基于FPGA和Qt技術的音頻廣播系統(tǒng)

　　摘要：介紹了一種使用Altera DE2開發(fā)板以及Qt技術實現(xiàn)的定時音頻廣播系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用C/S架構，使用跨平臺Qt技術在Ubuntu系統(tǒng)平臺下建立起服務器程序，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)庫進行數(shù)據(jù)存儲。通過基于Nios II實現(xiàn)的軟核進行外圍設備的管理，并播放位于SD卡中的音頻文件。

　　引言

　　隨著數(shù)字和網(wǎng)絡等技術的發(fā)展，廣播技術已經(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，負載連接較為方便，但是傳輸?shù)碾妷狠^高，需在揚聲器端加接降壓設備;數(shù)字可尋址音頻廣播系統(tǒng)，此類系統(tǒng)采用數(shù)字信號進行音頻信號的傳輸，并具有可尋址特性，具有更遠的傳輸距離和可靠性;流媒體(IP)智能廣播系統(tǒng)，其特點是無需另行布線，結(jié)合網(wǎng)絡的便利性，系統(tǒng)的擴展性進一步增強，將廣播技術與其他技術進行充分融合，易于構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)絡技術實現(xiàn)的音頻廣播方案，使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡線路進行數(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，同時增加了系統(tǒng)的可擴展性。

　　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)以及服務器程序兩部分。服務器程序負責制定并管理播放項列表以及與終端的交互，終端接收服務器發(fā)送的命令信息并驅(qū)動擴音設備播放所需音頻。系統(tǒng)整體結(jié)構如圖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卡的方式進行音頻廣播是因為相較使用直接的數(shù)字編碼在線路傳輸來說，SD卡的方式在需要播放音頻時，只需由服務器發(fā)出相應的很短的命令報文至終端，這保證了各個揚聲器播放在時間上的一致性。不會因為系統(tǒng)網(wǎng)絡架構及解碼速度不一致而產(chǎn)生播放進度不同步問題。因系統(tǒng)采用短命令報文形式且需進行廣播傳輸，故系統(tǒng)使用的通信方式為UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報)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)與本項目相關的有兩個資源：SD卡音樂播放系統(tǒng)，網(wǎng)絡測試程序。SD卡音樂播放系統(tǒng)實現(xiàn)了本項目中所需要的SD卡音頻播放功能。網(wǎng)絡測試程序只是通過硬編碼的形式將一個以太網(wǎng)幀通過DM9000A網(wǎng)卡發(fā)送出去，沒有實現(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)工作簡化為實現(xiàn)一個具有跨平臺特性的服務器端程序，同時對現(xiàn)有的SD卡音樂播放系統(tǒng)進行擴展，增加UDP網(wǎng)絡協(xié)議支持，并實現(xiàn)與服務器端通信報文的發(fā)送與解析工作。

　　系統(tǒng)簡要的工作過程為：首先在服務器端，建立一個音頻庫，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校中上下課的時間。服務器程序?qū)⒏鶕?jù)選用的播放方案按照設定的時間發(fā)送廣播命令報文至終端。當終端接收到命令后，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的歌曲。

　　2 服務器程序設計

　　為了在PC機上構建一個管理系統(tǒng)，選擇了具有跨平臺的Qt技術。Qt是一個跨平臺的應用和UI框架，開發(fā)者使用C++或者UML(Unified Modeling Language)進行開發(fā)。本服務器程序的主界面如圖2所示。

　　如圖2所示，服務器程序主界面中包含了當前的系統(tǒng)時間、在線終端數(shù)信息、應用方案中本日的作息安排情況。系統(tǒng)中的兩個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)依照方案對作息進行管理，可根據(jù)需要靈活切換當前選擇的播放方案。對于每個方案，可設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行存儲。