麥克風(fēng)陣列信號采集系統的設計

作為傳統的語(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)頻域的基礎上增加一個(gè)空間域，對來(lái)自空間不同方向的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就可以彌補上述不足?，F在已有的麥克風(fēng)陣列采集處理系統中，大多采用4路麥克風(fēng)陣列，這類(lèi)系統雖然在一定程度上能解決語(yǔ)音增強、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。設計的16通道麥克風(fēng)采集系統能夠組成麥克風(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(wèn)題。

一、硬件系統設計

該硬件系統主要包括16路麥克風(fēng)構成的陣列、A/D采樣模塊、DSP數據處理模塊、PC機，如圖1所示。

1.1 麥克風(fēng)陣列

該系統中，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;頻率響應范圍20 Hz～20 kHz;當其用于陣列時(shí)，MPA416的相位差能控制在3°～5°，能滿(mǎn)足系統對精確度和穩定性的要求。

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內置了4個(gè)同步采樣通道，支持音頻串口和DSD數據口。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、右對齊，I2S和TDM數據格式，動(dòng)態(tài)范圍為118 dB，最高采樣頻率216 kHz。系統選用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轉化為24位I2S格式數字信號。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(shí)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有一個(gè)緩沖電路，用來(lái)將所接收的麥克風(fēng)信號轉換為差分信號并對幅值進(jìn)行調整。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數據處理模塊

設計中數據處理模塊選擇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)音頻信號處理，其主頻可達300 MHz，處理速度高達2 400 MIPS/1 800 MFLOPS。其內部采用改進(jìn)的哈佛結構;具有256 kB的片內存儲空間;豐富的外設包括兩個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、兩個(gè)多通道音頻串口(McASP)、SPI和I2C等;增強的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(EDMA)控制器，可控制16個(gè)獨立通道完成不受CPU干預的數據傳輸;32 bit的外部存儲器接口(EMIF)，能與SRAM、ERPOM、Flash、SBSRAM和SDRAM無(wú)縫連接。DSP數據處理模塊框圖如圖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數據傳輸速度快、傳輸量大，且不占用CPU時(shí)鐘周期的特點(diǎn)，將采集數據轉存至TMS320C6713的片內存儲空間。TMS320C6713外接CPLD控制EMIF接口，通過(guò)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數據傳輸。

1.4 A/D采樣模塊與DSP數據處理模塊接口設計

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(dòng)工作模式，PCM4204B、PCM4204C和PCM4204D采用被動(dòng)工作模式。系統采用I2S數據格式，PCM4204A的SDOUT1輸出的是1和2通道的數據，SDOUT2輸出的是3和4通道的數據;PCM4204B的SDOUT1輸出的是5和6通道的數據，SDOUT2輸出的是7和8通道的數據;PCM4204C的SDOUT1輸出的是9和10通道的數據，SDOUT2輸出的是11和12通道的數據;PCM4204D的SDOUT1輸出的是13和14通道的數據，SDOUT2輸出的是15和16通道的數據。

通過(guò)配置芯片引腳S/M、FMT2、FMT1、FMT0、FS2、FS1和：FS0對PCM4204進(jìn)行設置。

1.5 DSP數據處理模塊USB接口設計

TMS320C6713通過(guò)EMIF的CE3存儲空間可以外擴USB2.0接口，因此在對外擴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空間存儲器接口的類(lèi)型、存儲器寬度及讀寫(xiě)時(shí)序。CY7C68001采用并行異步存儲器接口通過(guò)可編程邏輯芯片CPLD與TMS320C6713相連，其原理框圖如圖5所示。

CY7C68001除了存儲器接口外，還有1個(gè)中斷信號

和4個(gè)狀態(tài)信號

。中斷信號 采用TMS320C6713的外部中斷EXT_INT6。TMS320C6713使用CY7C68001作為從設備。在這種模式下，DSP可以像讀/寫(xiě)普通FIFO一樣對CY7C68001內部的FIFO進(jìn)行讀/寫(xiě)。PC主機發(fā)出命令的同時(shí)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(jìn)入相應中斷服務(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CY7C68001內部FIFO或命令口進(jìn)行選擇。讀/寫(xiě)數據通過(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)驗驗證，USB異步傳輸速率可達3 Mbit•s-1，滿(mǎn)足系統需求。

1.6 PC機平臺

DSP數據處理模塊通過(guò)USB接口與PC機相連，通過(guò)CY7C68001芯片，將前端采集的數據傳輸到PC機，方便對數據的進(jìn)一步處理。

二、 程序設計

2.1 McASP接口程序設計

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McASP1的PFUNC，PDIR，SRCTL，RFMT，AFSRCTL，ACLKRCTL及AHCLKRCTL等寄存器進(jìn)行設置。各寄存器組所包含的主要寄存器情況如表2所示。

依據PCM4204的I2S數據格式，將接收幀同步信號的寬度定為32 bit，接收延遲設置為1個(gè)delay;AXR[0]～AXR[7]設置為接收模式。

2.2 EDMA傳輸程序設計

為保證數據的完整性，選用Ping-Pong模式對EDMA傳輸進(jìn)行配置，Ping緩存存放如表3所示，Pong緩存與Ping緩存結構相同。

依據Ping、Pong緩存數據格式，對EDMA接收進(jìn)行配置，即對：EDMA的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分別進(jìn)行設置。通過(guò)opt寄存器設置數據長(cháng)度為32 bit，源數據和目的數據為一維方式，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數和單元計數。由于采用I2S的數據格式，所以1幀數據只包含2個(gè)單元數據。通過(guò)配置idex及rld寄存器，目的數據可以按照設定的索引方式存儲。

2.3 DSP端OSB接口程序設計

首先，通過(guò)調用用戶(hù)的初始化函數，使能外部中斷并初始化USB寄存器。之后，程序通過(guò)數據傳輸函數，完成DSP與PC機的數據傳輸。

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，如自舉不成功，則重新自舉，直到端點(diǎn)0收到設置包為止。

(3)配置USB為異步從FIFO(Asynchronous SlaveFIFO)模式，采用內部48 MHz時(shí)鐘源。

(4)讀取FNADDR寄存器，判斷USB工作狀態(tài)。

(5)依據USB工作狀態(tài)，配置EP2、EP4、EP6、EP8，并設置一次傳送的Byte長(cháng)度。設置EP2、EP4為BULK OUT，EP6、EP8為BULK IN，其緩沖大小分別為2×512 Byte。

在數據傳輸過(guò)程中，PC端通過(guò)EP2向DSP發(fā)送讀數據命令，DSP通過(guò)外部中斷收到讀命令后，使用EP6發(fā)送已采集好的數據。在聲音數據采集系統中，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。在傳輸過(guò)程中還需進(jìn)行判斷，當采集數據存儲在ping緩存時(shí)，發(fā)送pong緩存中的數據，當采集數據存儲在pong緩存時(shí)，發(fā)送ping緩存的數據。由于TMS320C6713通過(guò)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(jìn)行配置，將USB接口設為16位異步存儲接口，設定讀/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機平臺應用程序設計

PC端接口程序采用VC++6.0編寫(xiě)，首先調用OpenDriver()打開(kāi)USB接口設備，獲得設備的句柄hDevice，之后調用Sx2SendVendorReq()函數向外設發(fā)出命令，讀取USB配置，最后調用Sx2BulkdataTrans()進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)調用CFile類(lèi)將接收到的數據存放在文本文件中。程序使用多線(xiàn)程技術(shù)，使得應用程序將USB數據傳輸在后臺進(jìn)行處理，應用程序前臺還可進(jìn)行其他操作。