CN111083290A - 一种背景音乐播放终端和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背景音乐播放终端和系统。系统包括播放终端和智能手机，播放终端包括有线网络接口、两个微处理器、两个音频解码器、无线局域网通信模块，通道切换器、功率放大电路和喇叭接口。第一微处理器的输入端接有线网络接口，第一微处理器的输出端接第一音频解码器；第二微处理器的输入端接无线局域网通信模块，第二微处理器的输出端接第二音频解码器；第一音频解码器的输出端接通道切换器的第一输入端，第二音频解码器的输出端接通道切换器的第二输入端；通道切换器的输出端通过功率放大电路接喇叭接口；通道切换器的控制端接第一微处理器，第二微处理器与第一微处理器通信连接。本发明可以方便地播放智能手机的独立音源。

Description

一种背景音乐播放终端和系统

[技术领域]

本发明涉及公共广播系统，尤其涉及一种背景音乐播放终端和背景音乐播放系统。

[背景技术]

在一些特定的场所，比如商场、办公楼等，播放背景音乐能够使人心情愉悦，促进听众的身心愉悦，提高听众的生活、生产质量。当前现有的很多公共广播系统都具有播放背景音乐的功能，它们一般具有如下形式：由电脑、多个音频终端、交换机等构成一个局域网络。在电脑上操作应用软件选择想要播放的音频文件，通过局域网络，将文件数据分包发送给播放终端，播放终端收到音频数据包后解码输出模拟音频信号给功率放大器，由此驱动喇叭工作。

但是，在如上所描述的一般公共广播系统中，当某一个终端播放所处区域需要通过智能手机播放独立的音源，同时又想要利用现有系统中扩音设备，使播放的音频信号能覆盖所处区域，比如一个学校某个教室的教师需要利用教室内背景音乐播放终端播放自己的音频文件。这时，现有的系统无法满足这种需求。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种便于播放智能手机独立音源的背景音乐播放终端。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种便于播放智能手机独立音源的背景音乐播放系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种背景音乐播放终端，包括有线网络接口、第一微处理器、第一音频解码器、无线局域网通信模块，第二微处理器、第二音频解码器、通道切换器、功率放大电路和喇叭接口，第一微处理器的输入端接有线网络接口，第一微处理器的输出端接第一音频解码器；第二微处理器的输入端接无线局域网通信模块，第二微处理器的输出端接第二音频解码器；第一音频解码器的输出端接通道切换器的第一输入端，第二音频解码器的输出端接通道切换器的第二输入端；通道切换器的输出端通过功率放大电路接喇叭接口；通道切换器的控制端接第一微处理器，第二微处理器与第一微处理器通信连接。

以上所述的背景音乐播放终端，无线局域网通信模块和第二微处理器是内置WIFI模块的微处理器。

一种背景音乐播放系统，包括以上所述的背景音乐播放终端和智能手机，背景音乐播放系统实现无线网络音频文件播放时，包括以下步骤：

301)智能手机与背景音乐播放终端建立无线连接；

302)背景音乐播放终端的第二微处理器向第一微处理器发送切换命令，第一微处理器控制通道切换器改变输入通道；

303)智能手机向背景音乐播放终端发送音频数据，由背景音乐播放终端进行播放。

以上所述的背景音乐播放终端，背景音乐播放系统实现无线网络音频文件播放时，包括以下步骤：

401)在步骤301中，背景音乐播放终端的第二微处理器初始化无线局域网通信模块的无线网络接口芯片，设置其为无线节点访问模式，设置其服务器标识、加密方式及密码；智能手机加入背景音乐播放终端开放的WIFI网络；在第二微处理器内建立TCP服务器和UDP服务器，智能手机应用软件建立TCP客户端和UDP客户端，然后连接第二微处理器的TCP服务器；

402)在步骤302中，当想要播放智能手机中的MP3音频文件时，智能手机应用程序利用TCP协议发送切换音源命令给第二微处理器；第二微处理器收到切换音源命令后，使用串口通信给第一微处理器发送切换通道命令，并等待第一微处理器的回复；第一微处理器收到切换通道命令后，控制通用输入输出端口改变通道切换器的输入输出通道，并给第二微处理器回复通道已切换命令；第二微处理器收到第一微处理器通道已切换命令后，给智能手机发送准备就绪的应答；

403)在步骤303中，智能手机应用软件使用TCP协议给第二微处理器发送开始播放音频文件命令；智能手机应用软件读取需要播放的MP3格式的音频文件，按照MP3音频文件内数据帧的比特率使用UDP广播发送音频数据；第二微处理器收到开始播放背景音乐命令后，复位相关标志及第二音频解码器；第二微处理器从UDP服务器端口收到MP3音频数据文件后，存入缓存，当缓存数量超过一定程度后，置位相关标志；第二微处理器检查相关标记，如果相关标记已经置位，则向第二音频解码器发送音频数据。

本发明兼容现有的公共广播背景音乐播放系统，实现了利用智能手机通过无线通信播放音频文件，同时利用了现有系统的扩音设备，节省了硬件设备支出，使背景音乐播放应用更加灵活，满足了一些应用情景下的需要。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例背景音乐播放系统的原理框图。

图2是本发明实施例背景音乐播放终端的原理框图。

[具体实施方式]

本发明实施例背景音乐播放系统的结构如图1所示，包括PC机、交换机、多个背景音乐播放终端和多个智能手机，背景音乐播放终端通过网线接交换机，交换机接PC机。多个播放终端、交换机、PC机组成传统的背景音乐播放系统。

背景音乐播放终端包括有线网络接口、微处理器1、音频解码器1、无线局域网通信模块，微处理器2、音频解码器2、通道切换器、功率放大电路和喇叭接口，微处理器1的输入端接有线网络接口，微处理器1的输出端接音频解码器1；微处理器2的输入端接无线局域网通信模块，微处理器2的输出端接音频解码器2；音频解码器1的输出端接通道切换器的第一输入端，音频解码器2的输出端接通道切换器的第二输入端；通道切换器的输出端通过功率放大电路接喇叭接口；通道切换器的控制端接微处理器1，微处理器2与微处理器1通信连接。

通过无线局域网通信模块，播放终端与智能手机组成一个无线局域网络，播放终端能接收手机的指令和音频数据。

当背景音乐播放终端接收到手机的特定指令后，播放终端能将音频解码通道切换至无线音频通道，然后开始接收手机发送的音频数据包并解码播放。

有线网络接口芯片选择DP83848，DP83848是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的Mbps单路PHY(物理层)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口)。

微处理器1选择STM32F107。STM32F107是意法半导体推出的全新STM32互联型系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了高性能工业标准接口，包括SPI端口、通用输入输出端口以及以太网10/100物理层接口。DP83848与STM32F107的接口采用RMII接口。

无线局域网通信模块与微处理器2选用内置WIFI模块的微处理器ESP8266。ESP8266是中国乐鑫科技有限公司出品的产品。ESP8266集成了32位处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等。ESP8266与STM32F107之间采用串口通信，用于有线网络音频接收解码通道与无线网络音频接收解码通道之间的信息传输。

通道切换器选用74HC4051，74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器，带有3个数字选择端，1个低电平有效的使能端，8个独立输入/输出端和1个公共输入/输出端。将STM32F107的通用输入输出IO口连接74HC4051的数字选择端，使STM32F107作为音频通道切换的主控制端。无线网络音频接收解码通道有效时，ESP8266通过串口发送信息给STM32F107，使通道切换器切换到相应的通道。

音频解码器1和音频解码器2均选用芬兰VLSI Solution公司的VS1003。VS1003是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器。VS1003能解码MPEG 1和MPEG2音频层III(CBR+VBR+ABR)，支持MP3V格式音频数据流实时解码。

VS1003解码音频数据的一般步骤为，1)复位包括硬件复位和软件复位。拉低RST引脚可使硬件复位，软件复位则是通过设置VS1003内部MODE寄存器的SM_RESET位，使其为1。2)配置VS1003相关寄存器。3)通过串行数据接口给VS1003发送音频数据。发送数据过程中需要遵循一个原则，即先判断VS1003DREQ信号引脚，如果DREQ信号引脚为高，那么VS1003内存缓存至少可以接收32个字节的音频数据。每次发送数据前需要判断此条件。VS1003能自动识别音频数据格式，只要是VS1003支持的格式，它都能够解码并转换为模拟音频信号。

因为VS1003能自动解码MP3格式的文件，因此实现背景音乐播放功能时只需要控制好发送给VS1003的速度即可，VS1003内部具有0.5KB的数据RAM，但往往需要在微处理器软件中增加缓存，以保证VS1003音频解码播放过程中不会出现缺失数据和数据过多的问题。

通过网络(有线或无线)接收MP3音频文件，实时存储并解码播放是本发明的一个关键点。要说明其中的原理，先要介绍MP3文件的结构。

MP3文件大体上分为三个部分，ID3V2标签、音频数据、ID3V1标签。ID3V2标签位于MP3文件的首部，包含作者、作曲、专辑等信息，长度不固定。音频数据由一系列的数据帧构成，每个帧的长度可能固定，也可能不固定，由位率决定。每个音频数据帧都包括帧头、数据实体两部分。音频数据帧的帧头记录着MP3的位率、采样率、版本等信息。音频数据帧中的位率决定了该音频数据帧播放时持续的时间，利用音频数据帧中的位率信息间隔相同(针对位率保持不变的情况)或者不同(针对位率改变的情况)的时间，向接收端发送音频数据。接收端采用一定的缓存机制，就可以保证音频数据流的解码连续性和稳定性。

下面介绍利用上述硬件电路实现传统的背景音乐广播功能。

在PC操作终端建立TCP服务器和UDP广播客户端，对应的各个播放终端有线网络处理微处理器软件内运行TCP客户端和UDP广播服务器。当用户操作PC机，选择某个音频文件播放时，PC机操作终端发送TCP命令给各个播放终端，然后再利用UDP广播客户端发送音频文件数据给有线局域网络内的每一个播放终端。这里的音频文件数据指的是MP3编码格式的音频文件，MP3格式音频文件的比特率有可变比特率(VBR)、不变比特率(CBR)。对于CBR的文件，精准间隔一定的时间，使用UDP广播发送一定大小的数据。如使用Windows操作系统，系统提供timeSetEvent(设置时间事件)等应用程序接口(API)，实现本发明所需要的实时音频解码条件下的高精度定时器。比如CBR为128kbps的音频数据文件，那么可以每隔50ms发送800个数据给播放终端，保证播放终端在解码音频过程中不会缺少数据和数据过多。对于VBR的文件，则需要根据其变化的比特率动态更改间隔时间和发送数据大小。

对于播放终端，STM32F107上电后初始化音频解码器，初始化DP83848网络接口芯片，启动TCP客户端，UDP广播服务器，进入到等待状态，待收到播放背景音乐的TCP命令后，开始接收UDP广播数据，将接收到的数据存入缓存中，当接收数据大小超过一定阈值后，即开始循环查询VS1003的DREQ引脚，当DREQ为高，拉低VS1003数据片选信号，使用SPI接口给VS1003发送32个字节的数据。

利用上述硬件电路实现无线音频播放的处理流程如下：

手机操作端的软件处理流程与上述PC机操作端类似，区别在于手机操作启动TCP客户端，在播放终端内的微处理2内启动TCP服务器，手机启动UDP单播客户端。当想要播放手机内的音频文件时，使用TCP连接播放终端微处理器2内的TCP服务器，使用TCP协议发送开始播放命令。发送音频数据的过程与步骤与上面一致，根据不同比特率类型作不同的处理。

对于播放终端，ESP8266上电后初始化音频解码器，初始化无线网络接口，启动TCP服务器，UDP单播服务器。当收到手机操作端TCP连接，则不再处理其他TCP连接。在收到TCP开始播放命令后，使用串口通信给STM32F107发送通道切换命令，然后等待STM32F107完成通道切换后的回复命令。收到UDP数据后，将数据存入缓存中，当接收数据大小超过一定阈值后，即开始给音频解码器发送数据。

本发明实施例实现传统背景音乐播放的步骤如下:

1)PC端应用程序建立TCP服务器，UDP广播客户端。

2)播放终端中的微处理器1应用软件建立TCP客户端，并通过组建的有线局域网络连接PC端的TCP服务器。

3)播放终端中的微处理器1应用软件建立UDP广播服务器。

4)PC端应用软件使用TCP协议给所有连接的播放终端发送开始播放背景音乐命令。

5)PC端应用软件读取需要播放的MP3格式的音频文件，按照MP3音频文件内数据帧的比特率使用UDP广播发送适当大小的音频数据。

6)PC端应用软件发送完音频数据后，再使用TCP命令给所有连接的播放终端发送停止播放背景音乐命令。

7)微处理器1收到开始播放背景音乐命令后，复位相关标志及音频解码器1。

8)微处理器1从UDP服务器端口收到MP3音频数据文件后，存入缓存，当缓存数量超过一定程度后，置位相关标志。

9)微处理器1检查相关标记，如果相关标记已经置位，则向音频解码器1发送音频数据。

10)重复8)和9)。

11)微处理器1收到停止播放背景音乐命令后，向音频解码器1发送停止命令。清除相关标记和缓存。

本发明实现无线网络音频文件播放的步骤如下：

播放终端的微处理器2初始化无线网络接口芯片，设置其为无线节点访问模式(AP模式)，设置其服务器标识(SSID)、加密方式及密码。

1)手机加入播放终端开放的WIFI网络。

2)在微处理器2内建立TCP服务器和UDP服务器。

3)手机应用软件建立TCP客户端和UDP客户端，然后连接微处理2的TCP服务器。

4)当想要播放手机中的MP3音频文件时，手机应用程序利用TCP协议发送切换音源命令给微处理器2。

5)微处理器2收到切换音源命令后，使用串口通信给微处理器1发送切换通道命令。并等待微处理器1的回复。

6)微处理器1收到切换通道命令后，控制通用输入输出端口改变通道切换器的输入输出通道，并给微处理器2回复通道已切换命令。

7)微处理器2收到微处理器1通道已切换命令后，给手机应用程序发送准备就绪命令。

8)手机应用软件使用TCP协议给微处理器2发送开始播放背景音乐命令。

9)微处理器2收到开始播放背景音乐命令后，复位相关标志及音频解码器2。

10)微处理器2从UDP服务器端口收到MP3音频数据文件后，存入缓存，当缓存数量超过一定程度后，置位相关标志。

11)重复9)和10)。

12)微处理器2收到停止播放背景音乐命令后，向音频解码器2发送停止命令。清除相关标记和缓存。

13)手机播放完音频文件后，可根据需要，断开WIFI连接或者保持WIFI连接。

本发明以上实施例完全兼容了现有的公共广播背景音乐播放系统，实现了利用手机通过WIFI播放音频文件，同时利用了现有系统的扩音设备，节省了硬件设备支出，使背景音乐播放应用更加灵活，满足了一些应用情景下的需要。

Claims (4)

1.一种背景音乐播放终端，包括有线网络接口、第一微处理器、第一音频解码器、功率放大电路和喇叭接口，第一微处理器的输入端接有线网络接口，第一微处理器的输出端接第一音频解码器，其特征在于，包括无线局域网通信模块，第二微处理器、第二音频解码器和通道切换器；第二微处理器的输入端接无线局域网通信模块，第二微处理器的输出端接第二音频解码器；第一音频解码器的输出端接通道切换器的第一输入端，第二音频解码器的输出端接通道切换器的第二输入端；通道切换器的输出端通过功率放大电路接喇叭接口；通道切换器的控制端接第一微处理器，第二微处理器与第一微处理器通信连接。

2.根据权利要求1所述的背景音乐播放终端，其特征在于，无线局域网通信模块和第二微处理器是内置WIFI模块的微处理器。

3.一种背景音乐播放系统，其特征在于，包括权利要求1所述的背景音乐播放终端和智能手机，背景音乐播放系统实现无线网络音频文件播放时，包括以下步骤：

301)智能手机与背景音乐播放终端建立无线连接；

302)背景音乐播放终端的第二微处理器向第一微处理器发送切换命令，第一微处理器控制通道切换器改变输入通道；

303)智能手机向背景音乐播放终端发送音频数据，由背景音乐播放终端进行播放。

4.根据权利要求3所述的背景音乐播放终端，其特征在于，背景音乐播放系统实现无线网络音频文件播放时，包括以下步骤：

401)在步骤301中，背景音乐播放终端的第二微处理器初始化无线局域网通信模块的无线网络接口芯片，设置其为无线节点访问模式，设置其服务器标识、加密方式及密码；智能手机加入背景音乐播放终端开放的WIFI网络；在第二微处理器内建立TCP服务器和UDP服务器，智能手机应用软件建立TCP客户端和UDP客户端，然后连接微处理2的TCP服务器；

402)在步骤302中，当想要播放智能手机中的MP3音频文件时，智能手机应用程序利用TCP协议发送切换音源命令给第二微处理器；第二微处理器收到切换音源命令后，使用串口通信给第一微处理器发送切换通道命令，并等待第一微处理器的回复；第一微处理器收到切换通道命令后，控制通用输入输出端口改变通道切换器的输入输出通道，并给第二微处理器回复通道已切换命令；第二微处理器收到第一微处理器通道已切换命令后，给智能手机发送准备就绪的应答；

403)在步骤303中，智能手机应用软件使用TCP协议给第二微处理器发送开始播放音频文件命令；智能手机应用软件读取需要播放的MP3格式的音频文件，按照MP3音频文件内数据帧的比特率使用UDP广播发送音频数据；第二微处理器收到开始播放背景音乐命令后，复位相关标志及第二音频解码器；第二微处理器从UDP服务器端口收到MP3音频数据文件后，存入缓存，当缓存数量超过一定程度后，置位相关标志；第二微处理器检查相关标记，如果相关标记已经置位，则向第二音频解码器发送音频数据。

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