麥克風(fēng)陣列信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、麥克風(fēng)陣列信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作為傳統(tǒng)的語(yǔ)音拾取工具，單個(gè)孤立麥克風(fēng)在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語(yǔ)音提取和分別等方面存在不足，嚴(yán)峻影響了語(yǔ)音通信質(zhì)量。假如用法多個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，在時(shí)頻域的基礎(chǔ)上增強(qiáng)一個(gè)空間域，對(duì)來(lái)自空間不同方向的信號(hào)舉行實(shí)時(shí)處理，就可以彌補(bǔ)上述不足?，F(xiàn)在已有的麥克風(fēng)陣列采集處理系統(tǒng)中，大多采納4路麥克風(fēng)陣列，這類(lèi)系統(tǒng)雖然在一定程度上能解決語(yǔ)音增加、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等問(wèn)題，但因?yàn)?個(gè)麥克風(fēng)個(gè)數(shù)較少，只能組成一字線(xiàn)陣，十字陣等幾種特定的陣列外形，三維空間的方向及距離推斷有較大的誤差。設(shè)計(jì)的16通道麥克風(fēng)采集系統(tǒng)能夠組成麥克風(fēng)面陣，彌補(bǔ)了上述不足，較好地解決了三維空間信

2、號(hào)位置推斷的問(wèn)題。 一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)該硬件系統(tǒng)主要包括16路麥克風(fēng)構(gòu)成的陣列、a/d采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、pc機(jī)，1所示。1.1 麥克風(fēng)陣列該系統(tǒng)中，麥克風(fēng)陣列選用聲望公司的mpa416傳聲器。mpa416傳聲器的敏捷度可達(dá)50 mv/pa;擁有低本底噪聲;頻率響應(yīng)范圍20 hz20 khz;當(dāng)其用于陣列時(shí)，mpa416的相位差能控制在3°5°，能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)精確度和穩(wěn)定性的要求。1.2 a/d采樣模塊a/d采樣模塊由4片pcm4204以及其外圍組成。pcm4204內(nèi)置了4個(gè)同步采樣通道，支持音頻串口和dsd數(shù)據(jù)口。音頻串口模式時(shí)，輸出24位線(xiàn)性pcm碼，有主、被動(dòng)兩種工作

3、模式，支持左、右對(duì)齊，i2s和tdm數(shù)據(jù)格式，動(dòng)態(tài)范圍為118 db，最高采樣頻率216 khz。系統(tǒng)選用1片pcm4204采納主動(dòng)工作模式，其余3片pcm4204采納被動(dòng)工作模式。通過(guò)音頻串口將外部采集的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為24位i2s格式數(shù)字信號(hào)。因?yàn)榍岸他溈孙L(fēng)陣列的輸出信號(hào)不是差分信號(hào)，而pcm4204要求輸入信號(hào)為差分信號(hào)，同時(shí)要求輸入差分信號(hào)幅值在-0.3-0.3+vccv之間，因此其每路信號(hào)的前端都應(yīng)有一個(gè)緩沖電路，用來(lái)將所接收的麥克風(fēng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)并對(duì)幅值舉行調(diào)節(jié)。緩沖電路主要由opa1632和opa22組成，opa1632和opa227是高精度、音頻差分，緩沖電路2所示。1.

4、3 dsp數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理模塊挑選ti公司浮點(diǎn)dsp芯片tms320c6713作為模塊核心。tms320c6713為高性能32位浮點(diǎn)dsp，適用于專(zhuān)業(yè)音頻信號(hào)處理，其主頻可達(dá)300 mhz，處理速度高達(dá)2 400 /1 800 mflops。其內(nèi)部采納改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);具有256 kb的片內(nèi)存儲(chǔ)空間;豐盛的外設(shè)包括兩個(gè)多通道緩沖串口(mcbsp)、兩個(gè)多通道音頻串口(mcasp)、spi和i2c等;增加的挺直存儲(chǔ)器拜訪(edma)控制器，可控制16個(gè)自立通道完成不受cpu干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸;32 bit的外部存儲(chǔ)器接口(emif)，能與sram、erpom、flash、sbsram和sdr

5、am無(wú)縫銜接。dsp數(shù)據(jù)處理模塊框圖3所示。 其中，tms320c6713通過(guò)mcasp與前端的a/d采樣模塊相連，并利用edma數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量大，且不占用cpu時(shí)鐘周期的特點(diǎn)，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至tms320c6713的片內(nèi)存儲(chǔ)空間。tms320c6713外接控制emif接口，通過(guò)對(duì)emif接口上ce3空間的控制，控制芯片cy7c680 01，完成tms320c6713與pc機(jī)平臺(tái)間的usb數(shù)據(jù)傳輸。1.4 a/d采樣模塊與dsp數(shù)據(jù)處理模塊接口設(shè)計(jì)4片pcm4204芯片與tms320c6713的mcasp1相銜接，其銜接暗示圖4所示。圖4中，pcm4204 a采納主動(dòng)工作模式，pcm4

6、204b、pcm4204c和pcm4204d采納被動(dòng)工作模式。系統(tǒng)采納i2s數(shù)據(jù)格式，pcm4204a的sdout1輸出的是1和2通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是3和4通道的數(shù)據(jù)cm4204b的sdout1輸出的是5和6通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是7和8通道的數(shù)據(jù)cm4204c的sdout1輸出的是9和10通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是11和12通道的數(shù)據(jù)cm4204d的sdout1輸出的是13和14通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是15和16通道的數(shù)據(jù)。通過(guò)配置芯片引腳s/m、fmt2、fmt1、fmt0、fs2、fs1和：fs0對(duì)pcm4204舉行設(shè)置。1.5 dsp數(shù)據(jù)處理模塊usb

7、接口設(shè)計(jì)tms320c6713通過(guò)emif的ce3存儲(chǔ)空間可以外擴(kuò)usb2.0接口，因此在對(duì)外擴(kuò)usb舉行讀/寫(xiě)拜訪前，需要通過(guò)emif的ce3控制寄存器ce3c-tl來(lái)配置ce3空間存儲(chǔ)器接口的類(lèi)型、存儲(chǔ)器寬度及讀寫(xiě)時(shí)序。cy7c68001采納并行異步存儲(chǔ)器接口通過(guò)可編程規(guī)律芯片cpld與tms320c6713相連，其原理框圖5所示。cy7c68001除了存儲(chǔ)器接口外，還有1個(gè)中斷信號(hào)和4個(gè)狀態(tài)信號(hào)。中斷信號(hào) 采納tms320c6713的外部中斷ext_int6。tms320c6713用法cy7c68001作為從設(shè)備。在這種模式下，dsp可以像讀/寫(xiě)一般fifo一樣對(duì)cy7c68001內(nèi)部的

8、fifo舉行讀/寫(xiě)。pc主機(jī)發(fā)出指令的同時(shí)也由cy7c68001 的引腳提供中斷觸發(fā)信號(hào)給dsp的ext_int6。其升高沿被檢測(cè)到后，dsp就進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，開(kāi)頭處理usb的傳輸。dsp通過(guò)ea4：2銜接fifoa2：0對(duì)cy7c68001內(nèi)部fifo或指令口舉行挑選。讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)通過(guò)ed15：0與fifo15：0銜接舉行。fifo和指令口的挑選和地址分配如表1所示。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，usb異步傳輸速率可達(dá)3 mbit?s-1，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。1.6 pc機(jī)平臺(tái)dsp數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)usb接口與pc機(jī)相連，通過(guò)cy7c68001芯片，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧c機(jī)，便利對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。二、 程

9、序設(shè)計(jì)2.1 mcasp接口程序設(shè)計(jì)定義了4個(gè)寄存器組：全局寄存器組globalregs、發(fā)送寄存器組xmtregs、接收寄存器組mvregs和串行化器控制寄存器組srctlregs。通過(guò)這4個(gè)寄存器組，對(duì)mcasp1的pfunc，pdir，srctl，rfmt，afsrctl，aclkrctl及ahclkrctl等寄存器舉行設(shè)置。各寄存器組所包含的主要寄存器狀況如表2所示。依據(jù)pcm4204的i2s數(shù)據(jù)格式，將接收幀同步信號(hào)的寬度定為32 bit，接收延遲設(shè)置為1個(gè)delay;axr0axr7設(shè)置為接收模式。2.2 edma傳輸程序設(shè)計(jì)為保證數(shù)據(jù)的完整性，選用ping-pong模式對(duì)edma

10、傳輸舉行配置，ping緩存存放如表3所示，pong緩存與ping緩存結(jié)構(gòu)相同。依據(jù)ping、pong緩存數(shù)據(jù)格式，對(duì)edma接收舉行配置，即對(duì)：edma的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分離舉行設(shè)置。通過(guò)opt寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32 bit，源數(shù)據(jù)和目的數(shù)據(jù)為一維方式，源地址固定，目的地址采納索引，啟用幀同步等。源地址和目的地址分離寫(xiě)入src，dst寄存器。cnt寄存器主要用于配置幀計(jì)數(shù)和單元計(jì)數(shù)。因?yàn)椴杉{i2s的數(shù)據(jù)格式，所以1幀數(shù)據(jù)只包含2個(gè)單元數(shù)據(jù)。通過(guò)配置idex及rld寄存器，目的數(shù)據(jù)可以根據(jù)設(shè)定的索引方式存儲(chǔ)。2.3 dsp端osb接口程序設(shè)計(jì)首先，通過(guò)調(diào)用

11、用戶(hù)的初始化函數(shù)，使能外部中斷并初始化usb寄存器。之后，程序通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，完成dsp與pc機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。usb初始化程序配置如下：(1)使能外部中斷6(ext_int6)。(2)加載usb描述表，并舉行自舉檢測(cè)，如自舉不勝利，則重新自舉，直到端點(diǎn)0收到設(shè)置包為止。(3)配置usb為異步從fifo(asynchronous slavefifo)模式，采納內(nèi)部48 mhz時(shí)鐘源。(4)讀取fnaddr寄存器，推斷usb工作狀態(tài)。(5)依據(jù)usb工作狀態(tài)，配置ep2、ep4、ep6、ep8，并設(shè)置一次傳送的byte長(zhǎng)度。設(shè)置ep2、ep4為bulk out，ep6、ep8為bulk in，其緩

12、沖大小分離為2×512 byte。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，pc端通過(guò)ep2向dsp發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，dsp通過(guò)外部中斷收到讀指令后，用法ep6發(fā)送已采集好的數(shù)據(jù)。在聲音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每路麥克風(fēng)以96 khz舉行24位采樣，根據(jù)ping-pong方式舉行存儲(chǔ)。在傳輸過(guò)程中還需舉行推斷，當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ping緩存時(shí)，發(fā)送pong緩存中的數(shù)據(jù)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在pong緩存時(shí)，發(fā)送ping緩存的數(shù)據(jù)。因?yàn)閠ms320c6713通過(guò)emif的ce3存儲(chǔ)空間可以外擴(kuò)usb2.0接口，需對(duì)emif接口的ce3寄存器舉行配置，將usb接口設(shè)為16位異步存儲(chǔ)接口，設(shè)定讀/寫(xiě)的建立時(shí)光(setup)、促發(fā)時(shí)光(strobe)、保持時(shí)光，使其滿(mǎn)足cy7c68001的讀/寫(xiě)時(shí)序要求。2.4 pc機(jī)平臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)pc端接口程序采納vc+6.0編寫(xiě)，首