嵌入式Linux下的戶外報(bào)警對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

當(dāng)社區(qū)公民在戶外遇到突發(fā)情況時(shí)，快速與有關(guān)部門取得聯(lián)系非常重要。針對(duì)這種社會(huì)需求，本設(shè)計(jì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種戶外報(bào)警對(duì)講系統(tǒng)。當(dāng)社區(qū)內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，市民能夠通過此設(shè)備第一時(shí)間通知社區(qū)控制室，并與工作人員對(duì)講以尋求幫助 [1-2]。此報(bào)警對(duì)講系統(tǒng)使用 Cortex-A8 架構(gòu)的 S5PV210 ARM 處理器作為 CPU，硬件包括音頻模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、SD 卡模塊、USB 模塊、按鍵報(bào)警模塊、顯示模塊等。

1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用 S5PV210核心板作為主控單元，使用 WM8960 音頻芯片 CODEC進(jìn)行編碼與解碼，使用LM4871音頻功率放大芯片放大聲音信號(hào)后傳送到 4Ω/3W的喇叭輸出。系統(tǒng)選用 DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片，通過百兆網(wǎng)口與后臺(tái)服務(wù)器通信，由I/O口控制 LED 的顯示以及檢測(cè)按鍵報(bào)警，由 RS232接口控制LED顯示屏顯示的內(nèi)容。系統(tǒng)預(yù)留了SD卡接口和USB接口， 使得系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行內(nèi)核燒寫與日后的維護(hù)升級(jí)。

系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 音頻處理模塊

S5PV210 支持 I2S/PCM/AC97 等音頻接口。 本開發(fā)板采用 I2S0 接口， 外接有 WM8960 作為 CODEC 解碼芯片。WM8960 內(nèi)置有 D 類功放，可以直接驅(qū)動(dòng) 8 Ω/1 W 的喇叭， 本設(shè)計(jì)使用 LM4871 功放芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。LM4871 是一個(gè)具有關(guān)斷功能的音頻功率放大器，其具有單位增益穩(wěn)定，外部電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，輸出可以驅(qū)動(dòng) 4 Ω/3 W 的喇叭，經(jīng)測(cè)試，音量基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

音頻功放模塊電路如圖 2 所示。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)部分采用 DM9000 網(wǎng)卡芯片。DM9000 是一款集成了 10/100PHY 的以太網(wǎng)MAC 控制器，它可自適應(yīng) 10/100 M 網(wǎng)絡(luò)，具有支持介質(zhì)無關(guān)接口，支持背壓模式半雙工流量控制模式等特點(diǎn)，同時(shí)還支持超低功耗模式，兼容 3.3 V 和 5.0 V 輸入輸出電壓。網(wǎng)口使用內(nèi)部已經(jīng)包含耦合線圈的 RJ45 連接頭，因此不必在電路中另接網(wǎng)絡(luò)變壓器。

1.3 固件升級(jí)模塊

傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品在設(shè)備安裝完成后，對(duì)于內(nèi)核驅(qū)動(dòng)層的升級(jí)較為不便，一般需回廠升級(jí)或者更換 ROM。這種方式不僅效率低下，更大大增加了維修成本。本設(shè)計(jì)預(yù)留了 SD 卡接口和 USB 接口，系統(tǒng)可以通過 SD 卡上的 Boot Loader 啟動(dòng)并通過 USB 接口燒寫內(nèi)核。維修人員只需攜帶一張 SD 卡和一臺(tái)筆記本電腦即可完成固件升級(jí)工作。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要由應(yīng)用層軟件以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊組成。應(yīng)用層主要包括網(wǎng)絡(luò)模塊、音頻模塊、回聲消除模塊、按鍵控制模塊等。系統(tǒng)軟件模塊組成如圖 3所示。

文中分別詳細(xì)介紹了與音頻處理有關(guān)的 ALSA 框架，與回聲消除有關(guān)的 Speex框架及網(wǎng)絡(luò)通信部分。

2.1 ALSA

S5PV210 支持 I2S/PCM/AC97 等音頻接口。本設(shè)計(jì)采用I2S 接口進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的傳輸，采用 I2C 接口對(duì) CODEC 芯片的寄存器進(jìn)行設(shè)置。整個(gè)音頻驅(qū)動(dòng)基于 ALSA 音頻架構(gòu) [3-6]。

ALSA 是 Linux上一種應(yīng)用比較廣泛的音頻驅(qū)動(dòng)框架，ALSA 包含與音頻編程有關(guān)的 API 庫 [2]，及其他方便開發(fā)的工具，如 alsamixer 可以調(diào)節(jié)音頻混聲器參數(shù)，arecord 指令可以測(cè)試錄音功能，aplay 指令可以測(cè)試播放功能。

ALSA 的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖 4 ALSA 的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

ALSA 的 API 可以分解成控制接口、PCM 接口、Raw MIDI 接口等。其中 PCM 接口是管理數(shù)字音頻回放（playback） 和錄音（capture）的接口。本文后續(xù)重點(diǎn)將放在該接口上，它是開發(fā)數(shù)字音頻程序最常用的接口。

要使用 ALSA，首先調(diào)用以下語句打開 PCM 設(shè)備 ：

snd_pcm_open（&handle_cap，"hw ：0，0"，SND_PCM_STREAM_CAPTURE，0）；

設(shè)置語音的硬件參數(shù)?？紤]到緊急報(bào)警的通話要求僅為清晰，故選用的參數(shù)為 ：采樣率 8 k，單通道，16 位。ALSA首先聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)體 snd_pcm_hw_params_t，用來保存句柄的硬件參數(shù)，然后調(diào)用參數(shù)設(shè)置語句填充結(jié)構(gòu)體，最后調(diào)用函數(shù) snd_pcm_hw_params 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

音頻部分代碼運(yùn)用 Linux 多線程編程技術(shù)，其中一個(gè)線程負(fù)責(zé)通過 UDP 接收音頻流并播放，調(diào)用 snd_pcm_writei函數(shù)完成寫數(shù)據(jù) ；另一個(gè)線程負(fù)責(zé)采集音頻信號(hào)并發(fā)送到服務(wù)器，調(diào)用 snd_pcm_readi 函數(shù)完成讀數(shù)據(jù)操作。音頻的采集和播放分別維護(hù)一個(gè) buffer，由信號(hào)量控制各線程對(duì)其的使用權(quán)，每個(gè) buffer 有兩個(gè)指針，分別表示數(shù)據(jù)的壓入和取出，保證程序有序運(yùn)行。

2.2 Speex

由于音頻設(shè)備會(huì)出現(xiàn)回聲的現(xiàn)象（遠(yuǎn)端喇叭播放的聲音被麥克風(fēng)采集后又傳回近端），情況嚴(yán)重時(shí)對(duì)語音質(zhì)量影響極大。本設(shè)計(jì)主要采用 Speex 音頻庫的 API，結(jié)合 ALSA 框架進(jìn)行回聲消除的研究 [7]。

應(yīng)用 Speex 庫進(jìn)行回聲消除的主要步驟如下：

（1）首先設(shè)置音頻基本參數(shù)，需要調(diào)用以下函數(shù) ：

_speex_preprocess=speex_preprocess_state_init（FRAMESIZE，8000）；

在使用其他功能之前首先調(diào)用 Speex 的預(yù)處理函數(shù)初始化音頻參數(shù)，函數(shù)第一個(gè)參數(shù)是每幀的大小，第二個(gè)參數(shù)是采樣率。在語音通話中一般采用的幀長(zhǎng)為 20 ms，假如是 16 k的語音數(shù)據(jù)，幀長(zhǎng) 20 ms 等于 320 個(gè)采樣點(diǎn)。

（2）創(chuàng)建回聲消除 AEC，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。調(diào)用 speex_echo_state_init（m_nFrameSize，m_nFilterLen） 創(chuàng)建一個(gè)AEC（Acoustic Echo Chancellor，AEC），該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)是尾音長(zhǎng)度，即喇叭到麥克風(fēng)的延遲時(shí)間，該參數(shù)直接影響了回聲消除的效果。

調(diào) 用 speex_echo_ctl（st，SPEEX_ECHO_SET_SAMPLING_RATE，&sampleRate）來設(shè)置相關(guān)參數(shù)。 （3）最后在線程中循環(huán)調(diào)用函數(shù)消除回聲。調(diào)用 speex_echo_cancellation（st，ref_buf，echo_buf，e_buf）函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給 AEC，第二個(gè)參數(shù)是喇叭播放數(shù)據(jù)，第三個(gè)參數(shù)是麥克風(fēng)采集數(shù)據(jù)，第四個(gè)參數(shù)是回聲消除后的數(shù)據(jù)。

調(diào)用 speex_preprocess_run（_speex_preprocess，outbuf）啟動(dòng) Speex 的音頻處理進(jìn)行回聲消除。Outbuf 即為處理后的數(shù)據(jù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

系統(tǒng)使用 TCP 協(xié)議控制信號(hào)的傳輸，使用 UDP 協(xié)議進(jìn)行音頻流的傳輸 [8]。

下位機(jī)作為 TCP 客戶端主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起連接，并且每隔 30 s 向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)心跳包，服務(wù)器可以通過判斷接收間隔以判斷下位機(jī)的在線狀態(tài)。下位機(jī)和服務(wù)器通過 Modbus協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互，其基本格式為 ：幀頭 + 幀長(zhǎng) + 數(shù)據(jù)區(qū)+ 校驗(yàn)碼 + 幀尾，通過自定義協(xié)議完成上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的查詢和控制，以及下位機(jī)報(bào)警信號(hào)的上傳。

網(wǎng)絡(luò)編程部分應(yīng)用了 Libevent 事件通知庫，其內(nèi)部使用select，epoll，kqueue，IOCP 等系統(tǒng)調(diào)用管理事件機(jī)制。相對(duì)于 Raw Socket 編程，應(yīng)用 Libevent 事件庫大大提升了網(wǎng)絡(luò)通信的性能與穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了完整有效的系統(tǒng)測(cè)試，電路板安裝在定制的機(jī)箱殼體內(nèi)，并設(shè)計(jì)有 ESD 防護(hù)。本設(shè)備可以安裝在電線桿上或者臨街的墻壁上方便市民使用。

 圖 5 終端控制板實(shí)物圖最終的測(cè)試結(jié)果表明，報(bào)警信號(hào)可及時(shí)上傳，對(duì)講語音清晰有效，各類接口功能正常，均滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。