嵌入式Linux下的戶外報警對講系統(tǒng)設(shè)計

王 碩，郭書軍

（北方工業(yè)大學 電子信息工程學院，北京 100144）

0 引 言

當社區(qū)公民在戶外遇到突發(fā)情況時，快速與有關(guān)部門取得聯(lián)系非常重要。針對這種社會需求，本設(shè)計提出并實現(xiàn)了一種戶外報警對講系統(tǒng)。當社區(qū)內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件時，市民能夠通過此設(shè)備第一時間通知社區(qū)控制室，并與工作人員對講以尋求幫助[1-2]。此報警對講系統(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進行編碼與解碼，使用LM4871音頻功率放大芯片放大聲音信號后傳送到4 Ω/3 W的喇叭輸出。系統(tǒng)選用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片，通過百兆網(wǎng)口與后臺服務(wù)器通信，由I/O口控制LED的顯示以及檢測按鍵報警，由RS 232接口控制LED顯示屏顯示的內(nèi)容。系統(tǒng)預留了SD卡接口和USB接口，使得系統(tǒng)可以方便地進行內(nèi)核燒寫與日后的維護升級。

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8 Ω/1 W的喇叭，本設(shè)計使用LM4871功放芯片對信號進行放大處理。LM4871是一個具有關(guān)斷功能的音頻功率放大器，其具有單位增益穩(wěn)定，外部電路簡單等特點，輸出可以驅(qū)動4 Ω/3 W的喇叭，經(jīng)測試，音量基本達到了設(shè)計要求。

音頻功放模塊電路如圖2所示。

圖2 音頻功放模塊電路圖

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，同時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 固件升級模塊

傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品在設(shè)備安裝完成后，對于內(nèi)核驅(qū)動層的升級較為不便，一般需回廠升級或者更換ROM。這種方式不僅效率低下，更大大增加了維修成本。本設(shè)計預留了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卡和一臺筆記本電腦即可完成固件升級工作。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要由應用層軟件以及相應的驅(qū)動模塊組成。應用層主要包括網(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。

圖3 系統(tǒng)軟件模塊圖

2.1 ALSA

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

ALSA是Linux上一種應用比較廣泛的音頻驅(qū)動框架，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指令可以測試錄音功能，aplay指令可以測試播放功能。

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進行參數(shù)設(shè)置。

音頻部分代碼運用Linux多線程編程技術(shù)，其中一個線程負責通過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)；另一個線程負責采集音頻信號并發(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一個buffer，由信號量控制各線程對其的使用權(quán)，每個buffer有兩個指針，分別表示數(shù)據(jù)的壓入和取出，保證程序有序運行。

2.2 Speex

由于音頻設(shè)備會出現(xiàn)回聲的現(xiàn)象（遠端喇叭播放的聲音被麥克風采集后又傳回近端），情況嚴重時對語音質(zhì)量影響極大。本設(shè)計主要采用Speex音頻庫的API，結(jié)合ALSA框架進行回聲消除的研究[7]。

應用Speex庫進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的預處理函數(shù)初始化音頻參數(shù)，函數(shù)第一個參數(shù)是每幀的大小，第二個參數(shù)是采樣率。在語音通話中一般采用的幀長為20 ms，假如是16 k的語音數(shù)據(jù)，幀長20 ms等于320個采樣點。

（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AEC（Acoustic Echo Chancellor，AEC），該函數(shù)的第二個參數(shù)是尾音長度，即喇叭到麥克風的延遲時間，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，第二個參數(shù)是喇叭播放數(shù)據(jù)，第三個參數(shù)是麥克風采集數(shù)據(jù)，第四個參數(shù)是回聲消除后的數(shù)據(jù)。

調(diào)用 speex_preprocess_run（_speex_preprocess，outbuf）啟動Speex的音頻處理進行回聲消除。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)議控制信號的傳輸，使用UDP協(xié)議進行音頻流的傳輸[8]。

下位機作為TCP客戶端主動向服務(wù)器發(fā)起連接，并且每隔30 s向服務(wù)器發(fā)送一個心跳包，服務(wù)器可以通過判斷接收間隔以判斷下位機的在線狀態(tài)。下位機和服務(wù)器通過Modbus協(xié)議進行應用層數(shù)據(jù)交互，其基本格式為：幀頭+幀長+數(shù)據(jù)區(qū)+校驗碼+幀尾，通過自定義協(xié)議完成上位機對下位機的查詢和控制，以及下位機報警信號的上傳。

網(wǎng)絡(luò)編程部分應用了Libevent事件通知庫，其內(nèi)部使用select，epoll，kqueue，IOCP等系統(tǒng)調(diào)用管理事件機制。相對于Raw Socket編程，應用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)計完成后進行了完整有效的系統(tǒng)測試，電路板安裝在定制的機箱殼體內(nèi)，并設(shè)計有ESD防護。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。

系統(tǒng)終端控制板如圖5所示。

圖5 終端控制板實物圖

最終的測試結(jié)果表明，報警信號可及時上傳，對講語音清晰有效，各類接口功能正常，均滿足了設(shè)計要求，達到了預期目標。