有害動物智能聲防系統(tǒng)中音頻控制子系統(tǒng)的研制
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軟件的中間層是應用程序?qū)?，包?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/音頻">音頻解碼子程序、串口通信子程序、隨機數(shù)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(shù)和開源軟件作支持，使應用程序的實現(xiàn)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(xiàn)MP3數(shù)據(jù)的解碼，其過程只需打開對應的音頻設(shè)備文件，并將SD卡上待解碼的音頻文件映射到內(nèi)存中，然后調(diào)用libmad的解碼函數(shù)即可。在方案1的實現(xiàn)上，研發(fā)者需自己編程實現(xiàn)的FAT文件格式處理、音頻參數(shù)提取和設(shè)置、解碼數(shù)據(jù)讀寫控制等功能，在本方案中均是由操作系統(tǒng)驅(qū)動程序以及l(fā)ibmad解碼庫中的庫函數(shù)自動完成的。另外，在OSS音頻驅(qū)動和SD卡驅(qū)動的支持下，可方便地實現(xiàn)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(shù)據(jù)，雖文件較大，但沒有壓縮失真，其音質(zhì)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(xiàn)的功能基本相同，故其軟件的流程并無本質(zhì)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(diào)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(zhì)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(xiàn)中斷控制。在程序中設(shè)置為當串口收到數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)進程發(fā)出信號，系統(tǒng)進程收到信號后轉(zhuǎn)向執(zhí)行事先指定的處理程序，從而實現(xiàn)中斷控制。
4 兩種實現(xiàn)方案的實驗測試和對比
按上述兩方案構(gòu)建了實現(xiàn)農(nóng)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(jié)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(diào)整各種工作參數(shù)。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(xiàn)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(gòu)建，2種音頻控制子系統(tǒng)實現(xiàn)方案在功能、開發(fā)難度以及構(gòu)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(xiàn)有程序的數(shù)據(jù)讀寫效率限制，不能保證寫入解碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)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(xiàn)，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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(guān)注每個硬件設(shè)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(qū)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(nèi)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(diào)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(diào)試較為方便。
從構(gòu)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(gòu)建音頻控制子系統(tǒng)的性價比，與基于方案1構(gòu)建的相比已有優(yōu)勢。
數(shù)字化、智能化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)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(shù)、采用兩種技術(shù)方案研發(fā)實現(xiàn)了農(nóng)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(xiàn)，“單片機+硬件解碼”構(gòu)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(gòu)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。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/163084.htm
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