデータをIPパケットにカプセル化して送信するだけで済みます。 The sampling rate of the voice signal in this design is 44.1 kHz, 16-bit dual-channel.この設計の音声信号のサンプリングレートは1024 kHz、XNUMXビットデュアルチャネルです。 In order to avoid the loss of voice data, the size of the recording buffer is set to XNUMXB.音声データの損失を避けるために、録音バッファのサイズはXNUMXBに設定されています。
3.2地域放送の実現
An important application of the Ethernet digital voice broadcasting system is not only to realize the whole area broadcasting, but also to realize the local broadcasting function, that is, to broadcast to the designated terminal.イーサネットデジタル音声放送システムの重要なアプリケーションは、地域全体の放送を実現するだけでなく、ローカル放送機能、すなわち指定された端末に放送することも実現することです。 Therefore, the UDP multicast packet is used for data transmission in the network transmission of voice IP data packets.したがって、UDPマルチキャストパケットは、音声IPデータパケットのネットワーク送信でのデータ送信に使用されます。 Using multicast packets to transmit data, all terminals included in the group in the local area network can receive the data, realizing the whole area broadcast.マルチキャストパケットを使用してデータを送信することで、ローカルエリアネットワークのグループに含まれるすべての端末がデータを受信し、エリア全体のブロードキャストを実現できます。 In order to realize the local broadcast function, a structure is added in front of the voice data in the design, as shown below, and a configuration file is used to store the IP address of each terminal of the system.ローカルブロードキャスト機能を実現するために、設計の音声データの前に以下のような構造を追加し、構成ファイルを使用してシステムの各端末のIPアドレスを格納します。
構造体 STRING
{文字列IPNO1;
文字列IPNO2;
...
文字列IPNO9;
文字列IPNO10};
When it is necessary to perform regional broadcasting on certain terminals, select the corresponding numbers of these terminals on the panel of the server side of the broadcasting system (as shown in Figure 4).特定の端末で地域放送を行う必要がある場合は、放送システムのサーバー側のパネルで対応する端末の番号を選択します（図XNUMXを参照）。 At this time, the IP address of the selected terminal is read from the configuration file and assigned to the corresponding variable in the structure.このとき、選択した端末のIPアドレスが構成ファイルから読み取られ、構造内の対応する変数に割り当てられます。 When the terminal receives an IP multicast packet, it first judges whether the structure has the same variable as its own IP address, if there is, then the data is received and played, if not, the data is discarded, thus realizing the area Broadcast function.端末は、IPマルチキャストパケットを受信すると、構造体がそれ自体のIPアドレスと同じ変数を持っているかどうかを最初に判断し、存在する場合はデータを受信して再生し、存在しない場合はデータを破棄することで、エリアBroadcast関数。 Compared with the method of using a control signal to control the playback terminal to join or leave the multicast group, or to dynamically maintain a complex mapping table to implement the regional broadcast function.制御信号を使用して再生端末を制御し、マルチキャストグループに参加または離脱する方法や、複雑なマッピングテーブルを動的に維持して地域ブロードキャスト機能を実装する方法と比較します。 This method does not need to interactively control the playback terminal before each broadcast, nor does it need to dynamically track the state of the terminal.この方法では、各ブロードキャストの前に再生端末をインタラクティブに制御する必要も、端末の状態を動的に追跡する必要もありません。 It only needs to write the terminal's corresponding IP address into the configuration file when the terminal joins the system for the first time.端末が初めてシステムに参加するときに、端末の対応するIPアドレスを構成ファイルに書き込むだけです。 The function is simple to implement .この関数は簡単に実装できます。
3.3放送システム放送端末ソフトウェアの実現
The broadcast system broadcast terminal is divided into two parts to realize, the audio data receiving part is used to receive the voice data and store and forward, and the audio decoder realizes the D/A conversion and playback of the voice signal.放送システムの放送端末は、音声データの受信と保存・転送を行う音声データ受信部と、音声信号のD / A変換と再生を実現する音声デコーダーのXNUMXつの部分に分かれています。 The audio data receiving part adopts Socket programming to receive voice data from the Ethernet.音声データ受信部はSocketプログラミングを採用しており、イーサネットから音声データを受信します。 After receiving the voice data packet, it must first judge whether the data packet is for itself.音声データパケットを受信した後、最初にデータパケットがそれ自体のものであるかどうかを判断する必要があります。 The terminal compares the member variable of the structure struct STRING in the IP packet with its own IP address, and if any member variable is equal to its own IP address, it stores the data in the packet, otherwise discards it.端末は、IPパケット内の構造体STRINGのメンバー変数を独自のIPアドレスと比較し、メンバー変数が独自のIPアドレスと等しい場合、データをパケットに保存し、それ以外の場合は破棄します。
UDPデータ送信の障害により、音声データの順次処理と正しい復元音声信号を確保するために、音声データ受信側で音声データを受信した後に音声データパケットをソートする必要があります。 At the same time, in order to avoid network jitter, the data is processed every time when there are at least 5 packets in the circular queue.同時に、ネットワークジッタを回避するために、循環キューに少なくともXNUMXつのパケットが存在するたびにデータが処理されます。
LM6336S2はこのデータ形式をサポートしていないため、ソフトウェアシミュレーションを採用してGPIOポートを介したI3S機能を実現しています。 I8962Sのタイミング図を図2に示します。
LM40S600はMS3に音声データを提供し、サンプリングポイントに応じてGPIOポートを介したシリアル伝送を実現します。 Each sampling point contains four bytes, and the data sending process of a sampling point is shown in Figure 8962.各サンプリングポイントには6336バイトが含まれており、サンプリングポイントのデータ送信プロセスを図6に示します。
4結果分析
The size of the voice data packet transmitted by the system via Ethernet is 1024B.システムがイーサネット経由で送信する音声データパケットのサイズは5Bです。 In order to avoid network jitter, the terminal starts broadcasting when receiving 30 data packets.ネットワークジッターを回避するために、端末は10つのデータパケットを受信するとブロードキャストを開始します。 The broadcasting delay time is about XNUMX ms, which meets the functional indicators.配信の遅延時間は約XNUMXミリ秒で、機能の指標を満たしています。 The server side can control the work of XNUMX broadcasting terminals at the same time.サーバー側は、同時にXNUMX台の放送端末の作業を制御できます。 By selecting the corresponding terminal number on the server side, the whole area broadcasting and local broadcasting functions of the broadcasting system can be successfully realized.サーバー側で対応する端末番号を選択することにより、放送システムの全エリア放送およびローカル放送機能を実現できます。
5まとめ
Starting from actual needs, we design and implement an Ethernet digital voice broadcasting system.実際のニーズから始めて、イーサネットデジタル音声放送システムを設計および実装します。 The experimental results show that the system's playback terminal decides whether to perform voice broadcasting to realize regional broadcasting is a simple and effective way to realize global broadcasting and regional broadcasting of voice signals.実験結果は、システムの再生端末が音声放送を実行して地域放送を実現するかどうかを決定することが、音声信号のグローバル放送および地域放送を実現するための簡単で効果的な方法であることを示している。 The system player terminal adopts GPIO port software simulation to realize the I2S function, which can accurately realize the I2S timing, complete the data transmission of the voice signal, and realize the real-time broadcast of the voice signal.システムプレーヤー端末は、GPIOポートソフトウェアシミュレーションを採用してIXNUMXS機能を実現し、IXNUMXSタイミングを正確に実現し、音声信号のデータ送信を完了し、音声信号のリアルタイムブロードキャストを実現します。 The design structure is reasonable, and can easily realize the expansion of functions, such as timing broadcast, music playback, remote management, real-time monitoring, etc. This design has important practical significance and provides a foundation for solving large and complex Ethernet broadcast systems.設計構造は合理的であり、タイミングブロードキャスト、音楽再生、リモート管理、リアルタイム監視などの機能の拡張を容易に実現できます。この設計は重要な実用的重要性を持ち、大規模で複雑なイーサネットブロードキャストを解決するための基盤を提供します。システム。
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