有害動物智能聲防系統(tǒng)中音頻控制子系統(tǒng)的研制

作者：時間：2010-05-13 來源：網絡

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Linux環(huán)境下，應用程序對硬件設備的訪問，需依靠運行在內核中的驅動程序作橋梁――軟件底層的驅動層提供了系統(tǒng)中所有硬件設備的操作接口，包括RS-232串口驅動、SD方式的SD卡驅動、兼容UDA1341音頻芯片的OSS(Open Sound System)音頻驅動及LCD驅動等；且?guī)缀跛序寗映绦蚓蒐inux直接提供，無需研發(fā)者自己編寫。
軟件的中間層是應用程序層，包括音頻解碼子程序、串口通信子程序、隨機數生成子程序等。在嵌入式Linux環(huán)境下，有更豐富的系統(tǒng)函數和開源軟件作支持，使應用程序的實現更容易。例如，其中的MP3解碼子程序采用音頻解碼庫libmad提供的高級API編寫。libmad是一個開源的高精度MPEG音頻解碼庫，它支持MPEG-1標準中Layer I、Layer II和LayerIII（即MP3）格式的音頻解碼，且解碼過程使用定點計算，非常適合沒有浮點運算支持的平臺(如ARM平臺)。使用libmad提供的高級API，很容易實現MP3數據的解碼，其過程只需打開對應的音頻設備文件，并將SD卡上待解碼的音頻文件映射到內存中，然后調用libmad的解碼函數即可。在方案1的實現上，研發(fā)者需自己編程實現的FAT文件格式處理、音頻參數提取和設置、解碼數據讀寫控制等功能，在本方案中均是由操作系統(tǒng)驅動程序以及l(fā)ibmad解碼庫中的庫函數自動完成的。另外，在OSS音頻驅動和SD卡驅動的支持下，可方便地實現對WAV音頻文件播放子程序的編制。WAV音頻文件由于直接存儲了PCM編碼的音頻數據，雖文件較大，但沒有壓縮失真，其音質也優(yōu)于MP3。
軟件的上層是流程控制層。由于方案2與方案1所實現的功能基本相同，故其軟件的流程并無本質差異，具體功能仍可參見圖3。嵌入式Linux具備多任務管理功能，即能以分時復用方式“同時”處理多個進程，并提供有多種進程間的通信協(xié)調機制，例如信號機制等。信號機制用于多任務間的通信，其實質是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬。與方案1不同的是，在嵌入式Linux環(huán)境中，使用信號機制能方便地實現中斷控制。在程序中設置為當串口收到數據時，向系統(tǒng)進程發(fā)出信號，系統(tǒng)進程收到信號后轉向執(zhí)行事先指定的處理程序，從而實現中斷控制。
4 兩種實現方案的實驗測試和對比
按上述兩方案構建了實現農作物有害動物智能化聲防系統(tǒng)用的音頻控制子系統(tǒng)。實驗測試結果表明，以兩種方案研發(fā)的音頻控制子系統(tǒng)均達到了預期目標，能準確、可靠地與無線通信模塊通信，在總控制器控制下實時調整各種工作參數。音頻控制子系統(tǒng)在觸發(fā)、隨機2種工作模式下，均能準確、清晰地播放當前聲防目標對應的音頻文件。采用可熱插拔的SD卡確保了聲防音頻文件更新方便。而且基于所采用的FAT16文件格式，該子系統(tǒng)能支持最高容量為2 GB的SD卡，實現了大容量音頻文件的可靠存儲。
由于采用不同的硬件平臺而構建，2種音頻控制子系統(tǒng)實現方案在功能、開發(fā)難度以及構建成本等方面有所不同。
在功能方面，方案1能對比特率在192 kb/s及以下的MP3文件做流暢的解碼播放，但播放更高比特率的文件時，受AT89C51SND1處理速度以及現有程序的數據讀寫效率限制，不能保證寫入解碼緩沖區(qū)數據的連續(xù)性，從而導致輸出聲音有間斷。而且由于硬件解碼的限制，不能對其他格式的音頻文件進行解碼播放。方案2由于采用軟件解碼，且所選用微處理器S3C2440的主頻達400 MHz，理論上只要移植對應的解碼子程序，便可對任何格式的音頻文件進行解碼播放。對方案2的測試發(fā)現，其確實能對任意比特率的MP3、WAV格式的音頻文件進行解碼播放。而且方案2中，系統(tǒng)完全有能力在完成音頻解碼任務之同時，還處理更多復雜的任務(MP3解碼程序只占用了S3C2440處理能力的7%左右)，具有很強的擴展性。例如，音頻控制子系統(tǒng)可在探測器節(jié)點發(fā)現有害動物后進行聲音采集或視頻采集，并運行語音識別子程序或經視覺檢測對探測到的有害動物種類進行判斷，從而使整個聲防系統(tǒng)的聲防目標更準確，達到更好的聲防效果。另外，由于嵌入式操作系統(tǒng)對硬件的屏蔽性，實現方案2的軟件很容易在其他硬件平臺上移植。
在軟件開發(fā)過程中，方案1需要關注每個硬件設備的操作細節(jié)，其軟件的編程量較大。而方案2由于所選用的Linux操作系統(tǒng)直接提供硬件驅動程序，且也有大量開源軟件資源可供應用程序編程所利用，故其軟件的開發(fā)相對容易。但方案2需移植嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，包括建立BootLoader引導程序，配置、編譯并移植操作系統(tǒng)內核和文件系統(tǒng)等，這與采用向單片機直接燒寫程序的方案1相比，開發(fā)難度稍大。在軟件調試方面，方案1中單片機程序的每次變更都需重新寫入ROM。而方案2可利用Linux的網絡功能，將微機上的編程目錄以NFS方式掛載在嵌入式Linux文件系統(tǒng)中，從而實現在微機端編寫、修改程序，在嵌入式Linux系統(tǒng)上直接“遠程”運行修改后的程序，調試較為方便。
從構建成本上比較，方案1的硬件成本更低一些。但隨著制造工藝的不斷進步，32 bit微處理器的成本會進一步降低，再考慮外圍器件的成本，以方案2構建音頻控制子系統(tǒng)的性價比，與基于方案1構建的相比已有優(yōu)勢。
數字化、智能化是農業(yè)現代化發(fā)展的必然趨勢。為確保可靠性和性能最優(yōu)，本文利用嵌入式技術、采用兩種技術方案研發(fā)實現了農作物有害動物智能化聲防系統(tǒng)中起重要作用的音頻控制子系統(tǒng)。實驗測試發(fā)現，“單片機+硬件解碼”構建方案能基本滿足功能需求，但其系統(tǒng)性能和升級擴展能力受到硬件限制；而“ARM微處理器+軟件解碼”構建方案能完全滿足功能需求，而且具有很強的擴展性和可移植性。