??? 摘??要：論述了CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻技術(shù)的發(fā)展，分析了嵌入CobraNet技術(shù)的CS1810xx網(wǎng)絡(luò)音頻處理芯片，并給出了應(yīng)用CS1810xx設(shè)計(jì)CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器" title="網(wǎng)絡(luò)音頻路由器">網(wǎng)絡(luò)音頻路由器的方法和硬件結(jié)構(gòu)。著重討論了CS1810xx的以太網(wǎng)控制接口設(shè)計(jì)，CS1810xx的固件" title="固件">固件裝載，主機(jī)接口的軟件設(shè)計(jì)" title="軟件設(shè)計(jì)">軟件設(shè)計(jì)等。
??? 關(guān)鍵詞：CobraNet；專業(yè)音頻；MCU；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
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??? 目前，CobraNet技術(shù)已成為專業(yè)音頻領(lǐng)域?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊环N標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的CobraNet產(chǎn)品可以無縫連接。
CobraNet技術(shù)解決了專業(yè)音頻信號" title="音頻信號">音頻信號在以太網(wǎng)平臺上傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性、時(shí)鐘同步、流量控制和傳輸控制等關(guān)鍵問題[1,2,4]。CobraNet技術(shù)采用等時(shí)同步傳輸技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸音頻數(shù)據(jù)包，等時(shí)延時(shí)最低等于
ms。它將局域網(wǎng)內(nèi)的CobraNet設(shè)備分成Conductor（主設(shè)備，一個(gè)系統(tǒng)僅有一個(gè)）和Performance（從設(shè)備，數(shù)量不限）設(shè)備，主設(shè)備等時(shí)發(fā)送時(shí)鐘節(jié)拍包（beat pack），從設(shè)備從節(jié)拍包中解析主設(shè)備的時(shí)鐘并用其同步本地時(shí)鐘，時(shí)鐘同步算法產(chǎn)生的時(shí)鐘跳變(jitter)小于25ppm。每個(gè)CobraNet設(shè)備在發(fā)送或接收音頻數(shù)據(jù)包前必須向主設(shè)備發(fā)出請求包，主設(shè)備匯總局域網(wǎng)內(nèi)所有請求，根據(jù)流量分析結(jié)果決定該音頻包能否發(fā)送或接收，從而避免網(wǎng)絡(luò)堵塞。音頻數(shù)據(jù)包支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)和廣播三種發(fā)送方式。應(yīng)用CobraNet技術(shù)在一根CAT-5類線上最多可傳輸64個(gè)通道的專業(yè)（采樣率48kHz，分辨率20/24bit）數(shù)字音頻信號。
2000年，美國專業(yè)音頻芯片制造商Cirrus Logic收購了peakaudio公司，并將CobraNet技術(shù)芯片化，開始批量生產(chǎn)CS1810xx和CS496xx（帶DSP處理功能）兩個(gè)系列的CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻處理器" title="音頻處理器">音頻處理器。
本文研究應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)音頻處理器CS1810xx設(shè)計(jì)CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器的方法。
1 CS1810xx網(wǎng)絡(luò)音頻處理器[5]
CS1810xx是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧、可以運(yùn)行CobraNet技術(shù)固件（音頻包的編解碼算法、時(shí)鐘同步算法等）的音頻處理器。CS1810xx采用LPQF144腳封裝，引腳可分為處理器外部總線、主機(jī)接口HMI（Host Management Interface）、數(shù)字音頻和異步通信等。
1.1 處理器外部總線
處理器外部總線相關(guān)引腳包括16根數(shù)據(jù)線DATA15～DATA0；20根地址線ADDR19～ADDR0；存儲器選通信號#CS1、#CS2，讀寫信號#WE、#OE和外設(shè)等待信號IOWAIT等。
利用總線可以擴(kuò)展外部存儲器或擴(kuò)展帶微處理器接口的以太網(wǎng)控制器。
1.2 主機(jī)接口控制
???主機(jī)接口是CS1810xx的主要外設(shè)(主機(jī)控制有motorola和intel兩種讀寫時(shí)序)，主機(jī)控制信號相關(guān)引腳：
(1) 讀寫方向控制HR#W、主機(jī)使能#HDS、主機(jī)選通#HDS、主機(jī)端口數(shù)據(jù)請求輸出#HREQ、主機(jī)端口中斷請求輸出#HACK。
(2) 主機(jī)控制數(shù)據(jù)線HDATA7～HDATA0，寬度8位。
(3) 主機(jī)低位地址4位，對應(yīng)HADDR3～HADDR0。
1.3 數(shù)字音頻
數(shù)字音頻相關(guān)引腳：
??? (1) 時(shí)鐘類：主時(shí)鐘(通常是512倍幀時(shí)鐘)DAO-MCLK，移位時(shí)鐘DAI1-SCLK/DAO1-SCLK，幀時(shí)鐘DAI1-LRCK/DAO2-LRCK。
??? (2) 同步串行音頻輸入數(shù)據(jù)(每根2個(gè)通道)DAI1_DATA3～DAI1_DATA0。
??? (3) 同步串行音頻輸出數(shù)據(jù)（每根2個(gè)通道）DAO1_DATA3～DAO1_DATA0。
??? 串行音頻輸入有兩種模式。模式1如圖1，一幀內(nèi)每根同步串行輸入/輸出內(nèi)部包含兩個(gè)通道(一個(gè)立體聲)音頻信號。模式2如圖2，一幀內(nèi)每根同步串行輸入/輸出內(nèi)部包含四個(gè)通道音頻信號。
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1.4 其他
??? 異步通信由UART_TXD、UART_RXD和UART_TX_OE組成。
??? 信號DBCK和DBDATA提供I2C接口，主要用于引導(dǎo)程序（bootloader）的裝載。
2 CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器的硬件設(shè)計(jì)
??? 圖3是CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器的硬件設(shè)計(jì)框圖。
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2.1 CS1810xx部分電路
??? CS1810xx部分電路主要有以太網(wǎng)接口、并行FLASH接口、串行音頻數(shù)據(jù)輸入/輸出和下載接口等。
??? CS1810xx內(nèi)部并沒有集成以太網(wǎng)控制器，為此選用帶通用微處理接口、包含MAC控制器并集成10/100MPHY接口的以太網(wǎng)接口單芯片DM9000E作為CS1810xx的接口芯片。DM9000E的PHY輸出直接與磁芯變壓器一體化的RJ45網(wǎng)頭相連，原理設(shè)計(jì)如圖4。
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??? 并行FLASH用于存儲處理器的固件，選用1MB的AM29LV800DB-90EC。AD選用Cirrus Logic公司CS5396[6]，DA選用Cirrus Logic公司CS4396[7]。
??? 下載接口用于處理器裝載引導(dǎo)程序，其接口原理設(shè)計(jì)如圖5所示。
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2.2 MCU部分
??? MCU通過CS1810xx處理器提供的主機(jī)接口與處理器進(jìn)行通信。考慮CS1810xx提供8位主機(jī)接口數(shù)據(jù)寬度，MCU選用Philipp公司的P89V51RD2八位微控制器，MCU相關(guān)接口有RS232異步通信、LCD液晶顯示、鍵盤輸入等，其中LCD選用144X32的內(nèi)嵌漢字字庫的點(diǎn)陣液晶LM3037。CS1810xx地址鎖存和譯碼、MCU地址鎖存和譯碼等邏輯控制選用Xilinx公司的CPLD XC9572-100PQ實(shí)現(xiàn)。
3 CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器的軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件設(shè)計(jì)包括CS1810xx固件裝載和MCU軟件設(shè)計(jì)兩部分。
3.1 CS1810xx固件裝載
??? CS1810xx固件裝載[3]由bootloader裝載和應(yīng)用程序裝載兩部分組成。
??? 用電纜將計(jì)算機(jī)的并口和目標(biāo)板的下載接口相連，運(yùn)行Cirrus Logic公司提供的windows環(huán)境下的DOS應(yīng)用程序CID，執(zhí)行命令“e lcm2.cmd”實(shí)現(xiàn)bootloader裝載，完成以太網(wǎng)接口和主機(jī)接口等驅(qū)動(dòng)安裝。將目標(biāo)機(jī)接入以太網(wǎng)并重新啟動(dòng)，運(yùn)行Winows環(huán)境下的另一個(gè)工具軟件Discovery，該軟件會(huì)自動(dòng)查找局域網(wǎng)內(nèi)的CobraNet設(shè)備，給目標(biāo)機(jī)分配IP地址，并利用工具選項(xiàng)update firmware下載處理器的最新應(yīng)用軟件。
3.2 MCU軟件設(shè)計(jì)
??? MCU軟件設(shè)計(jì)包括液晶顯示控制、RS232通信協(xié)議制訂和處理、鍵盤掃描和與CS1810xx之間的主機(jī)接口通信等。其中，最關(guān)鍵部分是與CS1810xx主機(jī)接口部分程序的編寫。
??? MCU與CS1810xx之間通信的實(shí)質(zhì)是對處理器CS1810xx內(nèi)存映射存儲單元的讀寫。HMI主機(jī)接口的數(shù)據(jù)寬度是8位，而CS1810xx內(nèi)部核心是數(shù)據(jù)寬度等于32位的Motorola定點(diǎn)DSP處理器。
??? CS1810xx內(nèi)部主機(jī)接口部分提供8個(gè)8位寄存器，其地址由基址HMI-BASE，即CS1810xx的主機(jī)選通或使能信號 （#HDS、#HEN）地址，和低位HADD3～HADD0之和決定。0～8位地址分別對應(yīng)信息寄存器MSG_A（MS）、MSG_B、MSG_C、MSG_D（LS）和數(shù)據(jù)DATA_A（MS）、DATA_B、DATA_C、DATA_D（LS）。
??? 主機(jī)可以向CS1810xx發(fā)送10種消息。消息功能和對應(yīng)信息寄存器的值如表1所示。
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??? CS1810xx收到消息后，將主要處理結(jié)果存放在信息寄存器MSG_D中，MSG_D中各位對應(yīng)的狀態(tài)是：bit0——信息翻轉(zhuǎn)位，bit1——接收包有效位，bit2——包發(fā)送完成位，bit3——地址轉(zhuǎn)換完成位，bit4——可寫區(qū)位。
主機(jī)讀寫過程如圖6，設(shè)置地址過程如圖7，程序代碼如下：
void SendMessage(uchar message )
{
???? int msgack = ReadRegister(HMI_BASE+MSG_D);???? ?????????????? //保留原信息
???? WriteRegister(HMI_BASE+MSG_D, message);
????????? ??? //寫入新消息
???? while(!((msgack^ReadRegister(HMI_BASE+MSG_D))
?? & 0x01))? ????? //等待第0位翻轉(zhuǎn)
}
void SetAddress(ulong address )
{
???? ?????? ? //設(shè)置第16～23位、第8～15位、第0～7位地址
WriteRegister(HMI_BASE+MSG_A,(uchar)((address&0xff0000)
>>16));
WriteRegister(HMI_BASE+MSG_B,(uchar)((address&0xff00)
>>8));??
WriteRegister(HMI_BASE+MSG_C, (uchar)(address&0xff));
? SendMessage(0xB3);?
???? //發(fā)地址轉(zhuǎn)換消息,并等待CS1810xx響應(yīng)
while( !(ReadRegister(HMI_BASE+MSG_D) & 0x08);
??? //等待地址寫入轉(zhuǎn)換結(jié)束，開始讀地址轉(zhuǎn)換消息
WriteRegister(HMI_BASE+ MSG_C, 0x0 );?
???? ???//信息寄存器MsgC寫入0
SendMessage(0xB5);? ?? //發(fā)送消息,結(jié)束地址設(shè)置
ReadRegister(HMI_BASE+DATA_D);??? //清除數(shù)據(jù)管道
}
?
?
MCU微控制軟件由主循環(huán)、按鍵中斷和串行接收中斷等組成。
PC機(jī)通過SNMP協(xié)議發(fā)送命令改變CS1810xx中的接收或發(fā)送音頻通道的BUNDLE編號，改變音頻路由狀態(tài)。MCU在主循環(huán)中還不斷掃描CS1810xx各音頻通道的音量，然后將音量值以音量柱的形式在LCD界面上顯示。
路由控制還可以通過按鍵中斷和串行中斷實(shí)現(xiàn)。收到中斷路由命令后MCU直接通過CS1810xx的主機(jī)接口改變CS1810xx的路由，這種路由方式的響應(yīng)速度要快于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)命令，尤其是按鍵控制可以脫離PC對CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器實(shí)施路由控制。
本文研制的具有8個(gè)通道輸入和8通道輸出的CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻路由器已經(jīng)批量生產(chǎn)，并以多個(gè)硬件設(shè)備為基礎(chǔ)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)，配合控制軟件，實(shí)現(xiàn)了音頻信號的全數(shù)字化傳輸、交換、監(jiān)測、智能切換等功能。
參考文獻(xiàn)
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[4]? Cirrus Logic, Inc., Audio Networks An Overview, 2001.
[5]? Cirrus Logic, Inc.,CobraNet Silicon Series Hardware User’s ?Manual Version 2.2, Mar., 2006.
[6]?Cirrus Logic, Inc.,192 kHz D/A Converter for Digital?Audio-CS5396/7,Sep.,1997.
[7]?Cirrus Logic, Inc., 24-Bit, 192kHz D/A Converter for?Digital Audio-CS4396,Jul.199924-Bit.