基于麥克風(fēng)陣列的信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要 介紹了基于TMS320C6713的信號采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320C6713作為核心控制器，通過多通道音頻串行口(McASP)與A／D芯片PCM4204連接。系統(tǒng)充分利用McASP接口多通道的特點，設(shè)計了16通道麥克風(fēng)陣列采集處理平臺，并通過外擴USB芯片與PC主機端進行數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶在PC端進行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)量大、同步性強、精確度高、傳輸速率快、可靠性好，方便為各種麥克風(fēng)陣列應(yīng)用提供原始數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集；麥克風(fēng)陣列；多通道音頻串口

    作為傳統(tǒng)的語音拾取工具，單個孤立麥克風(fēng)在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語音提取和分離等方面存在不足，嚴(yán)重影響了語音通信質(zhì)量。如果使用多個麥克風(fēng)組成陣列，在時頻域的基礎(chǔ)上增加一個空間域，對來自空間不同方向的信號進行實時處理，就可以彌補上述不足。現(xiàn)在已有的麥克風(fēng)陣列采集處理系統(tǒng)中，大多采用4路麥克風(fēng)陣列，這類系統(tǒng)雖然在一定程度上能解決語音增強、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等問題，但由于4個麥克風(fēng)個數(shù)較少，只能組成一字線陣，十字陣等幾種特定的陣列形狀，三維空間的方向及距離判斷有較大的誤差。設(shè)計的16通道麥克風(fēng)采集系統(tǒng)能夠組成麥克風(fēng)面陣，彌補了上述不足，較好地解決了三維空間信號位置判斷的問題。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    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、DSP數(shù)據(jù)處理模塊、PC機，如圖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傳聲器的靈敏度可達50 mV／Pa；擁有低本底噪聲；頻率響應(yīng)范圍20 Hz～20 kHz；當(dāng)其用于陣列時，MPA416的相位差能控制在3°～5°，能滿足系統(tǒng)對精確度和穩(wěn)定性的要求。
1．2 A／D采樣模塊
    A／D采樣模塊由4片PCM4204以及其外圍電路組成。PCM4204內(nèi)置了4個同步采樣通道，支持音頻串口和DSD數(shù)據(jù)口。音頻串口模式時，輸出24位線性PCM碼，有主、被動兩種工作模式，支持左、右對齊，I2S和TDM數(shù)據(jù)格式，動態(tài)范圍為118 dB，最高采樣頻率216 kHz。系統(tǒng)選用1片PCM4204采用主動工作模式，其余3片PCM4204采用被動工作模式。通過音頻串口將外部采集的模擬聲音信號轉(zhuǎn)化為24位I2S格式數(shù)字信號。
    由于前端麥克風(fēng)陣列的輸出信號不是差分信號，而PCM4204要求輸入信號為差分信號，同時要求輸入差分信號幅值在-0．3～-0．3+VccV之間，因此其每路信號的前端都應(yīng)有一個緩沖電路，用來將所接收的麥克風(fēng)信號轉(zhuǎn)換為差分信號并對幅值進行調(diào)整。緩沖電路主要由OPA1632和OPA22組成，OPA1632和OPA227是高精度、音頻差分放大器，緩沖電路如圖2所示。

1．3 DSP數(shù)據(jù)處理模塊
    設(shè)計中數(shù)據(jù)處理模塊選擇TI公司浮點DSP芯片TMS320C6713作為模塊核心。TMS320C6713為高性能32位浮點DSP，適用于專業(yè)音頻信號處理，其主頻可達300 MHz，處理速度高達2 400 MIPS／1 800 MFLOPS。其內(nèi)部采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)；具有256 kB的片內(nèi)存儲空間；豐富的外設(shè)包括兩個多通道緩沖串口(McBSP)、兩個多通道音頻串口(McASP)、SPI和I2C等；增強的直接存儲器訪問(EDMA)控制器，可控制16個獨立通道完成不受CPU干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸；32 bit的外部存儲器接口(EMIF)，能與SRAM、ERPOM、Flash、SBSRAM和SDRAM無縫連接。DSP數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖3所示。

    其中，TMS320C6713通過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時鐘周期的特點，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至TMS320C6713的片內(nèi)存儲空間。TMS320C6713外接CPLD控制EMIF接口，通過對EMIF接口上CE3空間的控制，控制USB芯片CY7C680 01，完成TMS320C6713與PC機平臺間的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
    4片PCM4204芯片與TMS320C6713的McASP1相連接，其連接示意圖如圖4所示。

    圖4中，PCM4204 A采用主動工作模式，PCM4204B、PCM4204C和PCM4204D采用被動工作模式。系統(tǒng)采用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)；PCM4204B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)；PCM4204C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)；PCM4204D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)。
    通過配置芯片引腳S／M、FMT2、FMT1、FMT0、FS2、FS1和：FS0對PCM4204進行設(shè)置。具體如下：
    對于PCM4204A，S／M=0，使PCM4204A工作在主模式下；對于PCM4204B、PCM4204C、PCM4204D，S／M=1，使PCM4204A工作在從模式下；
FMT2=0，F(xiàn)MT1=0，F(xiàn)MT0=1，選取音頻數(shù)據(jù)格式為24 bit I2S；
    對于PCM4204A，F(xiàn)S2=0，F(xiàn)S1=0，F(xiàn)S0=1，選取采樣速率為48 kHz；對于PCM4204B、PCM4204C、PCM4204D，F(xiàn)S2=0，F(xiàn)S1=0，F(xiàn)S0=0，選取采樣速率為自動檢測。
    經(jīng)計算得，A／D采樣模塊采樣速率為22 Mbit·s-1。
1．5 DSP數(shù)據(jù)處理模塊USB接口設(shè)計
    TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲空間可以外擴USB2．0接口，因此在對外擴USB進行讀／寫訪問前，需要通過EMIF的CE3控制寄存器CE3C-TL來配置CE3空間存儲器接口的類型、存儲器寬度及讀寫時序。
    CY7C68001采用并行異步存儲器接口通過可編程邏輯芯片CPLD與TMS320C6713相連，其原理框圖如圖5所示。

    CY7C68001除了存儲器接口外，還有1個中斷信號和4個狀態(tài)信號。中斷信號采用TMS320C6713的外部中斷EXT_INT6。
    TMS320C6713使用CY7C68001作為從設(shè)備。在這種模式下，DSP可以像讀／寫普通FIFO一樣對CY7C68001內(nèi)部的FIFO進行讀／寫。PC主機發(fā)出命令的同時也由CY7C68001 的引腳提供中斷觸發(fā)信號給DSP的EXT_INT6。其上升沿被檢測到后，DSP就進入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，開始處理USB的傳輸。DSP通過EA[4：2]連接FIFOA[2：0]對CY7C68001內(nèi)部FIFO或命令口進行選擇。讀／寫數(shù)據(jù)通過ED[15：0]與FIFO[15：0]連接進行。FIFO和命令口的選擇和地址分配如表1所示。

    經(jīng)實驗驗證，USB異步傳輸速率可達3 Mbit·s-1，滿足系統(tǒng)需求。
1．6 PC機平臺
    DSP數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機相連，通過CY7C68001芯片，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，方便對數(shù)據(jù)的進一步處理。

2 程序設(shè)計
2．1 McASP接口程序設(shè)計
    定義了4個寄存器組：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。通過這4個寄存器組，對McASP1的PFUNC，PDIR，SRCTL，RFMT，AFSRCTL，ACLKRCTL及AHCLKRCTL等寄存器進行設(shè)置。各寄存器組所包含的主要寄存器情況如表2所示。

    依據(jù)PCM4204的I2S數(shù)據(jù)格式，將接收幀同步信號的寬度定為32 bit，接收延遲設(shè)置為1個delay；AXR[0]～AXR[7]設(shè)置為接收模式。
    通過以下函數(shù)，完成對McASP1接口的配置
   

2．2 EDMA傳輸程序設(shè)計
    為保證數(shù)據(jù)的完整性，選用Ping-Pong模式對EDMA傳輸進行配置，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EDMA接收進行配置，即對：EDMA的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分別進行設(shè)置。通過opt寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)長度為32 bit，源數(shù)據(jù)和目的數(shù)據(jù)為一維方式，源地址固定，目的地址采用索引，啟用幀同步等。源地址和目的地址分別寫入src，dst寄存器。cnt寄存器主要用于配置幀計數(shù)和單元計數(shù)。由于采用I2S的數(shù)據(jù)格式，所以1幀數(shù)據(jù)只包含2個單元數(shù)據(jù)。通過配置idex及rld寄存器，目的數(shù)據(jù)可以按照設(shè)定的索引方式存儲。
2．3 DSP端OSB接口程序設(shè)計
    首先，通過調(diào)用用戶的初始化函數(shù)，使能外部中斷并初始化USB寄存器。之后，程序通過數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，完成DSP與PC機的數(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，并進行自舉檢測，如自舉不成功，則重新自舉，直到端點0收到設(shè)置包為止。
    (3)配置USB為異步從FIFO(Asynchronous SlaveFIFO)模式，采用內(nèi)部48 MHz時鐘源。
    (4)讀取FNADDR寄存器，判斷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長度。設(shè)置EP2、EP4為BULK OUT，EP6、EP8為BULK IN，其緩沖大小分別為2×512 Byte。
    在數(shù)據(jù)傳輸過程中，PC端通過EP2向DSP發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，DSP通過外部中斷收到讀命令后，使用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進行24位采樣，按照ping-pong方式進行存儲。在傳輸過程中還需進行判斷，當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲在ping緩存時，發(fā)送pong緩存中的數(shù)據(jù)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)存儲在pong緩存時，發(fā)送ping緩存的數(shù)據(jù)。
    由于TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲空間可以外擴USB2．0接口，需對EMIF接口的CE3寄存器進行配置，將USB接口設(shè)為16位異步存儲接口，設(shè)定讀／寫的建立時間(Setup)、促發(fā)時間(Strobe)、保持時間，使其滿足CY7C68001的讀／寫時序要求。
2．4 PC機平臺應(yīng)用程序設(shè)計
    PC端接口程序采用VC++6．0編寫，首先調(diào)用OpenDriver()打開USB接口設(shè)備，獲得設(shè)備的句柄hDevice，之后調(diào)用Sx2SendVendorReq()函數(shù)向外設(shè)發(fā)出命令，讀取USB配置，最后調(diào)用Sx2BulkdataTrans()進行數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)用CFile類將接收到的數(shù)據(jù)存放在文本文件中。程序使用多線程技術(shù)，使得應(yīng)用程序?qū)SB數(shù)據(jù)傳輸在后臺進行處理，應(yīng)用程序前臺還可進行其他操作。

3 結(jié)束語
    設(shè)計了16通道麥克風(fēng)陣列采集處理平臺，并通過外擴USB芯片與PC主機端進行數(shù)據(jù)傳輸，可使用戶方便地在PC端進行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)量大、同步性強、精確度高、傳輸速率快、可靠性好，方便為各種麥克風(fēng)陣列算法提供原始數(shù)據(jù)。