基于FPGA的以太网音频广播系统，软硬件协同之二 以太网, 协同

pengpengpang

4、方案论证：
设计思想：采用FGPA模块接收以太网传来的数字语音信号，并进行存储，再通过音频D/A转换器将数字信号转换为模拟信号在音响设备上进行播放。分为两个部分实现：语音信号采集与发送部分和信号接收与播放部分。①语音信号采集模块（编程实现）在PC机上进行，然后采用UDP传输方式以IP广播包方式通过以太网发送出去。②接收端是在FPGA开发板上实现语音数据包的接收，并将数据处理后送给音频解码芯片进行解码，转换成模拟信号进行播放。

方案论证：本系统采用服务器端和广播终端的架构，由音频流服务器采集、处理语音信号，通过以太网进行传输，然后由Spartan 3E作为广播终端来接收以太网传输的数据，并进行D/A转换处理后输送到播放设备。

服务器端的设计：服务器端在ＰＣ机上实现，主要完成语音数据的采集、存储和发送。其中，语音数据的采集和存储采用WAVE音频函数来实现。使用WAVE低级音频函数，可直接与音频驱动程序交互，通过窗口消息或回调函数来管理音频数据块的录入和存储，并提供了一个设备无关接口。在使用音频设备之前，必须打开设备驱动程序，确定系统音频设备的能力，用完之后必须关闭音频设备。具体流程如下：

①查询设备数目。使用waveInGetNumDevs函数来获取波形输入设备的个数。只有确定设备存在，才能打开、使用设备。

②打开波形输入设备。使用waveInOpen函数，该函数打开与指定设备ID相关联的设备，并以给出指定内存句柄的方法放回打开波形设备的句柄。需要在waveInOpen中指定的一个回调函数或者线程，其作用是在一个数据缓冲区被录满后被调用，以对这些数据进行处理，和其他一些相关的操作。

③准备音频数据块。在音频数据录入之前，必须准备好音频数据块。将数据块传送给设备驱动程序就可以开始录音了。使用waveInPerpareHeader函数为输入缓冲区准备头部，使用waveInAddBuffer函数添加一个输入用的数据缓冲区。在用完数据块后，必须用waveInUnprepareHeader函数来清除对音频数据块的准备。

④开始录音。使用waveInStart函数。

⑤停止录音，关闭设备。调用waveInReset和waveInClose函数。结束录音时，在waveInClose之前先调用waveInReset，以清除尚在等待录音的缓冲区。

录音过程中，若缓冲区已满，但录音还在继续，为防止语音数据丢失，就需要再加入一个缓冲区进去。考虑到添加缓冲区的处理是有时间延迟的，而音频对时间很敏感，所以要预先设置好至少两个数据缓冲区。当一个缓冲区满时，就调用另外一个，即可保证所录得的音频数据不会有断开的间隔。录制波形音频时如果缓冲区已满，系统将发送MM_WIM_DATA消息给应用程序，程序接收到这个消息后，就可以从消息带回的参数中得到缓冲区的指针，从而读出缓冲区的数据，或对数据进行处理，并且该缓冲区的数据读完后要用waveInAddBuffer函数将缓冲区重新送入设备，循环利用。在本设计中采用两个缓冲区来存放语音数据。

音频数据的发送：数据发送采用MFC的CSocket类来实现。CSocket类是由CAsyncSocket类继承而来，与CSocketFile类和CArchive类一起工作来发送和接收数据。软件实现：当数据缓冲区满时，需要将已采集到的语音数据通过以太网发送出去，这就要用到Socket网络传输。利用CSocket类创建一个套接字，然后将录音缓冲区中采集到的语音数据依次封装成IP包进行发送。语音数据发送流程图如图4所示：


图4 数据发送流程图
要实现语音信号的实时播放，必须对语音信号进行实时传输，所以在以太网上传输数据采用UDP传输方式。虽然TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务，可以实现数据的可靠传输与出错重传，但是这也导致了TCP协议对资源的占用更多。TCP主要适用于对数据的完整性要求很高的网络传输的应用。UDP不一定提供可靠的数据传输，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，并不保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报之前不用在客户和服务器之间建立连接，没有超时重发机制，所以传输速度很快。当某个程序的目标是尽快地传输尽可能多的信息，强调传输性能而不是传输的完整性时，如音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。

录音缓冲区的大小为1024个字节，这样才能避免语音信号丢失，但是在系统终端对语音数据包进行处理的时候，如果数据包过大，则产生严重的噪音，因此系统终端要求接收到的语音数据IP包不能过大，设计中终端处理IP包的大小为128个字节，这样当服务器端录音缓冲区满时，需要对数据进行分割，封装成IP数据包，然后再发送。这里要采用广播地址。在局域网内实现广播，只需将IP地址中主机部分设为全1，本设计中IP广播地址设为192.168.1.255。

广播系统可以有多个广播终端，既可实现全区域的广播，还可以实现局域广播，即对指定的终端进行广播。要实现对指定的终端的广播，服务器端必须知道各个终端的IP地址，然后才能实施对应的广播。考虑到终端数量不多而且是在相对固定的局域网中，采用静态IP地址分配，其特点是IP地址对每一台计算机都是固定的。可以将各个终端的IP地址写入一个配置文档，如：“IPADDR.txt”。服务器首先读取配置文档中的IP地址，将终端IP地址与服务器端的终端号进行绑定，然后每次选定广播终端时也得到了对应终端的IP地址，即可实现区域广播了。另一方面，也必须使终端能够判断出所接收到的IP包是不是发给自己的。是则存储并转发给音频解码器；不是则丢弃。可以在IP包头进行设置，广播终端根据IP数据包包头来判断数据是否发给自己。IP数据包采用广播包的形式进行数据传输。

可以将广播的内容保存下来以便在以后可以使用。本设计对每次广播的内容进行了存储，存储文件设置为Record.wav。每次录音缓冲区满时，即将IP广播包发送出去，同时对其进行存储，在文件末尾将数据写入文件，并改变文件的长度。

广播终端的设计：要实现FPGA与以太网的通信，可以将FPGA终端设计为一个嵌入式系统，即采用基于FPGA的嵌入式系统实现以太网的互联。可以利用Xilinx的MicroBlaze微处理器软核和相应的外设，通过Xilinx EDK搭建系统所需的软硬件平台，完成嵌入式系统的设计。FPGA控制着以太网物理层的操作，内置一个符合MII标准的以太网控制器MAC，FPGA通过MII连接到开发板上的LAN83C185 Ethernet PHY，以便和以太网进行通信，接收以太网发送给本终端的IP数据包，进行存储，并转发给音频解码芯片进行播放。

硬件部分：
硬件电路结构分为两个部分，基于Spartan 3E开发板的音频数据接收模块和音频解码模块。

Xilinx Spartan 3E开发板上的XC3S500E FPGA作为控制芯片，在EDK中配置MicroBlaze微处理软核作为CPU，配置FPGA内置Ethernet MAC IP核（MAC是EDK开发平台的一部分），外部存储器采用DDR SDRAM，采用Xilkernel嵌入式操作系统和LwIP协议栈，构建一个完整的嵌入式系统实现以太网互联。

硬件结构图如图5所示：


图5 硬件结构图
MicroBlaze微处理器软核是可嵌入在FPGA中的RISC处理器软核，采用哈佛结构的32位指令和数据总线，具有运行速度快、占用资源少、可配置性强等优点，支持CoreConnect总线，和其他外设一起可以完成可编程片上系统的设计。特征：32个32位通用寄存器和2个专用寄存器；32位指令系统，支持3个操作数和2种寻址方式；分离的32位指令与数据总线，符合IBM的OPB总线规范；通过本地存储器总线（LMB）直接访问片内块存储器；具有高速的指令和数据缓存（cache），三级流水线结构；具有硬件调试模块；带8个输入输出快速链路接口。