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)音提取和分離等方面存在不足，嚴(yán)重影響了語(yǔ)音通信質(zhì)量。如果使用多個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，在時(shí)頻域的基礎(chǔ)上增加一個(gè)空間域，對(duì)來(lái)自空間不同方向的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就可以彌補(bǔ)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(lèi)系統(tǒng)雖然在一定程度上能解決語(yǔ)音增強(qiáng)、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等問(wèn)題，但由于4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形狀，三維空間的方向及距離判斷有較大的誤差。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號(hào)位置判斷的問(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、DSP數(shù)據(jù)處理模塊、PC機(jī)，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(dá)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(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以及其外圍電路組成。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采用主動(dòng)工作模式，其余3片PCM4204采用被動(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)。由于前端麥克風(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)幅值進(jìn)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(jì)中數(shù)據(jù)處理模塊選擇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 MIPS/1 800 MFLOPS。其內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);具有256 kB的片內(nèi)存儲(chǔ)空間;豐富的外設(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;增強(qiáng)的直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)(EDMA)控制器，可控制16個(gè)獨(dú)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SDRAM無(wú)縫連接。DSP數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖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CPLD控制EMIF接口，通過(guò)對(duì)EMIF接口上CE3空間的控制，控制USB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相連接，其連接示意圖如圖4所示。

圖4中，PCM4204 A采用主動(dòng)工作模式，PCM4204B、PCM4204C和PCM4204D采用被動(dòng)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(guò)配置芯片引腳S/M、FMT2、FMT1、FMT0、FS2、FS1和：FS0對(duì)PCM4204進(jìn)行設(shè)置。

1.5 DSP數(shù)據(jù)處理模塊USB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進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)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采用并行異步存儲(chǔ)器接口通過(guò)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(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(xiě)普通FIFO一樣對(duì)CY7C68001內(nèi)部的FIFO進(jìn)行讀/寫(xiě)。PC主機(jī)發(fā)出命令的同時(shí)也由CY7C68001 的引腳提供中斷觸發(fā)信號(hào)給DSP的EXT_INT6。其上升沿被檢測(cè)到后，DSP就進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，開(kāi)始處理USB的傳輸。DSP通過(guò)EA[4：2]連接FIFOA[2：0]對(duì)CY7C68001內(nèi)部FIFO或命令口進(jìn)行選擇。讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)通過(guò)ED[15：0]與FIFO[15：0]連接進(jìn)行。FIFO和命令口的選擇和地址分配如表1所示。

經(jīng)實(shí)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)絇C機(jī)，方便對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

二、 程序設(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等寄存器進(jìn)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(hào)的寬度定為32 bit，接收延遲設(shè)置為1個(gè)delay;AXR[0]～AXR[7]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傳輸進(jìn)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接收進(jìn)行配置，即對(duì)：EDMA的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分別進(jìn)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，目的地址采用索引，啟用幀同步等。源地址和目的地址分別寫(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)。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(gè)單元數(shù)據(jù)。通過(guò)配置idex及rld寄存器，目的數(shù)據(jù)可以按照設(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，并進(jìn)行自舉檢測(cè)，如自舉不成功，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，采用內(nèi)部48 MHz時(shí)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(zhǎng)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(guò)程中，PC端通過(guò)EP2向DSP發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，DSP通過(guò)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(jìn)行24位采樣，按照ping-pong方式進(jìn)行存儲(chǔ)。在傳輸過(guò)程中還需進(jìn)行判斷，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)。由于TMS320C6713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寄存器進(jìn)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)間(Setup)、促發(fā)時(shí)間(Strobe)、保持時(shí)間，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端接口程序采用VC++6.0編寫(xiě)，首先調(diào)用OpenDriver()打開(kāi)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)調(diào)用CFile類(lèi)將接收到的數(shù)據(jù)存放在文本文件中。程序使用多線(xiàn)程技術(shù)，使得應(yīng)用程序?qū)SB數(shù)據(jù)傳輸在后臺(tái)進(jìn)行處理，應(yīng)用程序前臺(tái)還可進(jìn)行其他操作。