专利名称：多路音频任意交换、混音的装置的制作方法
技术领域：
本发明属多媒体教育设备技术领域，尤其是涉及一种可对64路音频信号进行任意交换，混音的装置。可应用于语言实验室，音乐教学、制作，电话语音交换等场合。
技术背景传统的音频交换设备，例如应用于语言实验室的电子设备，使用的是模拟电子技术。一般地，这样的设备包括一个教师控制台和数个学生终端，教师和学生的语音信息通过电子的模拟信号进行传输和切换。由于采用模拟信号技术，此类装置存在诸多缺点，例如模拟的语音信号容易受到电磁干扰；语音录音需通过磁带方式，不易保存等等。近年来随着数字电路的发展，市场上出现了一些数字语音交换设备，其主要应用领域也是语音、音乐教学实验室。这些产品解决了模拟信号易受干扰，语音不便保存等问题，但是此类设备一般采用的是基于网络连接，软件操作的方法。具体来讲，此类设备的各个语音终端之间使用基于以太网的网络交换机连接，语音信号经过一台服务器(一台家用计算机)进行处理，运行在服务器上的软件完成各路语音信号的交换功能。此类装置的缺点主要在于服务器处理能力有限，设备只能完成语音信号的部分交换功能，例如同一时间只能选择某一个或者有限的几个语音终端作为音源。同时，若音频信号质量越高，音频数据率则越高，受处理器处理能力限制，设备的音频质量和所能驱动的音频终端数量都有限。
发明内容本发明的目的是提供一种可以使多路音频信号同时任意交换，任意混音、放音、录
音的装置。为了达到上述发明目的，本发明的一种多路音频任意交换、混音的装置主要由服务器PC、主控机和终端机组成。服务器PC是一个带有USB接口的计算机，主控机具有USB 接口芯片，还具有一片或多片FPGA芯片，FPGA芯片与USB接口芯片之间通过信号线连接， 负责接收服务器PC的指令、音频数据，收集各个终端音频数据，向各个终端发送音频数据， 并且可以驱动多个终端机；终端机使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机，以及线路音频输入，负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。服务器PC与主控机通过USB接口连接，实现双向通信，服务器PC作为USB主设备， 主控机作为USB从设备，主控机与终端机之间可以通过RS485芯片建立差分信号连接，也可以使用光纤建立光电信号连接，对于较短距离的传输，通过低成本的RS485芯片建立差分信号连接，终端机所需的供电与数据信号都通过具有4对连线的五类双绞线连接；对于长距离传输，主控机与终端机之间配备光电转换器，使用光纤连接，终端机所需电源在远端自行供给。主控机主要由三片FPGA芯片和一个USB接口芯片依次连接组成，混音FPGA芯片通过信号线与USB接口芯片连接，USB接口芯片再通过USB连接线与服务器PC连接，混音FPGA芯片通过FPGA芯片之间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片级联，终端驱动FPGA 芯片驱动32个终端机，终端机与主控机通过全双工485驱动器或者光电转换器建立信号连接，485驱动器或者光电转换器与终端驱动FPGA芯片都通过电信号在主控机内部互连。混音FPGA芯片由USB芯片接口模块、交换混音指令缓存、音频交换、混音逻辑模块、音频数据发送缓冲区、音频数据收集缓冲区、音频数据发送逻辑、音频数据收集逻辑、指令发送模块、按键收集模块连接组成。终端驱动FPGA由上游数据发送接口、本地数据发送模块、下游数据发送接口、上游数据接收接口、本地数据接收模块、下游数据接收接口、数据分发驱动模块、数据收集驱动模块连接组成，上游数据发送接口与上游FPGA芯片连接。终端机主要由信号转换器、终端FPGA芯片、音频插座、显示缓存、液晶屏、按键、立体声音频编码解码芯片连接组成，信号转换器是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA 芯片通过电信号连接，终端FPGA芯片是终端机的核心器件，它使用串行异步协议与主控机建立连接，终端机配备有液晶屏。终端FPGA芯片由数据收发模块、显示缓存控制器、液晶驱动模块、按键扫描模块、 CODEC驱动模块连接组成。采用上述方案，本装置驱动的64路音频终端中的任何一路，可以在同一时刻，以 44. IKHz采样率的双声道立体声音质收听到这64路中任选多路的混音信号。另外由于使用纯硬件完成工作，音频信号的传播延时小于1毫秒，这是基于软件的方法较难实现的，这种高质量的任意全交换混音功能也是创新性的。由于使用了 USB接口，使用一台笔记本电脑即可实现对系统的控制，可以将电脑里存储的音频文件发送给终端，可以实现单首歌曲对64路终端的广播，或者各路终端点播电脑里的不同歌曲。如果将多个主控机级联，那么还可以实现大于64路的音频交换。
图1是本装置的系统结构框图。图2是主控机结构框图。图3是主控机内混音FPGA芯片模块结构图。图4是主控机内终端驱动FPGA芯片模块结构图。图5是终端机结构框图。图6是终端机内FPGA芯片模块结构图。图7是交换混音功能示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式
如图1所示，本装置的整个系统主要由三种部件组成。第一种部件是服务器PC 101。它是一个带有USB接口的计算机，功能是负责设置系统参数，例如交换、混音模式设置，放音、录音以及解析终端的按键，控制终端的液晶屏显示内容等；第二种部件是主控机 102，主控机102是一个自行设计的电子设备，它完成接收服务器PClOl的指令、音频数据， 收集各个终端音频数据，向各个终端发送音频数据，对各路音频数据进行切换混音等核心功能；第三种部件是终端机103，每个终端机可以外接麦克风、耳机105，以及线路音频输入，例如CD唱机106，电子琴107，电吉他108等。终端机103负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。整个装置的供电由主控机102的电源连接插头104与市电连接，并在102中经开关电源转换成安全低电压后供给主控机102，并分配给各个终端机103。一个主控机可以驱动多个终端机。服务器PClOl与主控机102之间使用一根支持USB2. 0协议的连接线通过USB接口连接，服务器PClOl作为USB主设备， 主控机102作为USB从设备。服务器PClOl上运行人机界面软件，用户可以通过简单的键盘、鼠标操作控制该软件，实现对系统的控制。主控机102与终端机103之间使用数字电信号或者光电转换信号进行通信。对于较短距离的传输，例如15米以内的情况，优选使用低成本的RS485差分线连接；对于长距离传输，主控机102与终端机103之间可以配备光电转换器，使用光纤连接。使用RS485的情况下，终端机103所需的供电与数据信号都通过具有 4对连线的五类双绞线连接；使用长距离光纤传输时，数据信号使用光纤连接，终端所需电源可在远端自行供给。主控机102内部的结构框图如图2所示，由于目前低成本的FPGA芯片其管脚数量有限，因此本系统所设计的主控机102中使用三片FPGA级联完成工作，以提供足够的管脚连接64路终端。混音FPGA芯片202通过信号线与USB接口芯片201连接，USB接口芯片 201再通过USB2. 0连接线与服务器PClOl连接。混音FPGA芯片202通过FPGA间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片203、204级联。混音FPGA芯片202内部需要完成核心的音频交换混音逻辑。终端驱动FPGA芯片203、204主要完成对终端的各种数据收发。每个终端驱动FPGA芯片可以驱动32个终端机。终端机103与主控机102通过全双工485驱动器 205或者光电转换器206建立信号连接，两种情况下分别使用五类双绞线或光线进行连接。 485驱动器205或者光电转换器206与终端驱动FPGA芯片203、204都通过电信号在主控机 102内部互连。如图3所示，混音FPGA芯片202由USB芯片接口模块301、交换混音指令缓存302、 音频交换、混音逻辑模块303、音频数据发送缓冲区304、音频数据收集缓冲区305、音频数据发送逻辑306、音频数据收集逻辑307、指令发送模块308、按键收集模块309连接组成，内部USB芯片接口模块301是与USB接口芯片建立逻辑连接的FPGA内部逻辑模块。USB芯片接口模块301将从服务器PClOl接收到的交换混音模式设置指令存储到交换混音指令缓存302。通过音频数据收集逻辑307，从终端驱动FPGA芯片203发送来的各路音频数据被接收起来，发送到音频数据收集缓冲区305。音频数据收集缓冲区305采用双口 RAM结构， 各路音频数据以一定的地址规定存储其中，并且不断更新。音频交换、混音逻辑模块303，读取音频数据收集缓冲区305内的各路音频数据，并且读取交换混音指令缓存302内部存储的指令，根据指令决定如何生成新的音频数据。音频交换、混音逻辑模块303将新生成的数据写入音频数据发送缓冲区304，并不断更新其内部的数据。音频数据发送逻辑306读取音频数据发送缓冲区304内部的数据，并将数据下发到终端驱动FPGA芯片203，通过终端驱动FPGA芯片203的级联，数据也可被传输到终端驱动FPGA芯片204。另外，USB芯片接口模块301将服务器PClOl发送的需分发到终端的指令发送到指令发送模块308，指令发送模块308再将数据下发到终端驱动器FPGA芯片203或终端驱动器FPGA芯片204。来自终端的按键经过终端驱动FPGA芯片收集后被写入按键收集模块309，按键收集模块309再将数据写入USB芯片接口模块301，最后按键数据被服务器PClOl通过USB接口读取。如图4所示，终端驱动FPGA芯片由上游数据发送接口 401、本地数据发送模块 402、下游数据发送接口 403、上游数据接收接口 404、本地数据接收模块405、下游数据接收接口 406、数据分发驱动模块407、数据收集驱动模块408连接组成，上游数据发送接口 401 与上游FPGA芯片连接(例如，对于终端驱动FPGA芯片203，连接到混音FPGA芯片202 ；对于终端驱动FPGA芯片204，连接到终端驱动FPGA芯片20 。上游数据发送接口 401接收到数据后，将数据经过FPGA芯片内部数据链路发送到下游数据发送接口 403。本地数据发送模块402侦听数据链路，如果下发的数据是发送到本地的(即本FPGA所驱动的32路终端)，那么本地数据发送模块402将收下数据，然后通过数据分发驱动模块407将数据分发到各个终端。下游数据接收接口 406连接下游FPGA的上传数据接口，接收到数据后经过数据链路发送到上游数据接收接口 404，再向上游FPGA传数据。本地数据收集驱动模块408 接收到来自终端的数据后将数据发送至本地数据接收模块405，本地数据接收模块405再通过数据链路将数据汇集到上游数据接收接口 404。如图5所示，终端机主要由信号转换器501、终端FPGA芯片502、音频插座504、显示缓存505、液晶屏506、按键507、立体声音频编码解码芯片503连接组成。图中信号转换器501是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA芯片502通过电信号连接。终端FPGA 芯片502是终端的核心器件。它使用串行异步协议与主控机102建立连接。终端配备有液晶屏506，液晶显示数据存储在显示缓存505中，终端FPGA芯片502通过读写显示缓存505 将显示数据驱动到液晶屏506，实现用户视觉接口，终端FPGA芯片502还通过自行设计的逻辑扫描按键507，接收用户的按键信息，读写显示缓存505，连接立体声音频编码解码芯片 503，音频插座504可供麦克风，耳机和线路输入。如图6所示，终端FPGA芯片502由数据收发模块601、显示缓存控制器602、液晶驱动模块603、按键扫描模块604、CODEC驱动模块605连接组成。数据收发模块601负责与主机箱建立链路层的联系，即解析或编码UART数据格式。液晶显示数据经数据收发模块 601解析后通过显示缓存控制器602写入显示缓存。音频数据经数据收发模块601解析后写入CODEC驱动模块605。按键扫描模块604外接点触式键盘，并对键盘进行扫描，当扫描到按键后将按键编码发送到数据收发模块601。CODEC驱动模块605外接音频CODEC芯片， 并将CODEC芯片的音频采样数据发送至数据收发模块601。显示缓存控制器602对外驱动存储器，并将缓存数据送至液晶驱动模块603。液晶驱动模块603负责驱动外部液晶屏。如图7所示，本装置的核心功能是系统中任意一个音频终端可以听到包括PC机放音数据在内的任意多路音频数据混音叠加。
权利要求1.一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主要由服务器PC(IOl)、主控机 (102)和终端机(103)组成，服务器PC(IOl)是一个带有USB接口的计算机，主控机(102) 具有USB接口芯片，还具有一片或多片FPGA芯片，FPGA芯片与USB接口芯片之间通过信号线连接，终端机(103)使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机(105)，以及线路音频输入，服务器PC(IOl)与主控机(102)通过USB接口连接，实现双向通信，服务器PC(IOl) 作为USB主设备，主控机(102)作为USB从设备。
2.根据权利要求1所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机 (102)与终端机(103)之间通过RS485芯片建立差分信号连接，终端机(103)所需的供电与数据信号都通过具有4对连线的五类双绞线连接。
3.根据权利要求1所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机 (102)与终端机(10 之间配备光电转换器，通过光纤建立光电信号连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于主控机(102)主要由三片FPGA芯片和一个USB接口芯片(201)依次连接组成，混音FPGA芯片(202)通过信号线与USB接口芯片(201)连接，USB接口芯片(201)再通过USB连接线与服务器PC(IOl)连接，混音FPGA芯片(202)通过FPGA芯片之间的互连信号线与两片终端驱动FPGA芯片(20 、(204)级联，终端驱动FPGA芯片(20 、(204)驱动32个终端机， 终端机(10 与主控机(10 通过全双工485驱动器(20 或者光电转换器(206)建立信号连接，485驱动器(20 或者光电转换器(206)与终端驱动FPGA芯片都通过电信号在主控机(102)内部互连。
5.根据权利要求4所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于混音FPGA 芯片(202)由USB芯片接口模块(301)、交换混音指令缓存(302)、音频交换、混音逻辑模块 (303)、音频数据发送缓冲区(304)、音频数据收集缓冲区(305)、音频数据发送逻辑(306)、 音频数据收集逻辑(307)、指令发送模块(308)、按键收集模块(309)连接组成。
6.根据权利要求4所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端驱动 FPGA芯片003)、(204)由上游数据发送接口 ^)1)、本地数据发送模块002)、下游数据发送接口 G03)、上游数据接收接口 004)、本地数据接收模块005)、下游数据接收接口 006)、数据分发驱动模块007)、数据收集驱动模块(408)连接组成，上游数据发送接口 (401)与上游FPGA芯片连接。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端机(103)主要由信号转换器(501)、终端FPGA芯片(502)、音频插座(504)、显示缓存 (505)、液晶屏(506)、按键(507)、立体声音频编码解码芯片(50 连接组成，信号转换器 (501)是485收发器或光电转换器，它与终端FPGA芯片(502)通过电信号连接，终端FPGA 芯片(50 是终端机的核心器件，它使用串行异步协议与主控机(10 建立连接，终端机配备有液晶屏(506)。
8.根据权利要求7所述的一种多路音频任意交换、混音的装置，其特征在于终端FPGA 芯片(502)由数据收发模块(601)、显示缓存控制器(602)、液晶驱动模块(603)、按键扫描模块(604)、CODEC驱动模块(60 连接组成。
专利摘要本实用新型涉及一种多路音频任意交换、混音的装置，属多媒体教育设备技术领域。由服务器PC、主控机和终端机组成。服务器PC是一个带有USB接口的计算机，负责设置系统参数；主控机集成有USB接口芯片和多片FPGA芯片，芯片之间通过信号线连接，主控机负责接收服务器PC的指令、音频数据，收集终端音频数据，发送音频数据，对各路音频数据进行切换混音，驱动终端机；终端机使用FPGA芯片作为主要器件，外接麦克风、耳机，以及线路音频输入，负责将收到的音频信号输出到耳机，将麦克风音频及线路音频输入发送至主控机。本装置可应用于语言实验室，音乐教学、制作，电话语音交换等场合。
文档编号H04Q3/00GK201986094SQ20112009092
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者刘家伟 申请人:北京奇作电子有限公司