基于FPGA和Qt技術(shù)的音頻廣播系統(tǒng)

　　摘要：介紹了一種使用Altera DE2開發(fā)板以及Qt技術(shù)實(shí)現(xiàn)的定時(shí)音頻廣播系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用C/S架構(gòu)，使用跨平臺Qt技術(shù)在Ubuntu系統(tǒng)平臺下建立起服務(wù)器程序，用于管理所有在線的DE2音頻播放終端，使用Sqlite輕量級數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。通過基于Nios II實(shí)現(xiàn)的軟核進(jìn)行外圍設(shè)備的管理，并播放位于SD卡中的音頻文件。

　　引言

　　隨著數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，廣播技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出越來越多元化的趨勢，其最主要的趨勢便是從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)化。從宏觀來說，廣播技術(shù)大體上可以分為三類：傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)，采用的是定壓式線路，傳輸損耗小，負(fù)載連接較為方便，但是傳輸?shù)碾妷狠^高，需在揚(yáng)聲器端加接降壓設(shè)備;數(shù)字可尋址音頻廣播系統(tǒng)，此類系統(tǒng)采用數(shù)字信號進(jìn)行音頻信號的傳輸，并具有可尋址特性，具有更遠(yuǎn)的傳輸距離和可靠性;流媒體(IP)智能廣播系統(tǒng)，其特點(diǎn)是無需另行布線，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的便利性，系統(tǒng)的擴(kuò)展性進(jìn)一步增強(qiáng)，將廣播技術(shù)與其他技術(shù)進(jìn)行充分融合，易于構(gòu)建功能更加完善和易于管理的系統(tǒng)平臺。

　　目前校園中使用的系統(tǒng)大都還停留在傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)層次，由于線路老化等原因，如出現(xiàn)故障則不容易維修，而重新布線容易增加成本。基于此，本文提出一種使用FPGA和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的音頻廣播方案，使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。因FPGA高度的可編程特性可以將控制電路做得更加集成，易于布設(shè)，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

　　1 系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)主要包括DE2播放終端(以下簡稱終端)以及服務(wù)器程序兩部分。服務(wù)器程序負(fù)責(zé)制定并管理播放項(xiàng)列表以及與終端的交互，終端接收服務(wù)器發(fā)送的命令信息并驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音設(shè)備播放所需音頻。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由圖1可以看到本系統(tǒng)支持多終端的管理，采用SD卡的方式進(jìn)行音頻廣播是因?yàn)橄噍^使用直接的數(shù)字編碼在線路傳輸來說，SD卡的方式在需要播放音頻時(shí)，只需由服務(wù)器發(fā)出相應(yīng)的很短的命令報(bào)文至終端，這保證了各個(gè)揚(yáng)聲器播放在時(shí)間上的一致性。不會因?yàn)橄到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及解碼速度不一致而產(chǎn)生播放進(jìn)度不同步問題。因系統(tǒng)采用短命令報(bào)文形式且需進(jìn)行廣播傳輸，故系統(tǒng)使用的通信方式為UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào))的通信方式。

　　FPGA的可編程特性決定了其可參考資源很多，首要的參考資源為開發(fā)板自帶光盤文件。通過查閱開發(fā)板光盤可發(fā)現(xiàn)與本項(xiàng)目相關(guān)的有兩個(gè)資源：SD卡音樂播放系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)測試程序。SD卡音樂播放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目中所需要的SD卡音頻播放功能。網(wǎng)絡(luò)測試程序只是通過硬編碼的形式將一個(gè)以太網(wǎng)幀通過DM9000A網(wǎng)卡發(fā)送出去，沒有實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需的UDP協(xié)議及解析工作。依托于Altera提供的現(xiàn)有平臺，可將系統(tǒng)工作簡化為實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有跨平臺特性的服務(wù)器端程序，同時(shí)對現(xiàn)有的SD卡音樂播放系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，并實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端通信報(bào)文的發(fā)送與解析工作。

　　系統(tǒng)簡要的工作過程為：首先在服務(wù)器端，建立一個(gè)音頻庫，該音頻庫將與終端中存在的音頻文件同步。然后，建立一周的音頻播放方案指明學(xué)校中上下課的時(shí)間。服務(wù)器程序?qū)⒏鶕?jù)選用的播放方案按照設(shè)定的時(shí)間發(fā)送廣播命令報(bào)文至終端。當(dāng)終端接收到命令后，將檢測命令中指定的歌曲是否在SD卡中，如果存在則播放對應(yīng)的歌曲。

　　2 服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

　　為了在PC機(jī)上構(gòu)建一個(gè)管理系統(tǒng)，選擇了具有跨平臺的Qt技術(shù)。Qt是一個(gè)跨平臺的應(yīng)用和UI框架，開發(fā)者使用C++或者UML(Unified Modeling Language)進(jìn)行開發(fā)。本服務(wù)器程序的主界面如圖2所示。

　　如圖2所示，服務(wù)器程序主界面中包含了當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間、在線終端數(shù)信息、應(yīng)用方案中本日的作息安排情況。系統(tǒng)中的兩個(gè)管理按鈕用于媒體管理和作息管理。在媒體管理中可以管理目前系統(tǒng)SD卡中的歌曲英文縮寫及對應(yīng)的描述信息。在作息管理中可以創(chuàng)建和管理播放方案。

　　本系統(tǒng)依照方案對作息進(jìn)行管理，可根據(jù)需要靈活切換當(dāng)前選擇的播放方案。對于每個(gè)方案，可設(shè)置星期一到星期日的播放列表。

　　考慮到本系統(tǒng)中存儲的信息不會太龐大，所以采用了輕量級的Sqlite數(shù)據(jù)庫對方案信息和媒體信息及終端信息進(jìn)行存儲。