CN201986094U - 多路音频任意交换、混音的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多路音频任意交换、混音的装置，属多媒体教育设备技术领域。由服务器PC、主控机和终端机组成。服务器PC是一个带有USB接口的计算机，负责设置系统参数；主控机集成有USB接口芯片和多片FPGA芯片，芯片之间通过信号线连接，主控机负责接收服务器PC的指令、音频数据，收集终端音频数据，发送音频数据，对各路音频数据进行切换混音，驱动终端机；终端机使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机，以及线路音频输入，负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。本装置可应用于语言实验室，音乐教学、制作，电话语音交换等场合。

Description

多路音频任意交换、混音的装置

技术领域：

本发明属多媒体教育设备技术领域，尤其是涉及一种可对64路音频信号进行任意交换，混音的装置。可应用于语言实验室，音乐教学、制作，电话语音交换等场合。

背景技术：

传统的音频交换设备，例如应用于语言实验室的电子设备，使用的是模拟电子技术。一般地，这样的设备包括一个教师控制台和数个学生终端，教师和学生的语音信息通过电子的模拟信号进行传输和切换。由于采用模拟信号技术，此类装置存在诸多缺点，例如模拟的语音信号容易受到电磁干扰；语音录音需通过磁带方式，不易保存等等。

近年来随着数字电路的发展，市场上出现了一些数字语音交换设备，其主要应用领域也是语音、音乐教学实验室。这些产品解决了模拟信号易受干扰，语音不便保存等问题，但是此类设备一般采用的是基于网络连接，软件操作的方法。具体来讲，此类设备的各个语音终端之间使用基于以太网的网络交换机连接，语音信号经过一台服务器(一台家用计算机)进行处理，运行在服务器上的软件完成各路语音信号的交换功能。此类装置的缺点主要在于服务器处理能力有限，设备只能完成语音信号的部分交换功能，例如同一时间只能选择某一个或者有限的几个语音终端作为音源。同时，若音频信号质量越高，音频数据率则越高，受处理器处理能力限制，设备的音频质量和所能驱动的音频终端数量都有限。

发明内容：

本发明的目的是提供一种可以使多路音频信号同时任意交换，任意混音、放音、录音的装置。

为了达到上述发明目的，本发明的一种多路音频任意交换、混音的装置主要由服务器PC、主控机和终端机组成。服务器PC是一个带有USB接口的计算机，主控机具有USB接口芯片，还具有一片或多片FPGA芯片，FPGA芯片与USB接口芯片之间通过信号线连接，负责接收服务器PC的指令、音频数据，收集各个终端音频数据，向各个终端发送音频数据，并且可以驱动多个终端机；终端机使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机，以及线路音频输入，负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。

服务器PC与主控机通过USB接口连接，实现双向通信，服务器PC作为USB主设备，主控机作为USB从设备，主控机与终端机之间可以通过RS485芯片建立差分信号连接，也可以使用光纤建立光电信号连接，对于较短距离的传输，通过低成本的RS485芯片建立差分信号连接，终端机所需的供电与数据信号都通过具有4对连线的五类双绞线连接；对于长距离传输，主控机与终端机之间配备光电转换器，使用光纤连接，终端机所需电源在远端自行供给。

主控机主要由三片FPGA芯片和一个USB接口芯片依次连接组成，混音FPGA芯片通过信号线与USB接口芯片连接，USB接口芯片再通过USB连接线与服务器PC连接，混音FPGA芯片通过FPGA芯片之间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片级联，终端驱动FPGA芯片驱动32个终端机，终端机与主控机通过全双工485驱动器或者光电转换器建立信号连接，485驱动器或者光电转换器与终端驱动FPGA芯片都通过电信号在主控机内部互连。

混音FPGA芯片由USB芯片接口模块、交换混音指令缓存、音频交换、混音逻辑模块、音频数据发送缓冲区、音频数据收集缓冲区、音频数据发送逻辑、音频数据收集逻辑、指令发送模块、按键收集模块连接组成。

终端驱动FPGA由上游数据发送接口、本地数据发送模块、下游数据发送接口、上游数据接收接口、本地数据接收模块、下游数据接收接口、数据分发驱动模块、数据收集驱动模块连接组成，上游数据发送接口与上游FPGA芯片连接。

终端机主要由信号转换器、终端FPGA芯片、音频插座、显示缓存、液晶屏、按键、立体声音频编码解码芯片连接组成，信号转换器是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA芯片通过电信号连接，终端FPGA芯片是终端机的核心器件，它使用串行异步协议与主控机建立连接，终端机配备有液晶屏。

终端FPGA芯片由数据收发模块、显示缓存控制器、液晶驱动模块、按键扫描模块、CODEC驱动模块连接组成。

采用上述方案，本装置驱动的64路音频终端中的任何一路，可以在同一时刻，以44.1KHz采样率的双声道立体声音质收听到这64路中任选多路的混音信号。另外由于使用纯硬件完成工作，音频信号的传播延时小于1毫秒，这是基于软件的方法较难实现的，这种高质量的任意全交换混音功能也是创新性的。由于使用了USB接口，使用一台笔记本电脑即可实现对系统的控制，可以将电脑里存储的音频文件发送给终端，可以实现单首歌曲对64路终端的广播，或者各路终端点播电脑里的不同歌曲。如果将多个主控机级联，那么还可以实现大于64路的音频交换。

附图说明：

图1是本装置的系统结构框图。

图2是主控机结构框图。

图3是主控机内混音FPGA芯片模块结构图。

图4是主控机内终端驱动FPGA芯片模块结构图。

图5是终端机结构框图。

图6是终端机内FPGA芯片模块结构图。

图7是交换混音功能示意图。

具体实施方式：

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式：

如图1所示，本装置的整个系统主要由三种部件组成。第一种部件是服务器PC 101。它是一个带有USB接口的计算机，功能是负责设置系统参数，例如交换、混音模式设置，放音、录音以及解析终端的按键，控制终端的液晶屏显示内容等；第二种部件是主控机102，主控机102是一个自行设计的电子设备，它完成接收服务器PC101的指令、音频数据，收集各个终端音频数据，向各个终端发送音频数据，对各路音频数据进行切换混音等核心功能；第三种部件是终端机103，每个终端机可以外接麦克风、耳机105，以及线路音频输入，例如CD唱机106，电子琴107，电吉他108等。终端机103负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。整个装置的供电由主控机102的电源连接插头104与市电连接，并在102中经开关电源转换成安全低电压后供给主控机102，并分配给各个终端机103。一个主控机可以驱动多个终端机。服务器PC101与主控机102之间使用一根支持USB2.0协议的连接线通过USB接口连接，服务器PC101作为USB主设备，主控机102作为USB从设备。服务器PC101上运行人机界面软件，用户可以通过简单的键盘、鼠标操作控制该软件，实现对系统的控制。主控机102与终端机103之间使用数字电信号或者光电转换信号进行通信。对于较短距离的传输，例如15米以内的情况，优选使用低成本的RS485差分线连接；对于长距离传输，主控机102与终端机103之间可以配备光电转换器，使用光纤连接。使用RS485的情况下，终端机103所需的供电与数据信号都通过具有4对连线的五类双绞线连接；使用长距离光纤传输时，数据信号使用光纤连接，终端所需电源可在远端自行供给。

主控机102内部的结构框图如图2所示，由于目前低成本的FPGA芯片其管脚数量有限，因此本系统所设计的主控机102中使用三片FPGA级联完成工作，以提供足够的管脚连接64路终端。混音FPGA芯片202通过信号线与USB接口芯片201连接，USB接口芯片201再通过USB2.0连接线与服务器PC101连接。混音FPGA芯片202通过FPGA间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片203、204级联。混音FPGA芯片202内部需要完成核心的音频交换混音逻辑。终端驱动FPGA芯片203、204主要完成对终端的各种数据收发。每个终端驱动FPGA芯片可以驱动32个终端机。终端机103与主控机102通过全双工485驱动器205或者光电转换器206建立信号连接，两种情况下分别使用五类双绞线或光线进行连接。485驱动器205或者光电转换器206与终端驱动FPGA芯片203、204都通过电信号在主控机102内部互连。

如图3所示，混音FPGA芯片202由USB芯片接口模块301、交换混音指令缓存302、音频交换、混音逻辑模块303、音频数据发送缓冲区304、音频数据收集缓冲区305、音频数据发送逻辑306、音频数据收集逻辑307、指令发送模块308、按键收集模块309连接组成，内部USB芯片接口模块301是与USB接口芯片建立逻辑连接的FPGA内部逻辑模块。USB芯片接口模块301将从服务器PC101接收到的交换混音模式设置指令存储到交换混音指令缓存302。通过音频数据收集逻辑307，从终端驱动FPGA芯片203发送来的各路音频数据被接收起来，发送到音频数据收集缓冲区305。音频数据收集缓冲区305采用双口RAM结构，各路音频数据以一定的地址规定存储其中，并且不断更新。音频交换、混音逻辑模块303，读取音频数据收集缓冲区305内的各路音频数据，并且读取交换混音指令缓存302内部存储的指令，根据指令决定如何生成新的音频数据。音频交换、混音逻辑模块303将新生成的数据写入音频数据发送缓冲区304，并不断更新其内部的数据。音频数据发送逻辑306读取音频数据发送缓冲区304内部的数据，并将数据下发到终端驱动FPGA芯片203，通过终端驱动FPGA芯片203的级联，数据也可被传输到终端驱动FPGA芯片204。另外，USB芯片接口模块301将服务器PC101发送的需分发到终端的指令发送到指令发送模块308，指令发送模块308再将数据下发到终端驱动器FPGA芯片203或终端驱动器FPGA芯片204。来自终端的按键经过终端驱动FPGA芯片收集后被写入按键收集模块309，按键收集模块309再将数据写入USB芯片接口模块301，最后按键数据被服务器PC101通过USB接口读取。

如图4所示，终端驱动FPGA芯片由上游数据发送接口401、本地数据发送模块402、下游数据发送接口403、上游数据接收接口404、本地数据接收模块405、下游数据接收接口406、数据分发驱动模块407、数据收集驱动模块408连接组成，上游数据发送接口401与上游FPGA芯片连接(例如，对于终端驱动FPGA芯片203，连接到混音FPGA芯片202；对于终端驱动FPGA芯片204，连接到终端驱动FPGA芯片203)。上游数据发送接口401接收到数据后，将数据经过FPGA芯片内部数据链路发送到下游数据发送接口403。本地数据发送模块402侦听数据链路，如果下发的数据是发送到本地的(即本FPGA所驱动的32路终端)，那么本地数据发送模块402将收下数据，然后通过数据分发驱动模块407将数据分发到各个终端。下游数据接收接口406连接下游FPGA的上传数据接口，接收到数据后经过数据链路发送到上游数据接收接口404，再向上游FPGA传数据。本地数据收集驱动模块408接收到来自终端的数据后将数据发送至本地数据接收模块405，本地数据接收模块405再通过数据链路将数据汇集到上游数据接收接口404。

如图5所示，终端机主要由信号转换器501、终端FPGA芯片502、音频插座504、显示缓存505、液晶屏506、按键507、立体声音频编码解码芯片503连接组成。图中信号转换器501是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA芯片502通过电信号连接。终端FPGA芯片502是终端的核心器件。它使用串行异步协议与主控机102建立连接。终端配备有液晶屏506，液晶显示数据存储在显示缓存505中，终端FPGA芯片502通过读写显示缓存505将显示数据驱动到液晶屏506，实现用户视觉接口，终端FPGA芯片502还通过自行设计的逻辑扫描按键507，接收用户的按键信息，读写显示缓存505，连接立体声音频编码解码芯片503，音频插座504可供麦克风，耳机和线路输入。

如图6所示，终端FPGA芯片502由数据收发模块601、显示缓存控制器602、液晶驱动模块603、按键扫描模块604、CODEC驱动模块605连接组成。数据收发模块601负责与主机箱建立链路层的联系，即解析或编码UART数据格式。液晶显示数据经数据收发模块601解析后通过显示缓存控制器602写入显示缓存。音频数据经数据收发模块601解析后写入CODEC驱动模块605。按键扫描模块604外接点触式键盘，并对键盘进行扫描，当扫描到按键后将按键编码发送到数据收发模块601。CODEC驱动模块605外接音频CODEC芯片，并将CODEC芯片的音频采样数据发送至数据收发模块601。显示缓存控制器602对外驱动存储器，并将缓存数据送至液晶驱动模块603。液晶驱动模块603负责驱动外部液晶屏。

如图7所示，本装置的核心功能是系统中任意一个音频终端可以听到包括PC机放音数据在内的任意多路音频数据混音叠加。

Claims (8)

1.一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主要由服务器PC(101)、主控机(102)和终端机(103)组成，服务器PC(101)是一个带有USB接口的计算机，主控机(102)具有USB接口芯片，还具有一片或多片FPGA芯片，FPGA芯片与USB接口芯片之间通过信号线连接，终端机(103)使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机(105)，以及线路音频输入，服务器PC(101)与主控机(102)通过USB接口连接，实现双向通信，服务器PC(101)作为USB主设备，主控机(102)作为USB从设备。

2.根据权利要求1所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机(102)与终端机(103)之间通过RS485芯片建立差分信号连接，终端机(103)所需的供电与数据信号都通过具有4对连线的五类双绞线连接。

3.根据权利要求1所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机(102)与终端机(103)之间配备光电转换器，通过光纤建立光电信号连接。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机(102)主要由三片FPGA芯片和一个USB接口芯片(201)依次连接组成，混音FPGA芯片(202)通过信号线与USB接口芯片(201)连接，USB接口芯片(201)再通过USB连接线与服务器PC(101)连接，混音FPGA芯片(202)通过FPGA芯片之间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片(203)、(204)级联，终端驱动FPGA芯片(203)、(204)驱动32个终端机，终端机(103)与主控机(102)通过全双工485驱动器(205)或者光电转换器(206)建立信号连接，485驱动器(205)或者光电转换器(206)与终端驱动FPGA芯片都通过电信号在主控机(102)内部互连。

5.根据权利要求4所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于混音FPGA芯片(202)由USB芯片接口模块(301)、交换混音指令缓存(302)、音频交换、混音逻辑模块(303)、音频数据发送缓冲区(304)、音频数据收集缓冲区(305)、音频数据发送逻辑(306)、音频数据收集逻辑(307)、指令发送模块(308)、按键收集模块(309)连接组成。

6.根据权利要求4所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端驱动FPGA芯片(203)、(204)由上游数据发送接口(401)、本地数据发送模块(402)、下游数据发送接口(403)、上游数据接收接口(404)、本地数据接收模块(405)、下游数据接收接口(406)、数据分发驱动模块(407)、数据收集驱动模块(408)连接组成，上游数据发送接口(401)与上游FPGA芯片连接。

7.根据权利要求1-3任一所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端机(103)主要由信号转换器(501)、终端FPGA芯片(502)、音频插座(504)、显示缓存(505)、液晶屏(506)、按键(507)、立体声音频编码解码芯片(503)连接组成，信号转换器(501)是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA芯片(502)通过电信号连接，终端FPGA芯片(502)是终端机的核心器件，它使用串行异步协议与主控机(102)建立连接，终端机配备有液晶屏(506)。

8.根据权利要求7所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端FPGA芯片(502)由数据收发模块(601)、显示缓存控制器(602)、液晶驱动模块(603)、按键扫描模块(604)、CODEC驱动模块(605)连接组成。

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