采用DS80C400建立網(wǎng)絡(luò )多媒體應用

網(wǎng)絡(luò )型有線(xiàn)擴音(PA)系統的建立

1 常用或傳統的PA系統
PA系統是用于尋呼/內部通信和擴音的系統，其擴音系統有兩個(gè)主要部件，即放大器和揚聲器，其組成見(jiàn)圖1示意框圖，一個(gè)放大器帶4個(gè)16Ω的揚聲器，PBX(Private branch exchange) 用戶(hù)交換機是把外面的電話(huà)線(xiàn)接到某個(gè)建筑住宅或辦公室分機上，而PBX系統功能包括呼叫轉移、快速撥號、內部/外部尋呼和呼叫詳細記錄等。
PA系統工作時(shí),接線(xiàn)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”，或“主管人員請到化學(xué)品庫報到”，等等。對這類(lèi)系統人們常常采用傳統的獨立布線(xiàn)和基礎結構的技術(shù)就可實(shí)現了。
2 網(wǎng)絡(luò )型有線(xiàn)擴音(PA)系統

現在，如果將這個(gè)系統搬到網(wǎng)絡(luò )上則情況會(huì )有所不同，不僅可以省掉獨立的音頻布線(xiàn)，而且還可以使系統變得更加智能。這是由于尋呼系統已與各建筑物的訪(fǎng)問(wèn)控制系統或某個(gè)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器相連接，從而使接線(xiàn)員很方便知道某個(gè)人員所處的位置。而且，這種計算機化的網(wǎng)絡(luò )型PA系統還能夠自動(dòng)重復某個(gè)消息，從而使接線(xiàn)員能夠被解放出來(lái)去處理更多的呼叫。 更為新穎的是：系統亦可以接入公司范圍內的郵件系統，實(shí)現郵件到語(yǔ)音的轉換服務(wù)；或者通過(guò)一個(gè)能夠輸入傳呼請求的網(wǎng)站發(fā)布消息，而無(wú)須人工干預。
那么怎樣才能建立這樣一種網(wǎng)絡(luò )型PA系統呢?首先，至少需要一臺運行WEB界面和電子郵件網(wǎng)關(guān)并帶麥克風(fēng)的服務(wù)器，我們稱(chēng)這臺服務(wù)器為主控服務(wù)器(Master control server)。下一步，需要一些揚聲器模塊，如DS80C400網(wǎng)絡(luò )型微控制器、具有能夠驅動(dòng)揚聲器的數模轉換器(DAC)。這些揚聲器單元的價(jià)格要求低廉，而且要求現場(chǎng)安裝相當容易。圖2為DS80C400網(wǎng)絡(luò )型微控制器內部結構組成框圖。

圖3展示了網(wǎng)絡(luò )型音視頻PA系統架構示意圖。該網(wǎng)絡(luò )型PA系統在兩座建筑物M與L之間實(shí)現網(wǎng)絡(luò )運行，它包括7個(gè)揚聲器單元和一個(gè)主控服務(wù)器；建筑物之間的網(wǎng)絡(luò )連接采用了一個(gè)路由器(Router)，而不是網(wǎng)橋。在本網(wǎng)絡(luò )型PA系統中，DS80C400網(wǎng)絡(luò )微控制器驅動(dòng)揚聲器單元。由于這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )型PA系統無(wú)須很高的帶寬和處理能力，因而該DS80C400控制器所具備的PC系統的處理能力和存儲資源足以支撐系統運行。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?xún)忍峁﹥?yōu)異的話(huà)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(luò )型PA系統的性能價(jià)格比。

圖4為該類(lèi)網(wǎng)絡(luò )型音頻系統的相對帶寬需求示意圖。圖4中所示的剖面線(xiàn)為網(wǎng)絡(luò )型音頻PA系統帶寬區域,說(shuō)明該類(lèi)網(wǎng)絡(luò )型音頻系統的音頻帶寬只需要0.25Mbps, 即使在早期的網(wǎng)絡(luò )(半雙工式)10Mbps上（見(jiàn)圖4坐標縱軸），相對于本網(wǎng)絡(luò )型PA系統具備5Mbps有效帶寬的容量來(lái)說(shuō)，那音頻帶寬(0.25Mbps)也僅使用了其中5％的容量。與當今的大多數以太網(wǎng)帶寬需要100Mbps相比，顯得極低，大大節省了容量。
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(luò )PHY(開(kāi)放系統互連)、DAC、放大器和揚聲器。為此，通過(guò)下列技術(shù)簡(jiǎn)化了安裝和代碼的分發(fā)：
● 通過(guò)DS80C400網(wǎng)絡(luò )微控制器所配備的網(wǎng)絡(luò )引導方式“NetBoot”, 并由NetBoot采用DHCP(動(dòng)態(tài)主配置協(xié)定)和TFTP（普通文件傳送協(xié)定）網(wǎng)絡(luò )協(xié)議獲取IP地址和裝載程序數據，降低了安裝和配置成本；
● 以太網(wǎng)供電（見(jiàn)圖3上下二橫圓形粗線(xiàn)所示，以太網(wǎng)電纜）簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，降低了材料成本。
上電后，DS80C400 ROM通過(guò)DHCP(動(dòng)態(tài)主配置協(xié)定)獲取IP地址，接著(zhù)查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )，以獲取最新版的應用程序。應用程序執行后，系統就準備接收音頻數據。在現場(chǎng)找一個(gè)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(jiǎn)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(jiàn)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(jiǎn)單的消息廣播。一個(gè)新的揚聲器必須發(fā)送組播消息，直到主控服務(wù)器確認了該揚聲器的位置和參數。一個(gè)新的揚聲器系統事先無(wú)法知道主控服務(wù)器的位置，因而也需要發(fā)送組播消息來(lái)請求主控器確認自己。如果考慮安全問(wèn)題，則交換信息可以采用數字簽名，以排除那些冒充服務(wù)器的系統。一旦采用傳統的單播消息配置后，該揚聲器單元就加入一個(gè)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(gè)源發(fā)往一個(gè)目標的單播數據包，允許多個(gè)目標主機接收相同的數據，從而消除了重復傳輸，節省了帶寬。在網(wǎng)絡(luò )中，組播包采用一類(lèi)特殊的目標IP地址，稱(chēng)之組播群網(wǎng)絡(luò )。
PA系統的范例程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。要說(shuō)明的是除join( )之外，這些編寫(xiě)步驟對于那些為T(mén)CP／IP網(wǎng)絡(luò )編寫(xiě)代碼的程序員來(lái)說(shuō)，應該是相當熟悉的。
5 關(guān)于以太網(wǎng)供電
要將設備連接到網(wǎng)絡(luò )中需要給網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)上。解決這個(gè)問(wèn)題有多種方法，最為常見(jiàn)的是IEEE 802.3af標準，規定將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(huà)系統，因此配線(xiàn)柜中通常已帶了這個(gè)電源。為了能夠應用于網(wǎng)絡(luò )型微控制器，電源必須降壓至某個(gè)合適的水平。
6 文本到語(yǔ)音
使用麥克風(fēng)記錄現場(chǎng)語(yǔ)音或播放存儲在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上的錄音，是應用網(wǎng)絡(luò )型PA系統的方式之一。另外―種是利用接收自電子郵件、WEB頁(yè)或蜂窩電話(huà)短消息業(yè)務(wù)的文本廣播消息。
為系統添加語(yǔ)音合成非常容易,轉換可以直接在主控服務(wù)器上進(jìn)行，利用文本到語(yǔ)音轉換引擎從輸入文本產(chǎn)生音頻波形，然后就可以將這個(gè)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(wú)須作任何改動(dòng)。文本到語(yǔ)音轉換引擎已廣泛應用，并且已經(jīng)成為有些操作系統(例如Mac OSX)的組成部分。
7 娛樂(lè )級音頻

如果音頻采樣以非壓縮方式傳輸，則CD音頻就會(huì )遇到問(wèn)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(luò )帶寬(幾乎占了10Mbps網(wǎng)絡(luò )的30％)，已經(jīng)超出了許多網(wǎng)絡(luò )可提供的帶寬。
MP3這樣的壓縮算法能夠降低數據速率，由此大大提高網(wǎng)絡(luò )負載能力，使系統切實(shí)可行。配合硬件解壓縮芯片，DS80C400能夠輕松完成任務(wù)。事實(shí)上，36MHz的時(shí)鐘速率足以連續播放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(gè)廉價(jià)的照相機每秒獲取一個(gè)快照，并傳送到網(wǎng)上用于顯示和存儲。服務(wù)器端的后處理可完成運動(dòng)監視并警示保安人員，比較好的照相機選擇是現代的蜂窩電話(huà)――它們不僅小巧、廉價(jià)而且隨處可得，大多采用一種串行協(xié)議進(jìn)行通信，但不同的制造商也可能采用不同的通信協(xié)議。
實(shí)驗表明，無(wú)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(huà)音級的音頻。對于那些熟悉Unix網(wǎng)絡(luò )編程的人來(lái)說(shuō)，closesocket( )就是close( )。DS80C400版本的close( )函數由文件系統使用，與Windows系統一樣，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。
相機系統提供給DS80C400的時(shí)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(gè)系統的成本，同時(shí)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(lái)講還是一個(gè)很好的波特率發(fā)生器。
9 網(wǎng)絡(luò )門(mén)
將安防照相機與雙向音頻、按鈕和蜂鳴器等結合在一起是很容易做到的。這樣的系統允許我們建造一個(gè)網(wǎng)絡(luò )門(mén)(見(jiàn)圖5)。應用是無(wú)止境的，尤其是與訪(fǎng)問(wèn)控制和安全登錄等結合在一起時(shí)。對于DS80C400來(lái)說(shuō)，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(guò)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和內置于DS80C400的1-Wire主控制器接口，很容易在網(wǎng)絡(luò )門(mén)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(jiǎn)化任務(wù))。
注意：像網(wǎng)絡(luò )門(mén)這樣的系統可能需要完成多種處理(或任務(wù))，DS80C400 ROM包含了一個(gè)任務(wù)調度器。下面實(shí)例說(shuō)明了如何在C語(yǔ)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，如task_fork( )，通過(guò)復制當前任務(wù)，創(chuàng )建一個(gè)新的任務(wù)。Task_kill ( )取消一個(gè)任務(wù),以及task_suspend( )掛起一個(gè)任務(wù)。

總結
可以采用多種方法開(kāi)發(fā)DS80C400的應用軟件。若想快速評估方案，可以考慮采用Java語(yǔ)言和TINI運行環(huán)境。對于那些要求考慮每個(gè)指令周期的應用，最好采用最優(yōu)化的匯編語(yǔ)言。
在本文中，我們采用了C語(yǔ)言。Keil C編譯器支持DS80C400連續的24位尋址模式，允許高達16MB的代碼/數據存儲空間。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(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)者工具中(PK51)。
Dallas Semiconductor公司提供接口至DS80C400內部網(wǎng)絡(luò )棧的C庫文件。在Dallas Semiconductor的ftp網(wǎng)站：ftp://ftp.dalsemi.com/pub/tini/ds80c400/上，可以找到該庫文件，以及一份使用Keil開(kāi)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(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )編程．例如，創(chuàng )建兩個(gè)TCP連接已簡(jiǎn)化為全球皆知的socket( )和connect ( )順序調用。