摘要

　　由于對通訊手段的要求日益增多，在語(yǔ)音通信已經(jīng)逐漸滿(mǎn)足不了日常生活的今天，人們在尋求新的通訊途徑上投入了越來(lái)越多的精力。本設計針對一般通信方式只能語(yǔ)音交流的不足，提出一種了語(yǔ)音和手稿批注演示同步傳輸的交流方式，旨在改善了現代會(huì )議、工作、教育上遇到的地域性語(yǔ)言交流障礙問(wèn)題。

　　本設計以 ARM11 為核心處理器，基于 Linux 的嵌入式平臺。該設備在滿(mǎn)足手寫(xiě)板一對多傳送的同時(shí)保留傳統的語(yǔ)音通話(huà)需求，系統采用嵌入式系統實(shí)現，放棄了使用模擬電路的思路，利用嵌入式專(zhuān)用的微處理器芯片和專(zhuān)用語(yǔ)音芯片實(shí)現語(yǔ)音和手寫(xiě)板數據的實(shí)時(shí)傳輸。并且，系統安裝了液晶屏和觸摸屏，使得同時(shí)傳輸手寫(xiě)數據和語(yǔ)音數據成為可能。通過(guò)該設備，使用者可以通過(guò)局域網(wǎng)輕松的與一個(gè)或多個(gè)使用者進(jìn)行語(yǔ)音和手寫(xiě)交流。

　　本設計主要完成了手寫(xiě)板和語(yǔ)音信號的實(shí)時(shí)傳輸兩項功能。在手寫(xiě)板功能的實(shí)現中，使用 Qt 鼠標（觸摸）事件記錄光標位置并出發(fā)繪畫(huà)事件造成 QPaintEvent 在 QImage 上的繪畫(huà)行為完成手寫(xiě)板的記錄功能。使用 UDP 協(xié)議發(fā)送坐標點(diǎn)完成傳輸功能。語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸功能的實(shí)現主要使用了 QtMultimedia 模塊的相關(guān)功能，使用 QAudioInput/Output設備將語(yǔ)音信號錄制在 4 個(gè)文件緩存區中，搭建客戶(hù)端-服務(wù)器框架使用 TCP 協(xié)議發(fā)送緩存文件從而完成語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸功能。

　　關(guān)鍵字：嵌入式，Linux，語(yǔ)音實(shí)時(shí)，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

　　隨著(zhù)社會(huì )的不斷發(fā)展，嵌入式系統進(jìn)步到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年，從最開(kāi)始的涓涓細流，發(fā)展成了目前范圍最廣、使用數量最多的電子信息設備。在人們的生活中，嵌入式設備幾乎隨處可見(jiàn)，已經(jīng)成為生活的重要組成部分。它在提高人們工作效率，提高生活質(zhì)量甚至保護生命安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。

　　嵌入式設備有很廣泛的應用范圍，如 PDA（個(gè)人數字輔助設備）、網(wǎng)絡(luò )通信設備、工業(yè)控制等，小到手機、電視遙控器、時(shí)鐘，大到汽車(chē)、輪船、飛機，從民用設備到軍用設備，都包含有嵌入式的相關(guān)系統和設備，他們在設備的信息處理中發(fā)揮著(zhù)核心的作用。

　　個(gè)人計算機（PC）已經(jīng)走入我們的日常生活。一提起計算機，許多人首先想到 PC機，的確，人類(lèi)進(jìn)入信息化時(shí)代最顯著(zhù)的代表便是 PC 機，嵌入式設備進(jìn)入人們視野的相對時(shí)間較短，雖然其數量眾多，但卻往往不被人們所發(fā)現，其中，最重要的原因是嵌入式系統一般隱藏在產(chǎn)品中，其信息的處理過(guò)程不對使用者開(kāi)放，不容易被發(fā)現。此外嵌入式設備的使用并不是以硬件性能作為第一目標的，往往不是市場(chǎng)上爭論的熱點(diǎn)。盡管如此，隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷成熟，“嵌入式”這個(gè)詞逐漸被人們悉知，近十幾年，在數量上也大大超過(guò)通用計算機。因此有人預測，在將來(lái)的很長(cháng)時(shí)間內，我們都將停留在以嵌入式系統為主導的后 PC 時(shí)代。

　　由于人們在日常生活中對通訊的要求日漸增多，單一的語(yǔ)音通信已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們在日常生活、尤其是工作、會(huì )議中的遠程交流。傳統的通信設備例如手機、固定電話(huà)等在過(guò)去的幾十年給人們的通訊需求帶來(lái)了極大的改善，使得處身異地的朋友、親人能夠遠距離交流。但不可否認這些設備自身依然存在一些不足，例如：中國地域寬廣，方言眾多，僅僅靠語(yǔ)音交流的形式較難表達通信雙方的意思，因此出現了交流障礙。另外，在我國一些偏遠地區，交通不便，教育和經(jīng)濟的發(fā)展尚有較大缺陷，尤其是教育資源的缺乏，使得這些地區的學(xué)生不能收到與城市學(xué)校同等質(zhì)量的教學(xué)。此外，在現代會(huì )議中，交流方式已經(jīng)從單一的語(yǔ)言交流升級為圖片演示，手稿交流。如何設計一種多用途的通信終端，使得該設備既能滿(mǎn)足近程的語(yǔ)音交流，又能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)手稿批注演示和視頻實(shí)時(shí)傳輸，成為一個(gè)較為急切的需求。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、多媒體技術(shù)的發(fā)展，傳統的通信手段已經(jīng)逐漸被高效、數字化、網(wǎng)絡(luò )化的新型通信方式所取代。在這樣的背景中，本課題通過(guò)對以上幾種技術(shù)的應用，設計了一種解決上述問(wèn)題，方便人們通信交流的設備。

　　本課題的目的是設計一種基于 Linux 系統的嵌入式局域網(wǎng)通信設備。該設備首先要滿(mǎn)足手寫(xiě)板的一對多傳輸，同時(shí)保留傳統的語(yǔ)音通話(huà)需求，系統采用嵌入式系統實(shí)現，放棄了使用模擬電路的思路，利用嵌入式專(zhuān)用的微處理器芯片和專(zhuān)用語(yǔ)音芯片實(shí)現語(yǔ)音和手寫(xiě)板數據的實(shí)時(shí)傳輸。并且安裝了液晶屏和觸摸屏，使得同時(shí)傳輸手寫(xiě)數據和語(yǔ)音數據成為可能。通過(guò)該設備，使用者可以通過(guò)局域網(wǎng)輕松的與一個(gè)或多個(gè)使用者進(jìn)行語(yǔ)音和手寫(xiě)交流，如果有必要，也可以進(jìn)行視頻交流。[1-6]

　　這種基于 Linux 系統的嵌入式局域網(wǎng)通信設備實(shí)現的意義有如下幾個(gè)方面：1）該系統在增加圖文傳輸的基礎上，保留了基本的語(yǔ)音通信功能。使得使用雙方可以通過(guò)設備更加清楚明白的交流，減少了由于語(yǔ)言不通或者意思表達不暢而造成的困擾。2）對于部分聲音交流有困難的使用者，這種設備的優(yōu)越性便可以體現出來(lái)。3）在中遠程教育方面，教師可以通過(guò)該設備與偏遠地區的學(xué)生進(jìn)行一對多交流，從某種程度上彌補了地區教育資源部均衡的問(wèn)題。在一些講座或教學(xué)場(chǎng)景中，授課者往往只限于在黑板上書(shū)寫(xiě)，這種傳統方式效率不高而且粉塵也會(huì )對呼吸道造成影響，通過(guò)本系統的設計思想，可以使授課板書(shū)更加高效、健康，無(wú)形中提升了教學(xué)質(zhì)量。

　　嵌入式系統由于其廣泛的使用范圍而并沒(méi)有一個(gè)絕對的定義，一般我們可以認為嵌入式系統指的是非 PC 系統。就現在普遍的認知而給出的定義是：以應用為核心目的，其軟硬件均可裁剪，對功能、體積、成本、可靠性和功耗的性能有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式系統主要可分為兩部分，即軟件和硬件部分。軟件方面主要包括操作系統和應用程序編程，硬件部分則主要包括微處理器、存儲器、I/O 端口、其他外設器、聲音和圖形控制器等等。它幾乎涵蓋了生活和生產(chǎn)中所有的電器設備，或者說(shuō)，幾乎每一個(gè)電氣設備都屬于嵌入式技術(shù)改造與開(kāi)發(fā)的對象。所以嵌入式的發(fā)展情況要分軟件和硬件來(lái)討論。

　　1976 年 Intel 公司推出了 MCS-48 單片機，這個(gè)“簡(jiǎn)單”的芯片成為當時(shí)世界上第一個(gè)單片機，雖然他只有 1KB 的 ROM 和 64B 的 RAM。它的出現同時(shí)也開(kāi)創(chuàng )了將各種外設資源（如 ROM、定時(shí)器、串行接口等）集成到一片 CPU 上的時(shí)代。4 年后，Intel公司對這款產(chǎn)品進(jìn)行了全面升級，8 位 MCS-51 單片機出現并獲得了巨大的成功，奠定了嵌入式系統的單片機應用模式。到目前，51 系列單片機依然大學(xué)校園學(xué)習、應用最廣泛的機型。然而，在工業(yè)控制中對處理器的要求往往比較高，除了要對各種接口進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以外，還要對各種設備狀態(tài)、寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作和屏幕顯示，對數據線(xiàn)的位數要求較多，在這種需求下，8 位或 16 位處理器顯然無(wú)法完全滿(mǎn)足條件。1985 年，Acorn公司做出了自己的第一代 32 位、6M Hz 的處理器，并用它做了一臺 RISC（精簡(jiǎn)指令集計算機），簡(jiǎn)稱(chēng) ARM（Acorn RISC Machine）。這就是最早的 ARM 系列處理器，在之后的十幾年中 ARM 公司系列陸續推出到 ARM11 系列。ARM11 系列基于 ARMv6 架構，是根據下一代消費電子、網(wǎng)絡(luò )應用、無(wú)線(xiàn)設備和車(chē)載電子產(chǎn)品的需求而制定的。它強大的多媒體處理能力和低功耗等特點(diǎn)使得其特別適用于無(wú)線(xiàn)設備和消費類(lèi)電子產(chǎn)品。值得一提的是，升級后的浮點(diǎn)運算能力使得 ARM11 可以勝任汽車(chē)電子的要求。本設計就是采用 ARM11 作為核心處理器，同時(shí) ARM11 以后的產(chǎn)品全部更名為 ARM-Cortex 系列。

　　2012 年 AMD 公司宣布開(kāi)始設計 64 位的 ARM 處理器，嵌入式微處理器正在以飛快的速度發(fā)展。80 年代早期開(kāi)始，嵌入式的操作系統包含了一些傳統操作系統的特征，例如任務(wù)管理、任務(wù)間通信、互斥與同步、中斷和定時(shí)、內存管理等功能。常見(jiàn)的操作系統有 ReadySystem 公司的 VRTX，Integrated System Incorporation 公司的 PSOS 和 IMG 公司的VxWorks 等等。他們均采用占先式內核，響應時(shí)間短，內核代碼量不大，可裁剪、移植到各種處理器上，具有可觀(guān)的可靠性。90 年代以后，隨著(zhù)設計人員對實(shí)時(shí)操作的要求逐步提高，操作系統的軟件規模不斷增加，逐步發(fā)展成實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統（RTOS）。

　　嵌入式局域網(wǎng)通信終端設計開(kāi)發(fā)：

效果圖

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目 錄

　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題研究的背景及意義
　　　　1.2 嵌入式及其發(fā)展概述
　　　　1.3 多媒體網(wǎng)絡(luò )及其發(fā)展
　　　　1.4 嵌入式通訊終端的概述
　　　　1.5 課題主要工作和論文結構
　　第二章 嵌入式系統的總體設計和說(shuō)明
　　　　2.1 課題的需求分析
　　　　2.2 系統的工作原理分析
　　　　2.3 系統的硬件總體分析
　　　　2.4 系統的軟件總體分析
　　　　2.5 本章小結
　　第三章 嵌入式系統的硬件設計
　　　　3.1 硬件平臺的總體選擇
　　　　3.2 處理器
　　　　3.3 DDR 存儲器
　　　　3.4 NAND FLASH 與 NOR FLASH
　　　　3.5 接口設計
　　　　　　3.5.1 UART
　　　　　　3.5.2 USB
　　　　　　3.5.3 SD 卡槽
　　　　　　3.5.4 JTAG 接口
　　　　　　3.5.5 以太網(wǎng)接口
　　　　3.6 音頻設備
　　　　3.7 LCD 與觸摸屏
　　　　3.8 本章小結
　　第四章 嵌入式系統與軟件環(huán)境搭建
　　　　4.1 Bootloader 的移植
　　　　　　4.1.1 Uboot 分析
　　　　　　4.1.2 Uboot 移植
　　　　4.2 Linux 內核移植
　　　　　　4.2.1 Linux 內核分析
　　　　　　4.2.2 Linux 內核與設備驅動(dòng)程序
　　　　　　4.2.3 內核的配置與編譯
　　　　4.3 根文件系統的制作
　　　　　　4.3.1 根文件系統及選擇
　　　　　　4.3.2 根文件系統鏡像的制作
　　　　4.4 燒寫(xiě) Linux 操作至開(kāi)發(fā)板
　　　　4.5 軟件環(huán)境的配置
　　　　　　4.5.1 上位機軟件環(huán)境的搭建
　　　　　　4.5.2 samba 和 nfs 服務(wù)的配置
　　　　　　4.5.3 開(kāi)發(fā)板 Qt 與 tslib 的移植
　　　　4.6 本章小結
　　第五章 軟件相關(guān)技術(shù)的介紹
　　　　5.1 TCP/IP 協(xié)議族
　　　　　　5.1.1 分層
　　　　　　5.1.2 數據封裝
　　　　　　5.1.3 客戶(hù)端-服務(wù)器模式
　　　　　　5.1.4 TCP 連接的建立、傳輸和終止
　　　　5.2 Qt 介紹
　　　　　　5.2.1 主要模塊的分析
　　　　5.3 本章小結
　　第六章 通信設備的軟件設計
　　　　6.1 手寫(xiě)板功能及其實(shí)現
　　　　　　6.1.1 繪圖功能
　　　　　　6.1.2 UDP 傳輸
　　　　　　6.1.3 部分代碼分析
　　　　6.2 語(yǔ)音傳輸的介紹和實(shí)現
　　　　　　6.2.1 語(yǔ)音緩存區介紹
　　　　　　6.2.2 錄放音實(shí)現流程
　　　　　　6.2.3 音頻的網(wǎng)絡(luò )傳輸
　　　　　　6.2.4 網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)現
　　　　6.3 效果展示
　　　　6.4 本章小結
　　第七章 總結和展望
　　參考文獻
　　攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果
　　致謝

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