嵌入式局域网通信终端设计开发

摘要

　　由于对通讯手段的要求日益增多，在语音通信已经逐渐满足不了日常生活的今天，人们在寻求新的通讯途径上投入了越来越多的精力。本设计针对一般通信方式只能语音交流的不足，提出一种了语音和手稿批注演示同步传输的交流方式，旨在改善了现代会议、工作、教育上遇到的地域性语言交流障碍问题。

　　本设计以 ARM11 为核心处理器，基于 Linux 的嵌入式平台。该设备在满足手写板一对多传送的同时保留传统的语音通话需求，系统采用嵌入式系统实现，放弃了使用模拟电路的思路，利用嵌入式专用的微处理器芯片和专用语音芯片实现语音和手写板数据的实时传输。并且，系统安装了液晶屏和触摸屏，使得同时传输手写数据和语音数据成为可能。通过该设备，使用者可以通过局域网轻松的与一个或多个使用者进行语音和手写交流。

　　本设计主要完成了手写板和语音信号的实时传输两项功能。在手写板功能的实现中，使用 Qt 鼠标（触摸）事件记录光标位置并出发绘画事件造成 QPaintEvent 在 QImage 上的绘画行为完成手写板的记录功能。使用 UDP 协议发送坐标点完成传输功能。语音实时传输功能的实现主要使用了 QtMultimedia 模块的相关功能，使用 QAudioInput/Output设备将语音信号录制在 4 个文件缓存区中，搭建客户端-服务器框架使用 TCP 协议发送缓存文件从而完成语音实时传输功能。

　　关键字：嵌入式，Linux，语音实时，Qt

Abstract

　　Because of the increasing demands for communications, common voice communication has gradually failed to meet the everyday life of today, people putting more and more energy in seeking new avenues of communication. This terminal is designed to solve the problem of the lack of communication modes，which could only communicated by voice. We propose a way to exchange voices and manuscript by synchronous transmission aiming at improving the regional language barrier in modern conference, work and education communication conditions.

　　The design take ARM11 as core processor and Linux-based embedded platform. The function of the device is to accomplish the handwritten board transmission(one to many or many to one )while retaining the traditional voice communication demand. To give up the idea of using an analog circuit, the system uses an embedded microprocessor chip and a voice chip to deal with the real-time transmission of voice data. Also, the system is installed LCD screen and touch screen, which enables simultaneous transmission of handwritten data and voice data as possible. By using this device, the user can easily exchange voice or handwriting data through the LAN with one or more users.

　　This design mainly completes the real-time transmission of voice signal and handwritten board data. In the function of handwritten transmission, it uses the Qt mouse(touch) event to record the cursor position so that the paint event can be touched off to write mouse tracking on class QImage. The implementation of voice real time transmission function mainly uses the correlation function of the QtMultimedia module. A real-time signal should be recorded alternately into four buffering files. After that, a server-client should be built to complete the real-time speech by TCP protocol.

　　Keywords: Embedded system, Linux, real-time voice, Qt

　　随着社会的不断发展，嵌入式系统进步到今天，已经经历了三十多年，从最开始的涓涓细流，发展成了目前范围最广、使用数量最多的电子信息设备。在人们的生活中，嵌入式设备几乎随处可见，已经成为生活的重要组成部分。它在提高人们工作效率，提高生活质量甚至保护生命安全等诸多领域发挥着极其重要的作用。

　　嵌入式设备有很广泛的应用范围，如 PDA（个人数字辅助设备）、网络通信设备、工业控制等，小到手机、电视遥控器、时钟，大到汽车、轮船、飞机，从民用设备到军用设备，都包含有嵌入式的相关系统和设备，他们在设备的信息处理中发挥着核心的作用。

　　个人计算机（PC）已经走入我们的日常生活。一提起计算机，许多人首先想到 PC机，的确，人类进入信息化时代最显着的代表便是 PC 机，嵌入式设备进入人们视野的相对时间较短，虽然其数量众多，但却往往不被人们所发现，其中，最重要的原因是嵌入式系统一般隐藏在产品中，其信息的处理过程不对使用者开放，不容易被发现。此外嵌入式设备的使用并不是以硬件性能作为第一目标的，往往不是市场上争论的热点。尽管如此，随着信息技术的不断成熟，“嵌入式”这个词逐渐被人们悉知，近十几年，在数量上也大大超过通用计算机。因此有人预测，在将来的很长时间内，我们都将停留在以嵌入式系统为主导的后 PC 时代。

　　由于人们在日常生活中对通讯的要求日渐增多，单一的语音通信已经不能满足人们在日常生活、尤其是工作、会议中的远程交流。传统的通信设备例如手机、固定电话等在过去的几十年给人们的通讯需求带来了极大的改善，使得处身异地的朋友、亲人能够远距离交流。但不可否认这些设备自身依然存在一些不足，例如：中国地域宽广，方言众多，仅仅靠语音交流的形式较难表达通信双方的意思，因此出现了交流障碍。另外，在我国一些偏远地区，交通不便，教育和经济的发展尚有较大缺陷，尤其是教育资源的缺乏，使得这些地区的学生不能收到与城市学校同等质量的教学。此外，在现代会议中，交流方式已经从单一的语言交流升级为图片演示，手稿交流。如何设计一种多用途的通信终端，使得该设备既能满足近程的语音交流，又能满足实时手稿批注演示和视频实时传输，成为一个较为急切的需求。随着网络技术、多媒体技术的发展，传统的通信手段已经逐渐被高效、数字化、网络化的新型通信方式所取代。在这样的背景中，本课题通过对以上几种技术的应用，设计了一种解决上述问题，方便人们通信交流的设备。

　　本课题的目的是设计一种基于 Linux 系统的嵌入式局域网通信设备。该设备首先要满足手写板的一对多传输，同时保留传统的语音通话需求，系统采用嵌入式系统实现，放弃了使用模拟电路的思路，利用嵌入式专用的微处理器芯片和专用语音芯片实现语音和手写板数据的实时传输。并且安装了液晶屏和触摸屏，使得同时传输手写数据和语音数据成为可能。通过该设备，使用者可以通过局域网轻松的与一个或多个使用者进行语音和手写交流，如果有必要，也可以进行视频交流。[1-6]

　　这种基于 Linux 系统的嵌入式局域网通信设备实现的意义有如下几个方面：1）该系统在增加图文传输的基础上，保留了基本的语音通信功能。使得使用双方可以通过设备更加清楚明白的交流，减少了由于语言不通或者意思表达不畅而造成的困扰。2）对于部分声音交流有困难的使用者，这种设备的优越性便可以体现出来。3）在中远程教育方面，教师可以通过该设备与偏远地区的学生进行一对多交流，从某种程度上弥补了地区教育资源部均衡的问题。在一些讲座或教学场景中，授课者往往只限于在黑板上书写，这种传统方式效率不高而且粉尘也会对呼吸道造成影响，通过本系统的设计思想，可以使授课板书更加高效、健康，无形中提升了教学质量。

　　嵌入式系统由于其广泛的使用范围而并没有一个绝对的定义，一般我们可以认为嵌入式系统指的是非 PC 系统。就现在普遍的认知而给出的定义是：以应用为核心目的，其软硬件均可裁剪，对功能、体积、成本、可靠性和功耗的性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要可分为两部分，即软件和硬件部分。软件方面主要包括操作系统和应用程序编程，硬件部分则主要包括微处理器、存储器、I/O 端口、其他外设器、声音和图形控制器等等。它几乎涵盖了生活和生产中所有的电器设备，或者说，几乎每一个电气设备都属于嵌入式技术改造与开发的对象。所以嵌入式的发展情况要分软件和硬件来讨论。

　　1976 年 Intel 公司推出了 MCS-48 单片机，这个“简单”的芯片成为当时世界上第一个单片机，虽然他只有 1KB 的 ROM 和 64B 的 RAM。它的出现同时也开创了将各种外设资源（如 ROM、定时器、串行接口等）集成到一片 CPU 上的时代。4 年后，Intel公司对这款产品进行了全面升级，8 位 MCS-51 单片机出现并获得了巨大的成功，奠定了嵌入式系统的单片机应用模式。到目前，51 系列单片机依然大学校园学习、应用最广泛的机型。然而，在工业控制中对处理器的要求往往比较高，除了要对各种接口进行实时控制以外，还要对各种设备状态、寄存器进行读写操作和屏幕显示，对数据线的位数要求较多，在这种需求下，8 位或 16 位处理器显然无法完全满足条件。1985 年，Acorn公司做出了自己的第一代 32 位、6M Hz 的处理器，并用它做了一台 RISC（精简指令集计算机），简称 ARM（Acorn RISC Machine）。这就是最早的 ARM 系列处理器，在之后的十几年中 ARM 公司系列陆续推出到 ARM11 系列。ARM11 系列基于 ARMv6 架构，是根据下一代消费电子、网络应用、无线设备和车载电子产品的需求而制定的。它强大的多媒体处理能力和低功耗等特点使得其特别适用于无线设备和消费类电子产品。值得一提的是，升级后的浮点运算能力使得 ARM11 可以胜任汽车电子的要求。本设计就是采用 ARM11 作为核心处理器，同时 ARM11 以后的产品全部更名为 ARM-Cortex 系列。

　　2012 年 AMD 公司宣布开始设计 64 位的 ARM 处理器，嵌入式微处理器正在以飞快的速度发展。80 年代早期开始，嵌入式的操作系统包含了一些传统操作系统的特征，例如任务管理、任务间通信、互斥与同步、中断和定时、内存管理等功能。常见的操作系统有 ReadySystem 公司的 VRTX，Integrated System Incorporation 公司的 PSOS 和 IMG 公司的VxWorks 等等。他们均采用占先式内核，响应时间短，内核代码量不大，可裁剪、移植到各种处理器上，具有可观的可靠性。90 年代以后，随着设计人员对实时操作的要求逐步提高，操作系统的软件规模不断增加，逐步发展成实时多任务操作系统（RTOS）。

　　嵌入式局域网通信终端设计开发：

效果图

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目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景及意义
　　　　1.2 嵌入式及其发展概述
　　　　1.3 多媒体网络及其发展
　　　　1.4 嵌入式通讯终端的概述
　　　　1.5 课题主要工作和论文结构
　　第二章 嵌入式系统的总体设计和说明
　　　　2.1 课题的需求分析
　　　　2.2 系统的工作原理分析
　　　　2.3 系统的硬件总体分析
　　　　2.4 系统的软件总体分析
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 嵌入式系统的硬件设计
　　　　3.1 硬件平台的总体选择
　　　　3.2 处理器
　　　　3.3 DDR 存储器
　　　　3.4 NAND FLASH 与 NOR FLASH
　　　　3.5 接口设计
　　　　　　3.5.1 UART
　　　　　　3.5.2 USB
　　　　　　3.5.3 SD 卡槽
　　　　　　3.5.4 JTAG 接口
　　　　　　3.5.5 以太网接口
　　　　3.6 音频设备
　　　　3.7 LCD 与触摸屏
　　　　3.8 本章小结
　　第四章 嵌入式系统与软件环境搭建
　　　　4.1 Bootloader 的移植
　　　　　　4.1.1 Uboot 分析
　　　　　　4.1.2 Uboot 移植
　　　　4.2 Linux 内核移植
　　　　　　4.2.1 Linux 内核分析
　　　　　　4.2.2 Linux 内核与设备驱动程序
　　　　　　4.2.3 内核的配置与编译
　　　　4.3 根文件系统的制作
　　　　　　4.3.1 根文件系统及选择
　　　　　　4.3.2 根文件系统镜像的制作
　　　　4.4 烧写 Linux 操作至开发板
　　　　4.5 软件环境的配置
　　　　　　4.5.1 上位机软件环境的搭建
　　　　　　4.5.2 samba 和 nfs 服务的配置
　　　　　　4.5.3 开发板 Qt 与 tslib 的移植
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 软件相关技术的介绍
　　　　5.1 TCP/IP 协议族
　　　　　　5.1.1 分层
　　　　　　5.1.2 数据封装
　　　　　　5.1.3 客户端-服务器模式
　　　　　　5.1.4 TCP 连接的建立、传输和终止
　　　　5.2 Qt 介绍
　　　　　　5.2.1 主要模块的分析
　　　　5.3 本章小结
　　第六章 通信设备的软件设计
　　　　6.1 手写板功能及其实现
　　　　　　6.1.1 绘图功能
　　　　　　6.1.2 UDP 传输
　　　　　　6.1.3 部分代码分析
　　　　6.2 语音传输的介绍和实现
　　　　　　6.2.1 语音缓存区介绍
　　　　　　6.2.2 录放音实现流程
　　　　　　6.2.3 音频的网络传输
　　　　　　6.2.4 网络传输的实现
　　　　6.3 效果展示
　　　　6.4 本章小结
　　第七章 总结和展望
　　参考文献
　　攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
　　致谢

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