摘要：提出了一種基于ADI公司的ADSP-BF533和網(wǎng)絡芯片LAN91C111的網(wǎng)絡音頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案。介紹了VDK的組成與工作原理、TCP／IP堆棧移植、基于VDK的SOCKET編程、BF533和LAN91C111的電路連接，最后給出了基于VDK的網(wǎng)絡通信程序的實現(xiàn)方法。
關鍵詞：數(shù)字音頻；VDK；BF533；LAN91C111；SOCKET；網(wǎng)絡通信

0 引言
    近年來，數(shù)字音頻監(jiān)控系統(tǒng)在我國發(fā)展迅猛，尤其是在廣播領域，該系統(tǒng)擔當著越來越重要的角色，另外，在保證音頻信息準確度和實時性的條件下，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸也成為一項十分重要的技術。
    本系統(tǒng)以BF533為核心處理芯片，以軟件工具VDSP++的自帶VDK內(nèi)核為基礎，移植了LWIP作為網(wǎng)絡主要結(jié)構，實現(xiàn)了TCP／IP在ADSP-BF533
上的移植。同時在VDK的基礎上，通過開發(fā)Socket服務器程序，實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡終端與上位機電腦直接的數(shù)據(jù)傳輸。

1 VDK的組成原理
    VDK實際上是一種帶API函數(shù)庫的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，這是一款規(guī)模很小但卻十分健壯的內(nèi)核，它是Visual DSP產(chǎn)品的一部分，VDK也一樣會隨Visual DSP進行相應的升級或改版。使用VDK從產(chǎn)品維護的角度來看，是十分方便的。使用VDK也小會帶來附加成本。它具有任務調(diào)度和任務管理功能，一共可支持32個任務。VDK是整個軟件的基礎，所有其他的程序都運行在該Kernel上。VDK的組成部分主要包括線程、調(diào)度、信號、中斷眼務程序設備驅(qū)動、API等。
    VDK的工作原理是首先引入多任務并且為每個任務都分配自己的堆棧空間，然后由任務淵度器來決定哪個任務獲得內(nèi)核時間。任務調(diào)度主要涉及三種方式：
    第一是合作調(diào)度廳式。該方式是最簡單的調(diào)度方式，系統(tǒng)中所有線程被賦予相同優(yōu)先級的調(diào)度權，系統(tǒng)中線程在運行態(tài)占用處理器資源，在阻塞態(tài)時被排列在等待隊列的最后，也可以自己調(diào)用yield函數(shù)，以使線程退出運行態(tài)而進入等待隊列。另外，任何系統(tǒng)調(diào)用都會引起當前正在運行的線程阻塞。
    第二是時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式。時間片調(diào)度方式給予每一個優(yōu)先權相同的線程固定的執(zhí)行時間間隔。VDK中時間間隔是通過設定tick參數(shù)確定的。
    第三是搶先式調(diào)度方式。如果等待隊列中有比正在運行的線程優(yōu)先級更高的線程，則正在運行的線程阻塞后進入等待隊列，等待隊列中優(yōu)先級最高的線程獲得執(zhí)行權。該方式提供了比其他兩種方式更有效、而且更靈活的淵度方式。對嵌入式編程者來講，最熟悉的調(diào)度方式就是“時間片輪轉(zhuǎn)”的方式，在這種方式下，每個應用程序只占用很短的CPU時間，用戶幾乎無法察覺它們在進行輪換。操作系統(tǒng)或VDK會自動地將操作系統(tǒng)的控制權以輪轉(zhuǎn)調(diào)度或時間片的方式在所有線程之間進行傳遞。每個線程所得到的處理器控制時間的長度由程序員定義。該方式的優(yōu)先級可以被靜態(tài)地分配，也可以被動態(tài)地分配。靜態(tài)分配意味著應用程序在創(chuàng)建時就已經(jīng)被指定好了優(yōu)先級。動態(tài)分配則意味著程序的優(yōu)先級在其運行時仍能被改變，也就是說，在線程實體化或運行時，其優(yōu)先級都能被改變。

2 TCP／IP堆棧移植
    關于TCP／IP堆棧移植，ADI提供有快速解決方案，即一個輕便型堆棧Lwip。Lwip(Light-weight Internet Protocl)是瑞士計算機科學院(Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等人開發(fā)出來的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。Lwip的主要優(yōu)點是可在保持TCP／IP協(xié)議主要功能的基礎上，減少其對RAM的占用。一般情況下，它只要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運行，這使得Lwip協(xié)議非常適合在嵌入式系中使用。
    Lwip堆棧的調(diào)用基于ADI的驅(qū)動模型以及System Services Libraries(即系統(tǒng)服務函數(shù)庫)。Lwip堆棧支持IP、ARP、ICMP、TCP、UDP等基本協(xié)議，同時支持一套標準的BSD Socket接口函數(shù)。

3 基于VDK的SOCKET編程
    應用層通過傳輸層進行數(shù)據(jù)通信時，TCP和UDP會遇到同時為多個應用程序進程提供并發(fā)服務的問題。多個TCP連接或多個應用程序進程可能需要通過同一個TCP協(xié)議端口傳輸數(shù)據(jù)。為了區(qū)別不同的應用程序進程和連接，許多計算機操作系統(tǒng)為應用程序與TCP／IP協(xié)議交互提供了稱為套接字(Socket)的接口，以區(qū)分不同應用程序進程間的網(wǎng)絡通信和連接。生成套接字主要有3個參數(shù)：通信的目的IP地址、使用的傳輸層協(xié)議(TCP或UDP)和使用的端口號。Socket的原意是“插座”。通過將這3個參數(shù)結(jié)合起來，與一個“插座”Socket的綁定，應用層就可以和傳輸層通過套接字進行接口，以區(qū)分來自不同應用程序進程或網(wǎng)絡連接的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務。
    要通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信，至少需要一對套接字，一個運行于客戶機端，稱之為ClientSocket；另一個運行于服務器端，稱之為erver So cket。根據(jù)連接啟動的方式以及本地套接字要連接的目標，套接字之間的連接過程可以分為三個步驟，即服務器監(jiān)聽、客戶端請求和連接確認。

4 硬件電路設計
4．1 ADSP-BF533簡介
    ADSP-BF533處理器是Blackfin系列產(chǎn)品中的一員。其最大工作頻率可達600MHz。Blackfin處理器內(nèi)核包含有2個16位乘法器、2個40位累加器、2個40位ALU、4個視頻ALU和1個40位移位器，可處理來自寄存器組的8位、16位或32位數(shù)據(jù)。
4．2 LAN91C111簡介
    ADSP-BF533通過以太網(wǎng)接口可將DSP采集的數(shù)據(jù)信息傳送到遠程服務器。LAN91C111是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10／100M快速以太網(wǎng)控制器，該器件具有可編程、CRC校驗、同步或異步工作方式，并具有低功耗CMOS設計和小尺寸等特點。
4．3 ADSP-BF533與LAN91C111的硬件連接
    ADSP-BF533與LAN91C111之間的信號傳輸連接圖如圖1所示。

    該硬件系統(tǒng)由四大部分組成：其中主控芯片選用ADSP-BF533，以太網(wǎng)控制芯片選用LAN91C111，網(wǎng)絡隔離芯片選用TG110-E050N5，而網(wǎng)口存儲器則選用AT93C46。
    由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設計的，因此其外圍電路相對比較簡單。只要將地址總線A1-A15與系統(tǒng)對應相連即可。其A0沒有被LAN 91C111使用而懸空；數(shù)據(jù)總線D0-D15用于16位數(shù)據(jù)傳輸。LAN91C111端的D16-D32懸空；LAN91C111的片選信號AEN由DSP提供。字節(jié)選擇引腳BE0和BE1分別接DSP的ABE0和ABE1，而BE2和BE3直接接高3．3 V電壓，即選定的是16位操作模式。AEN作為片選信號，接DSP的AMS3引腳。DSP芯片利用I／O引腳和中斷引腳可實現(xiàn)對以太網(wǎng)控制器LAN91C111芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)控制器LAN91C111芯片通過網(wǎng)絡隔離芯片TG110 -E050N5并經(jīng)RJ45與外面的上位機相連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。TG110-E050N5是雙絞線驅(qū)動／接收器，內(nèi)部有2個耦合變壓器可用來傳輸信號，同時抑制來自介質(zhì)的共模噪聲／干擾。AT93C46是一片串行數(shù)據(jù)存儲器，該芯片不論寫入或讀取數(shù)據(jù)，皆采用串行傳輸?shù)哪Ｊ絼幼鳎蟹绞诫m然沒有并行傳輸來得快速，但是其傳遞遠距離的數(shù)據(jù)，卻可以大量減少使用傳輸線的需求，也縮小了系統(tǒng)整體的占有面積。因此，非常適合用于微控制器或是微處理器。

5 基于VDK的應用程序設計
    本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡通信模塊主要完成的任務是網(wǎng)絡芯片初始化及接收應急信號，接收上位機指令幀并對其進行解析，同時將選擇板卡返回指令幀發(fā)送給上位機。
    分析上述任務，可將應用程序分為三個線程：其中一個Boot Thread：lwip_sysboot_threadtype的作用是上電后對系統(tǒng)進行初始化并創(chuàng)建各個線程，然后激活Echo_Server_ThreadType線程，完成與上位機的客戶端建立Socket連接；其次，初始化線程級別最高；連接成功后，由Echo_Servet_ThreadType線程激活Echo Worker_ThreadType線程，Echo_Worker_ThreadTrype線程的任務為通過recv()函數(shù)接收上位機指令幀并對其進行功能解析，然后根據(jù)幀功能碼判斷應該發(fā)送給上位機的幀，準備好上傳數(shù)據(jù)，再通過send()函數(shù)將上報幀上傳給上位機并顯示最終處理結(jié)果。

    圖2所示是基于VDK的系統(tǒng)線程軟件工作流程。系統(tǒng)上電或復位后，DSP自啟動后，VDK啟動線程lwip_sysboor_threadtype開始運行。在線程lwip_sysboot_threadtype中進行板級初始化和Lwip協(xié)議棧和網(wǎng)口初始化，接下來再創(chuàng)建所需要線程。圖3所示是VDK線程的通信工作流程圖。

    芯片初始化模塊主要完成以下幾項工作：
    (1)系統(tǒng)時鐘速率配置：包括初始化PLL，由PLL_LOCKCNT設置穩(wěn)定時間，PLL_CTL控制寄存器設置VCO與CLKIN之間的倍數(shù)14，通過設置PLL_DIV決定SCLK及CCLK的時鐘，使能PLL中斷；
    (2)同步串口(SPI)配置：如果SPI是作為主啟用，SPI使用SPI標志寄存器(SPI FLG)使多達7個通用可編程標志引腳用作從選擇端。并設置為0X02，SPISEL1使能。FIO_DIR中設置PF10為輸入，其余均為輸出；
    (3)CS8420初始化：即初始化CS8420，則SPICTL設置字長為16位，當發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器時，SPI使能。設置為主模式。SPI BAUD為0x18，波特率大概為512b／s；
    (4)激活Echo_Server_ThreadType線程；
    (5)由線程銷毀模塊完成對初始化線程的銷毀。
    連接成功后，再由Echo_Server_ThreadType線程激活Echo_Worker_ThreadType線程。Echo_Worker_ThreadType線程的任務是通過recv()函數(shù)接收上位機指令幀并對其進行功能解析，根據(jù)幀功能碼判斷應該發(fā)送給上位機的幀，準備好上傳數(shù)據(jù)，再通過send()函數(shù)將上報幀上傳給上位機并顯示最終處理結(jié)果。
    圖4所示是系統(tǒng)控制板卡與上位機之間的通信結(jié)果。

6 結(jié)語
    本文以BF533為核心處理器，提出了一種基于VDK的網(wǎng)絡音頻通信系統(tǒng)的設計方案，同時通過實際項目的操作對該方案的可行性進行了驗證。經(jīng)過測試證明，該系統(tǒng)可以提高傳輸效率，而且實時性好，性能穩(wěn)定。