CN103217938A - 一种实现音频远程存取和播放的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种实现音频远程存取和播放的控制系统，该系统采用RT-ThreadRTOS开发，利用该系统的文件系统和 TCP/IP协议栈完成文件的读取和传输功能；该操作系统包括：用来驱动底层硬件的底层硬件驱动程序模块；和CPU和电路板相关的板级支持包；覆盖全抢占式的实时操作系统内核模块；与底层具体实现无关的上层应用模块。本发明可以利用场所现有的电力线来安装系统，不需要重新布线，提高安装效率，并且节省用户成本。

Description

一种实现音频远程存取和播放的控制系统

技术领域

本发明涉及一种通过电力线传输音频信号、并对音频信号的存取和播放进行控制的系统，并尤其涉及一种实现音频远程存取和播放的控制系统。

背景技术

随着生活的提高，人们对于音乐的爱好渐渐成为生活中不可缺少的一部分，在家里、在酒店、在其他公共场所，不仅希望随时随地听到音乐，还希望能够方便的享受到自己喜爱的音乐。

目前楼宇音频系统有采用音频线连接方案的，也有采用无线射频方案的。它们都有各自的缺陷：采用音频线连接方案在实际布置时要重新拉很长的连线，还要外接附属的电源适配器，一旦变换位置，又要重新布置，十分不便。基于WIFI等射频方式的无线射频方案一方面存在射频辐射，另一方面穿墙能力比较弱，不能覆盖到每一个角落。

在信号传输领域中，已经有利用电力线进行数据传输的技术，例如CN101707571A。使用电力线的优点是可以解决重新拉线的问题，并且其没有无线通信技术中的延迟，无死角覆盖，无射频辐射，等等。但目前该技术还没有被用于楼宇音频传输系统中，所以未能解决音频系统中重新布线的问题。原因是需要解决程控系统、方法以及设备等各方面的技术问题。

发明内容

本发明针对上述背景技术中存在的技术问题，提出一种实现音频远程存取和播放的控制系统。

本发明解决的技术问题包括：在住宅或办公建筑等需要播放音频数据的场所，充分利用已有的电力线来传输音频信号，并且实现音频的远程存取和播放。

本发明的技术方案如下：

一种实现音频远程存取和播放的控制系统，该系统采用RT-Thread RTOS开发，利用该系统的文件系统和 TCP/IP协议栈完成文件的读取和传输功能；该操作系统包括：用来驱动底层硬件的底层硬件驱动程序模块；和CPU和电路板相关的板级支持包；覆盖全抢占式的实时操作系统内核模块；与底层具体实现无关的上层应用模块。

其中，所述底层硬件选自包含CPU、SRAM、UART在内的多种硬件模块。

其中，所述板级支持包涉及到不同硬件的软件驱动。

其中，所述内核包括设备驱动、时钟管理、线程通信、进程管理。

其中，上层应用模块包括TCP/IP协议栈、以及多窗口多线程图形用户界面、音源服务器程序模块、播放终端程序模块。

其中，所述音源服务器程序模块是主机程序模块，其从FAT文件系统的TF卡中读取音频文件数据，通过STM32F107的MII接口将数据传输到AR7400，发送到寻址的从机。

其中，该主机程序模块建立UDP服务器，通过UDP方式将音频文件数据传输到从机。

本发明的有益效果在于：

采用本发明的中央音源服务器，可以将设备供电、设备通信集成在一起，用户可以在家庭任何一个电线到达的地方播放自己喜欢的音乐，可以外置也可以内置，解决了传统冗余繁杂的接线难题；同时，也能实现灯光控制、各终端之间相互访问和语音对讲的功能。

本发明系统采用电力载波传输，传输的是音频数据文件，数据通过TCP方式可靠传输，丢失后会自动重传，保证音频数据文件准确传到对端，相比于传统的模拟信号传输方式，由于不存在传输时信号衰减失真的问题，播放质量高。

本发明音源服务器和播放终端尺寸小，节省空间，并且方便连接和嵌入到其它电力设备；并降低成本。

本发明遥控设备电路简单，节省一对红外收发芯片及其周边附属器件，减少成本。

附图说明

图1是本发明实施例的系统连接示意图。

图2是本发明实施例的音源服务器原理示意图。

图3是本发明实施例的房间播放终端原理示意图。

图4是本发明实施例的ACDC模块与高速电力模块在电力线端交汇时的连接方式。

图5是本发明实施例的ACDC原理示意图。

图6是本发明实施例的智能遥控终端原理示意图。

图7是本发明实施例的软件系统层级结构图。

图8是本发明实施例的UART接收红外数据的软件流程图。

图9是本发明实施例的服务器工作流程图。

图10是本发明实施例的播放终端工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例进行详细描述，以使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于电力线的音频远程存取和播放系统，系统利用已有的电力线，集系统供电与通信于一体。该系统包括电力线、一个音源服务器、多个房间播放终端、多个智能遥控设备。

电力线包括一条零线和一条火线。音源服务器和房间播放终端都是通过两脚插头连接到电力线的两条线上，由此，播放终端能够通过电力线与音源服务器相连接进行通信。所述遥控设备对播放终端进行控制。

音源服务器包括ACDC电源模块、中央处理模块、存储模块、高速电力载波模块、交互模块。各模块连接方式如图2所示，其中ACDC电源模块负责将交流电转化成直流电，提供给其他几个模块使用；中央处理模块是音源服务器的核心，负责调度整个音源服务器的工作，存储模块、高速电力载波模块和交互模块都是其的附属模块，存储模块是用于存放音源文件的存储设备，高速电力载波模块负责解析电力线上的数据或把数据耦合到电力线上，交互模块用于接受用户控制信息并显示音源服务器状态信息；所述音源服务器响应所述播放终端的请求，发送音频数据给播放终端、或从音源服务器接受音频数据。

音源服务器的ACDC电源模块采用反激式电源开关电路，开关电路结构如图5所示，输入85V-265V交流电，标准输入220V交流，通过整流桥输入整流，经高频变压器变压，再经输出高频滤波，变成直流电，辅助反馈电路达到直流稳定输出。高频变压器设一个初级输入端和一个次级输出端，实现电路单路输出直流11.4V，交流电通过电源模块的高频变压器装置其电路通过ACDC转换后单路输出直流11.4V，再由11.4V降压到3.3V给整个电路供电，总输出功率5W。ACDC模块采用基准稳压器和隔离光电耦合器组成的隔离反馈电路，通过稳定的基准输出保证11.4V稳定输出。

音源服务器的中央处理模块采用Cortex-M3 ARM处理器来处理整个电路的数据，控制其他模块工作。

音源服务器的存储模块是存放音频文件的模块，例如可以是TF卡、U盘等。中央处理模块利用中央处理芯片外围接口去读取存储模块获取音频数据。中央处理模块还可以通过扩展的RJ45口连接到外部以太网，获取指定网址上音频文件。

音源服务器的高速电力载波模块由模拟前端调制解调芯片和数字后端处理芯片组成。在数据接收时模拟前端调制解调芯片负责将数据信号从电力线上解调出来然后传递到数字后端芯片处理，最后通过MII口发送给中央处理模块解析；在数据发送时，中央处理单元将数据通过MII口发送给数字后端芯片处理，然后传递给模拟前端芯片调制到电力线上。数据信号的调制解调是通过电力线载波变压器耦合到电力线上的。

中央处理模块的处理芯片和高速电力载波模块的数字后端芯片直接通过MII接口连接，中央处理模块工作在MII MAC模式，高速电力载波模块工作在MII PHY模式。这种工作模式与传统电力猫的RJ45连接方式相比，省去了两套PHY，两套网络变压器和两个RJ45口以及周边附属器件。

音源服务器的高速电力载波模块和ACDC电源模块在设备的末端交汇，连接关系如图4所示。ACDC模块工作时产生的高频噪声信号耦合到电力线上，同高速电力载波模块传输的数据信号叠加，直接影响数据传输的准确性，同时在电源输入端为防止浪涌损坏器件，需要接安规电容，这种电容的容性会导致耦合到电力线的通信信号变形，带来整个传输线路带宽下降，所以在交汇末端两个模块通过隔离电感L1、L2进行隔离，即在信号端和电源端的零线和火线上各加一个10uH到100uH的电感，隔离掉ACDC模块产生的噪声和安规电容对电力线上数据的影响。

音源服务器的交互模块采用八键电容式触摸芯片。所述交互模块还可以包括触摸按键和LCM液晶显示屏，以方便用户直接对音源服务器控制而不是通过遥控设备来控制。

如图3所示，播放终端包括ACDC电源模块、中央处理模块、高速电力载波模块、音频编解码模块、红外收发模块、音频输入模块、功放模块和喇叭，也可以选择性地包括设备控制模块。其中ACDC模块、中央处理模块、高速电力载波模块功能及使用方式同音源服务器一致，音频编解码模块、设备控制模块、红外收发模块也是中央处理模块的附属模块，音频编解码模块主要负责音频数据的编码和解码，它还有两个附属模块：功放模块和音频输入，功放模块负责将音频解码后的声音信号放大驱动喇叭播放，音频输入模块可以外接麦克风，对讲的语音信号进入音频编解码模块进行编码传输到另一端并且可以输出到音源服务器保存。设备控制模块可以控制嵌入播放终端的设备如插座、灯具等的电源。

播放终端的ACDC电源模块采用反激式电源开关电路，工作原理同服务器端ACDC模块一样，不同的是高频变压器设一个初级输入端和两个次级输出端，实现电路双路输出直流11.4V和3.3V，总输出功率12W，隔离反馈电路设为3.3V一路，保证3.3V稳定输出， 11.4V一路是跟随输出端，其实际输出电压随着负载变化波动很大，在本终端中11.4V一路为模拟前端芯片和功放芯片提供电源，随着工作模式的不同，负载变化就会很大。为保证输出稳定，在变压器次级输出端各预留一个nH级电感，用于调整次级漏感，达到减少11.4V输出端误差的目的。

播放终端的中央处理模块也采用Cortex-M3 ARM处理器来处理整个电路的数据，控制其他模块工作。

播放终端的音频编解码模块通过SPI接口同中央处理模块相连，主要负责音频数据的编码和解码，可以解码MP3、WAV等格式的音频文件，音频编解码模块它还有两个附属模块：功放模块和音频输入，功放模块负责将音频解码后的声音信号放大驱动喇叭播放，该功放可驱动4、8欧的喇叭，功率6W以上。音频输入模块可以外接麦克风，对讲的语音信号进入音频编解码模块进行编码传输到另一端并且可以输出到音源服务器保存。

选择性包括的灯光控制模块是当播放终端与灯连接时，用于控制灯光。其采用固态继电器，该固态继电器内部采用可控硅用电子切换，工作时不会产生电火花，使用寿命长。

红外收发模块利用中央处理芯片模拟实现，UART_RX接收红外数据，波特率为9600，UART_TX发送红外数据，波特率为115200。

如图6所示，智能遥控设备是控制房间播放终端的辅助设备，主要作用是用于人机交互，用于发送控制命令和显示播放信息。其主要由MCU处理模块、液晶显示模块、红外收发模块组成。MCU选用AVR Mega16，红外收发通过MCU UART模拟实现，UART_RX接收红外数据，波特率为9600，UART_TX发送红外数据，波特率为115200，接收到播放信息后驱动液晶显示模块LCM12864显示。

如图7所示，本发明基于电力线的音频远程存取和播放系统采用RT-Thread RTOS开发，利用该系统的文件系统和 TCP/IP协议栈完成文件的读取和传输功能。

该操作系统包括：用来驱动底层硬件的底层硬件驱动程序模块；和CPU和电路板相关的板级支持包；覆盖全抢占式的实时操作系统内核模块；与底层具体实现无关的上层应用模块。底层硬件包括CPU、SRAM、UART等常用硬件模块，板级支持包涉及到不同硬件的软件驱动，内核包括设备驱动、时钟管理、线程通信、进程管理等处理。上层应用模块包括TCP/IP协议栈、以及多窗口多线程图形用户界面、音源服务器程序模块、播放终端程序模块。

其中，音源服务器程序模块是主机程序模块，是从FAT文件系统的TF卡中读取音频文件数据，通过STM32F107的MII接口将数据传输到AR7400，发送到寻址的从机。该主机程序模块建立UDP服务器，通过UDP方式将音频文件数据传输到从机。

音源服务器程序模块的主要设计思路如下：

1．初始化文件系统和TCP/IP协议栈。

2．使用UDP方式建立UDP服务器，针对每一个客户播放终端建立一个服务器线程。

3．搜索TF卡、U盘音频目录下的所有音频文件，并编号和记录文件名。

4．初始化与客户播放终端的命令交互协议。

5．等待客户播放终端发送获取音频数据请求。

播放终端程序模块是从机程序模块，其建立UDP的客户机，同时根据用户的遥控控制来给主机发送请求，从而获得主机传输来的音频文件数据。从机收到音频文件数据后，缓存一包数据，然后通过SPI接口传送到音频解码芯片，由解码芯片恢复出音频。

房间播放终端的主要设计思路如下：

1．初始化TCP/IP协议栈。

2．使用UDP方式建立UDP客户机，针对服务器建立一个客户机进程。

3．初始化音频编解码芯片VS1003。

4．初始化与服务器端的命令交互协议。

5．等待用户的操作命令。

主机和从机都支持命令行配置方式，可以通过板上的调试串口进行操作，一些主要功能均有命令行的支持，方便调试。

本发明的服务器处理播放终端请求信息，其流程控制如图9所示。上电完成初始化后，开启UDP服务器提供DHCP服务，主机通过控制进程时间片不断监听电力线上有无新的播放终端加入或已有播放终端数据请求。一旦收到某播放终端信息，对信息进行解码判断，如果是已有播放终端的播放请求，则解析该播放终端的IP和具体指令信息，为该IP分配传输进程，进行传输；若果收到的是一个新的播放终端加入了电力线网络，则为该播放终端分配一个空闲的IP并将这个IP广播给电力线上的其它播放终端。

本发明的播放终端流程控制如图10所示。上电完成初始化后，给服务器发送分配IP地址请求，接收主机分配一个空闲的IP，然后等待用户或电力线上其它终端的命令请求；收到请求后解析请求内容，如果收到的是用户的交换信息，则判定该信息是本地控制信息(如音量控制、设备电源控制)还是远端请求信息(如从服务器获取音频数据)，如果是本地控制信息则直接由本机中央处理单元进行处理，如果是远端请求信息则向主机发送请求命令，等待接收主机连续帧音频数据。在接收每帧数据过程中，如果数据校验不正确则请求重发。在多终端的网络中，同时可能存在多个播放请求，服务器为每个终端分配传输进程，通过时间片去轮流传输，而不是等待一个传输播放完成再传另一个，流程控制设定每个终端一个固定的512字节Buffer，每接收完512字节后传给音频编解码模块去解码播放，同时让服务器传输下一帧。如果中间没有别的请求命令打断，这个传输进程一直进行下去。一旦收到别的播放终端对讲请求，响应该请求，并建立传输连接，接收到的音频数据进行解码播放，如果应答则将音频信号编码传输到对端。

本发明的播放终端和智能遥控的中央处理芯片本身都自带UART口，可以实现红外数据的编解码。发送数据时用UART TX来模拟38KHz载波，把串口设为115200的波特率，数据位是7 bit，无校验位和1 stop bit ，总共是9个bit，然后连续发送数值0x5B 就可以得到38kHz，占空比为2/3 的载波。用一个PNP 三极管来驱动，那送到红外线发射二极管的就是占空比为1/3 的载波信号。发送完数据后把波特率改成9600,数据位改为8bit，利用UART RX中断接收数据，接收数据的软件处理流程如图8所示，在收到一个完整的红外遥控信号过程中，UART RX会不停的进入中断，整个过程持续约108ms，并能采样到33个以上的数据，所以在接收到第一个中断后开启定时器，定时110ms，在这么长得时间内，如果能收到5个以上数据证明这是一个有效的红外波形而不是干扰。如果是有效的就去处理110ms内接收到的所有数据，如果数据位0代表接收到了一个bit为1的遥控数据，如果数据位不为0则代表接收到一个bit为0的数据。然后将这些bit位组合起来就是接收到的红外解码值。

本发明的基于电力线的音频远程存取和播放系统工作方式大体如下：音源服务器用于存放大量音源文件，音频编解码工作在房间播放终端进行，用户通过智能遥控终端查看音源服务器的音源列表，选择播放。为保证获取数据的正确有效，整个系统通信采用TCP/IP协议，音频服务器端建立UDP服务，为所有在线的房间播放终端建立服务器进程提供服务，每个进程对应一个播放终端的数据传输服务，房间播放终端识别用户的遥控请求后，从音源服务器获取相应音源数据，将接收到数据进行解码并经过功放模块驱动内置的喇叭播放。

应当理解的是，本领域技术人员利用普通技术知识和/或其它现有技术对本发明做出的替代和变型都不脱离本发明构思。

Claims (7)

1.一种实现音频远程存取和播放的控制系统，该系统采用RT-Thread RTOS开发，利用该系统的文件系统和 TCP/IP协议栈完成文件的读取和传输功能；该操作系统包括：用来驱动底层硬件的底层硬件驱动程序模块；和CPU和电路板相关的板级支持包；覆盖全抢占式的实时操作系统内核模块；与底层具体实现无关的上层应用模块。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述底层硬件选自包含CPU、SRAM、UART在内的多种硬件模块。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述板级支持包涉及到不同硬件的软件驱动。

4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述内核包括设备驱动、时钟管理、线程通信、进程管理。

5.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，上层应用模块包括TCP/IP协议栈、以及多窗口多线程图形用户界面、音源服务器程序模块、播放终端程序模块。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述音源服务器程序模块是主机程序模块，其从FAT文件系统的TF卡中读取音频文件数据，通过STM32F107的MII接口将数据传输到AR7400，发送到寻址的从机。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，该主机程序模块建立UDP服务器，通过UDP方式将音频文件数据传输到从机。

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