智能社区中嵌入式网络广播系统的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 3.06MB 66 页 15积分

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摘要

本文首先介绍了课题的背景和国内外研究现状，指出传统的社区广播系统由

于种种原因己经不能适应人们对高质量的居住生活环境的要求，提出利用现有的

嵌入式技术、无线网络技术、音频编解码技术和流媒体技术等设计一种基于嵌入

式 Linux 的无线网络广播系统的解决方案，即 The public address system based

on embedded Linux and network，简称为 PASEN 系统。

本文主要包含以下几方面的工作：

（1）、首先综合论述了 PASEN 系统的发展现状以及相关技术原理的分析，然

后提出了本课题的具体设计方案。

（2）、在基于 ARM9 内核的 S3C2440 嵌入式目标板上定制嵌入式 Linux 操作系

统，具体内容有：引导装载程序的移植，Linux 内核的定制，yaffs 文件系统的移

植，从而构建嵌入式最小系统。

（3）、移植了音频芯片 uda1380 和无线网卡芯片 zd1211b 的驱动程序，设计

了基于 linux 下图形开发工具 QT 的人机交互程序以及移植 madplay 音频解码库和

jrtplib 实时传输协议库。

PASEN 采用 C/S 架构，其中，服务器端采用 PC 台式电脑代替，本课题专门设

计了流媒体播放器作为客户端，并且采用无线网络连接它们。利用多线程技术设

计了一个主控进程和三个线程：通信传输线程、解码播放线程和 QT 人机交互线程，

并重点详细阐述了它们的实现过程。

由于上述进程与线程之间，各个线程之间具有同步、并发的问题，同时无线网

络传输音频数据的过程中具有延时的不确定性问题，本课题设计了共享内存的缓

冲区来解决这些问题，并以双向循环队列的数据结构来实现。

本文将嵌入式技术、流媒体技术、多线程技术、无线网络技术以及音频编解

码技术等应用于智能社区的嵌入式无线网络音频广播系统的研究，减少了开发成

本，增加了技术含量，具有实时性，可移植性等优良特性，经过测试取得了良好

的效果，有一定的实际应用价值。在文章的最后，指出了在本系统存在的一些问

题，并对下一步的工作提出了建议。

关键词: 嵌入式 Linux 音频编解码实时传输人机交互无线网络

ABSTRACT

At first this paper introduces the subject of the background and status of international

research, then pointed out that the traditional community broadcast system have been

unable to meet people’s quality of daily living and environmental requirements for a

variety of reasons. We have designed a solution for broadcast system based on

embedded Linux, which made use of the existing embedded technology, wireless

network technology, audio codectechnology and streaming media technology. That is

the public address system based on embedded and network, referred as the PASEN.

This article contains the following aspects of work:

(1) 、putting the idea of the specific design of this tipic, on the basis of

comprehensively discussing PASEN’s development status and related technical

principle analysis.

(2)、building an embedded Linux operating system based on ARM9 target board,

and its main duties include a lot, such as: boot loader porting, linux kernel cutting,

yaffs2 file system’s construction and shell’s custom. The system software is divided

into four parts: master process, communication thread, play thread and QT graphical

interaction thread, and at the same time gives the design methods.

(3)、transplanting the linux driver program of the audio chip uda1380, madplay audio

decoding library and jrtplib real-time transport protocol library, designing the

interactive graphics application.

PASEN uses C/S architecture, the server-side instead of using PC, the client-side

instead of designed streaming media player, and connect them using a wireless network.

This will be embedded technology, streaming media technology and audio codec

technology for embedded wireless networks intelligent community audio broadcasting

system, which reduce development costs, an increase of technical content, with

real-time performance, portability, and other excellent characteristics, tested and

achieved good results, there are some practical applications. In the end of this article, it

notes a number of areas for improvement.

Keywords: Embedded Linux System, audio coding and decoding,

real-time transport, graphic interactive, wireless network

中文摘要

ABSTRACT

第一章引言.....................................................................................................................1

§1.1 研究背景与意义.............................................................................................1

§1.2 国内外研究现状.............................................................................................2

§1.2.1 嵌入式系统的发展现状....................................................................... 2

§1.2.2 广播及背景音乐系统的发展现状....................................................... 2

§1.2.3 嵌入式流媒体播放器的发展现状....................................................... 3

§1.3 论文结构.........................................................................................................4

第二章 PASEN 系统相关技术及分析..............................................................................5

§2.1 嵌入式系统.....................................................................................................5

§2.2 流媒体技术.....................................................................................................5

§2.2.1 流媒体系统的组成............................................................................... 5

§2.2.2 实时传输协议 RTP............................................................................... 6

§2.2.3 实时传输控制协议 RTCP.................................................................... 7

§2.2.4 实时流传输协议 RTSP.........................................................................8

§2.2.5 资源预留协议 RSVP ............................................................................ 8

§2.3 音频解码.........................................................................................................9

§2.3.1 MP3 文件概述 ...................................................................................... 9

§2.3.2 MP3 的数据格式 .................................................................................. 9

§2.3.3 MP3 文件的编码 ................................................................................ 10

§2.3.4 MP3 文件的解码 ................................................................................ 10

§2.4 本章小结.......................................................................................................11

第三章 PASEN 的总体设计分析....................................................................................12

§3.1 无线局域网...................................................................................................12

§3.2 系统的硬件设计...........................................................................................13

§3.2.1 嵌入式开发主板................................................................................. 13

§3.2.2 无线网卡............................................................................................. 13

§3.3 系统的软件设计...........................................................................................14

§3.3.1 主控进程............................................................................................. 14

§3.3.2 通信线程............................................................................................. 15

§3.3.3 播放线程............................................................................................. 15

§3.3.4 交互线程............................................................................................. 16

§3.4 缓冲系统的设计...........................................................................................17

§3.4.1 传输缓冲区的设计............................................................................. 17

§3.4.2 解码缓冲区的设计............................................................................. 17

§3.5 本章小结.......................................................................................................18

第四章 PASEN 运行的底层平台设计............................................................................19

§4.1 交叉编译工具 arm-linux-gcc .......................................................................19

§4.2 嵌入式 Linux 最小系统的设计 ................................................................... 20

§4.2.1 引导加载程序 uboot.......................................................................... 20

§4.2.2 内核裁剪............................................................................................. 21

§4.2.3 根文件系统的制作与定制 shell...................................................... 23

§4.3 基于 Linux 的设备驱动程序 ....................................................................... 23

§4.3.1 驱动程序与外界的接口及数据结构................................................. 25

§4.3.2 linux 设备驱动的开发步骤 ................................................................26

§4.4 PASEN 的音频驱动的设计 .........................................................................26

§4.4.1 UDAl380 驱动的装载与卸载.............................................................. 28

§4.4.2 音频设备的 open()和 close()操作................................................. 30

§4.4.3 DMA 缓冲区的设计.............................................................................. 32

§4.4.4 音频设备的播放（write）和录制（read）操作........................... 34

§4.4.5 音频设备的 ioctl 操作..................................................................... 36

§4.4.6 音频芯片的配置、编译和调试......................................................... 39

§4.5 无线网卡的驱动移植与配置.......................................................................40

§4.5.1 无线网卡 linux 驱动的配置............................................................. 40

§4.5.2 wireless-tools 的配置.................................................................... 41

§4.5.3 无线网卡驱动程序的调试................................................................. 43

§4.6 本章小结.......................................................................................................44

第五章广播系统上层应用程序的设计.......................................................................45

§5.1 图形交互线程的实现...................................................................................45

§5.1.1 Qt 简介................................................................................................ 45

§5.1.2 Qt 编译环境的建立以及应用程序 player 的界面设计.................. 46

§5.1.3 编译播放器应用程序 player............................................................ 48

§5.1.4 把 player 下载到目标板目录下....................................................... 50

§5.2 基于 JRTP 库的 Linux 下RTP 协议栈的实现.............................................50

§5.2.1 服务器端程序的设计过程................................................................. 51

§5.2.2 客户端程序的设计过程..................................................................... 52

§5.3 MP3 文件播放的实现 ..................................................................................54

§5.3.1 音频解码库 madplay .......................................................................... 55

§5.3.2 madplay 的移植.................................................................................. 55

§5.4 本章小结.......................................................................................................57

第六章结束语.............................................................................................................59

参考文献.........................................................................................................................60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得结果.............................................62

致谢...........................................................................................................................63

第一章引言

§1.1 研究背景与意义

在 21 世纪已经迈入第二个十年的今天，随着经济和科技持续不断的发展，尤

其是计算机技术、网络通信技术、自动化控制技术的广泛应用，人们居住生活的

住宅社区智能化成为必然趋势。智能社区、智能住宅就是将社区或者家庭中各种

通讯设备、抄表系统、家用电器设备和安保装置等通过家庭总线技术连接到一个

智能信息管理系统上进行集中的或者异地的监视、控制，并保持这些家庭设施与

装置环境的协调。本文研究的 PASEN 系统就是属于智能社区、智能住宅的一部分。

研究 PASEN 系统的主要目的是为了提高人们的居住生活质量，为大家提供安

全、便利、节能、高效、多元化的生活娱乐环境。近年来，各种各样的以此为应

用目标的类似系统也不断应运而生。在 2009 年初中国装饰协会的有关专家就认为，

应用于智能社区、智能住宅的音乐广播系统五年内就会像整体厨房、整体卫浴一

样，普及到千家万户[1]。目前市场上针对智能社区与住宅的背景音乐广播系统大都

还不完全成熟，有着诸多缺陷，无法满足人们对高质量生活的要求，所以本课题

的研究具有非凡的意义。本文主要研究如何利用嵌入式系统、流媒体技术、音频

编解码技术以及无线网络设计出能够应用于智能社区的背景音乐广播系统的嵌入

式产品。

PASEN 系统一般基于某种微处理器和操作系统实现的，由音频设备、设备驱动

程序和上层应用程序组成[2]。音频设备主要完成声音数据的采集、回放、混音和声

音信号的模数转换等任务；设备驱动程序在系统启动时首先对硬件进行初始化，

在系统启动后实现硬件和应用程序之间的交互；应用程序主要负责本系统与外界

的交互，方便用户对系统的操作。从而使得基于 PC 和网络而成的容量无限丰富的

多媒体信息可以无缝地传送到家庭的每一个角落，这也必将具有广泛的市场前景。

PASEN 将嵌入式系统和背景音乐广播系统结合起来，极大程度上降低了开发成

本。经过严格的测试，本系统能够安全，稳定，高效的运行。此外，还具有移植

性好，占据空间小，占有资源少，管理简单，与智能家居、智能社区中其他子系

统有良好的兼容性，交互性等优点。主要应用在私人家居、公共场所，如小区中

心广场、娱乐健身休闲区、大型购物商场、超市、酒店、宾馆等。另外，PASEN 系

统有时也作为紧急广播使用，当发生火灾，地震，恐怖袭击等紧急状况时，就可

以当做紧急广播报警用，指挥人群疏散。

智能社区中嵌入式网络广播系统的研究与实现

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 嵌入式系统的发展现状

对于嵌入式系统，IEEE（国际电子电气工程师协会）的定义是：控制、

监视或者辅助其他设备、机器运行的装置。美国的未来学家-尼葛洛庞帝说：

“嵌入式智能工具将是 PC 机和因特网之后最伟大的发明“[3]。

EOS 技术具有极其广阔的应用市场前景，已在工业控制，交通管理，家

庭智能管理系统，pos 机，环境工程与自然，机器人以及机电产品等领域中

得到广泛应用。在我们日常的生活中，也在随时随地使用着各种各样的嵌入

式系统，比如：手机、PDA、机顶盒、电冰箱、洗衣机等。在当今社会，只有

按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程

控制，智能管理的电器必将是未来的发展趋势。据 IDG 发布的统计数据表明，

未来信息家电将会成长五至十倍。在开发智能设备时，首先面临的挑战是核心

操作系统软件的开发工作。其实在硬件方面，进行智能信息控制并不是很高的

要求，目前绝大多数微处理器都可以满足硬件要求，真正的难点在于如何使软

件操作系统容量小、稳定性高、移植性好且易于开发。作为一个跨平台的操作

系统，Linux 可以支持二三十种 CPU，具有无可比拟的优势应用在开发智能电器

上[4]。经过广大科技工作者的不断努力，我们完全可以相信在不久的将来，真

正的数字智能家庭、智能社区最终来到我们身边。

由于 8 位、16 位单片机对于网络传输协议的支持不足，但是 32 位的 ARM

处理器具有网络接口，支持 TCP/IP 协议，以及 IEEE1394、CAN、Bluetooth 或

IrDA 等通信接口，同时也提供相应的通信传输协议和物理层驱动程序，所以

PASEN 的主控制器采用基于 ARM9 内核的三星 S3C2440A。

PASEN 实现了友好的人机界面、灵活地控制方式，与用户亲密接触，使用起来

就像是遇到了久违的老朋友。

§1.2.2 广播及背景音乐系统的发展现状

随着相关技术的不断发展，智能社区中的广播系统主要可分为三个主要发展

阶段：模拟广播阶段，原始数字化广播阶段和智能化的数字广播阶段。在这里从

传输信号、传输媒介和传输技术三个方面对广播系统发展的三个阶段做一下比较，

如表 1.1：

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摘要：

摘要本文首先介绍了课题的背景和国内外研究现状，指出传统的社区广播系统由于种种原因己经不能适应人们对高质量的居住生活环境的要求，提出利用现有的嵌入式技术、无线网络技术、音频编解码技术和流媒体技术等设计一种基于嵌入式Linux的无线网络广播系统的解决方案，即ThepublicaddresssystembasedonembeddedLinuxandnetwork，简称为PASEN系统。本文主要包含以下几方面的工作：（1）、首先综合论述了PASEN系统的发展现状以及相关技术原理的分析，然后提出了本课题的具体设计方案。（2）、在基于ARM9内核的S3C2440嵌入式目标板上定制嵌入式Linux操作系统，...

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