基于麥克風(fēng)陣列的信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許佳龍，張一聞，劉建平

(1.武警工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086;2.武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086)

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題，但由于4個(gè)麥克風(fēng)個(gè)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(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)位置判斷的問題。

1 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。

圖1 硬件系統(tǒng)模塊

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[1]。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。

圖2 麥克風(fēng)放大電路

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)器訪問(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無縫連接[2]。DSP數(shù)據(jù)處理模塊框圖如圖3所示。

圖3 DSP數(shù)據(jù)處理模塊

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(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，通過對(duì)EMIF接口上CE3空間的控制，控制USB芯片CY7C68001，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 A/D采樣模塊與DSP數(shù)據(jù)處理模塊接口連接

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)。

通過配置芯片引腳S/M、FMT2、FMT1、FMT0、FS2、FS1和FS0對(duì)PCM4204進(jìn)行設(shè)置。具體如下:

對(duì)于PCM4204A，S/M=0，使PCM4204A工作在主模式下;對(duì)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(duì)于PCM4204A，F(xiàn)S2=0，F(xiàn)S1=0，F(xiàn)S0=1，選取采樣速率為48 kHz;對(duì)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(dòng)檢測(cè)。

經(jīng)計(jì)算得，A/D采樣模塊采樣速率為2.2 Mbit·s-1。

1.5 DSP數(shù)據(jù)處理模塊USB接口設(shè)計(jì)

TMS320C6713通過EMIF的CE3存儲(chǔ)空間可以外擴(kuò)USB2.0接口[3]，因此在對(duì)外擴(kuò)USB進(jìn)行讀/寫訪問前，需要通過EMIF的CE3控制寄存器CE3CTL來配置CE3空間存儲(chǔ)器接口的類型、存儲(chǔ)器寬度及讀寫時(shí)序[4]。

CY7C68001采用并行異步存儲(chǔ)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。

圖5 TMS320C6713與CY7C68001接口連接

CY7C68001[5]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)USBINT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 F IFO一樣對(duì)CY7C68001內(nèi)部的FIFO進(jìn)行讀/寫。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，開始處理USB的傳輸。DSP通過EA[4∶2]連接FIFOA[2∶0]對(duì) C Y7C68001內(nèi)部FIFO或命令口進(jìn)行選擇。讀/寫數(shù)據(jù)通過 E D[15∶0]與 F IFO[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。

表1 地址分配表

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，USB異步傳輸速率可達(dá)3 Mbit·s-1，滿足系統(tǒng)需求。

1.6 PC機(jī)平臺(tái)

DSP數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機(jī)相連，通過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。

2 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rcvRegs和串行化器控制寄存器組srctlRegs。通過這4個(gè)寄存器組，對(duì)McASP1的PFUNC，PDIR，SRCTL，RFMT，AFSRCTL，ACLKRCTL及AHCLKRCTL[6]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。

表2 寄存器組功能表

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。

通過以下函數(shù)，完成對(duì)McASP1接口的配置

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。

表3 16通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址表

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[5]寄存器分別進(jìn)行設(shè)置。通過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[7]。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(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USB接口程序設(shè)計(jì)

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(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 Slave FIFO)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(jìn)行24位采樣，按照pingpong方式進(jìn)行存儲(chǔ)。在傳輸過程中還需進(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/寫的建立時(shí)間(Setup)、促發(fā)時(shí)間(Strobe)、保持時(shí)間，使其滿足CY7C68001的讀/寫時(shí)序[4]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，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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過調(diào)用CFile類[8]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(tái)進(jìn)行處理，應(yīng)用程序前臺(tái)還可進(jìn)行其他操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了16通道麥克風(fēng)陣列采集處理平臺(tái)，并通過外擴(kuò)USB芯片與PC主機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可使用戶方便地在PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)量大、同步性強(qiáng)、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)。

[1]Texas Instruments.PCM4204[M].USA:Texas Instruments，2004.

[2]TI Incorporated.TMS320C6713系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[3]王成儒，李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[4]周霖.DSP信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[5]Cypress Semiconductor Corporation.CY7C68001 EZ-USB SX2 high-speed USB interface device[M].USA:Cypress Semiconductor Corporation，2003.

[6]Texas Instruments.TMS320C6000 DSP McASP reference guide[M].USA:Texas Instruments，2003.

[7]Texas Instruments.TMS320C6000 DSP EDMA controller reference guide[M].USA:Texas Instruments，2004.

[8]王正軍.Visual C++6.0程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社，2006.