麦克风阵列信号采集系统的设计

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作为传统的语音拾取工具，单个孤立麦克风在噪声处理、声源定位和跟踪，语音提取和分离等方面存在不足，严重影响了语音通信质量。如果使用多个麦克风组成阵列，在时频域的基础上增加一个空间域，对来自空间不同方向的信号进行实时处理，就可以弥补上述不足。现在已有的麦克风阵列采集处理系统中，大多采用4路麦克风阵列，这类系统虽然在一定程度上能解决语音增强、噪音抑制、声源定位和回声抵消等问题，但由于4个麦克风个数较少，只能组成一字线阵，十字阵等几种特定的阵列形状，三维空间的方向及距离判断有较大的误差。设计的16通道麦克风采集系统能够组成麦克风面阵，弥补了上述不足，较好地解决了三维空间信号位置判断的问题。
" N' h0 [- A9 m5 H+ z. R( P9 P# h　　一、硬件系统设计
, p$ }) c9 O, Z4 A* c2 J! P　　该硬件系统主要包括16路麦克风构成的阵列、A/D采样模块、DSP数据处理模块、PC机，如图1所示。



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: ]( d' U- S+ G/ {# c　　1.1 麦克风阵列
　　该系统中，麦克风阵列选用声望公司的MPA416传声器。MPA416传声器的灵敏度可达50 mV/Pa;拥有低本底噪声;频率响应范围20 Hz～20 kHz;当其用于阵列时，MPA416的相位差能控制在3°～5°，能满足系统对精确度和稳定性的要求。
7 v7 v/ M" L# i  L+ U  E: d: _　　1.2 A/D采样模块
　　A/D采样模块由4片PCM4204以及其外围电路组成。PCM4204内置了4个同步采样通道，支持音频串口和DSD数据口。音频串口模式时，输出24位线性PCM码，有主、被动两种工作模式，支持左、右对齐，I2S和TDM数据格式，动态范围为118 dB，最高采样频率216 kHz。系统选用1片PCM4204采用主动工作模式，其余3片PCM4204采用被动工作模式。通过音频串口将外部采集的模拟声音信号转化为24位I2S格式数字信号。由于前端麦克风阵列的输出信号不是差分信号，而PCM4204要求输入信号为差分信号，同时要求输入差分信号幅值在-0.3～-0.3+VccV之间，因此其每路信号的前端都应有一个缓冲电路，用来将所接收的麦克风信号转换为差分信号并对幅值进行调整。缓冲电路主要由OPA1632和OPA22组成，OPA1632和OPA227是高精度、音频差分放大器，缓冲电路如图2所示。
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8 x( b# _5 I, \1 ]# l2 e　　1.3 DSP数据处理模块
　　设计中数据处理模块选择TI公司浮点DSP芯片TMS320C6713作为模块核心。TMS320C6713为高性能32位浮点DSP，适用于专业音频信号处理，其主频可达300 MHz，处理速度高达2 400 MIPS/1 800 MFLOPS。其内部采用改进的哈佛结构;具有256 kB的片内存储空间;丰富的外设包括两个多通道缓冲串口(McBSP)、两个多通道音频串口(McASP)、SPI和I2C等;增强的直接存储器访问(EDMA)控制器，可控制16个独立通道完成不受CPU干预的数据传输;32 bit的外部存储器接口(EMIF)，能与SRAM、ERPOM、Flash、SBSRAM和SDRAM无缝连接。DSP数据处理模块框图如图3所示。 其中，TMS320C6713通过McASP与前端的A/D采样模块相连，并利用EDMA数据传输速度快、传输量大，且不占用CPU时钟周期的特点，将采集数据转存至TMS320C6713的片内存储空间。TMS320C6713外接CPLD控制EMIF接口，通过对EMIF接口上CE3空间的控制，控制USB芯片CY7C680 01，完成TMS320C6713与PC机平台间的USB数据传输。

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　1.4 A/D采样模块与DSP数据处理模块接口设计
　　4片PCM4204芯片与TMS320C6713的McASP1相连接，其连接示意图如图4所示。


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6 r2 S' `3 z1 }' b, A3 W, J( B: h- Z
) n- W) @# [* c  p  p/ v( S, j　　图4中，PCM4204 A采用主动工作模式，PCM4204B、PCM4204C和PCM4204D采用被动工作模式。系统采用I2S数据格式，PCM4204A的SDOUT1输出的是1和2通道的数据，SDOUT2输出的是3和4通道的数据;PCM4204B的SDOUT1输出的是5和6通道的数据，SDOUT2输出的是7和8通道的数据;PCM4204C的SDOUT1输出的是9和10通道的数据，SDOUT2输出的是11和12通道的数据;PCM4204D的SDOUT1输出的是13和14通道的数据，SDOUT2输出的是15和16通道的数据。
' _; P. V9 z0 |4 s) B! @　　通过配置芯片引脚S/M、FMT2、FMT1、FMT0、FS2、FS1和：FS0对PCM4204进行设置。
$ P1 v& Y3 X' T0 }　　1.5 DSP数据处理模块USB接口设计
　　TMS320C6713通过EMIF的CE3存储空间可以外扩USB2.0接口，因此在对外扩USB进行读/写访问前，需要通过EMIF的CE3控制寄存器CE3C-TL来配置CE3空间存储器接口的类型、存储器宽度及读写时序。CY7C68001采用并行异步存储器接口通过可编程逻辑芯片CPLD与TMS320C6713相连，其原理框图如图5所示。


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　　和4个状态信号
　　。中断信号 采用TMS320C6713的外部中断EXT_INT6。TMS320C6713使用CY7C68001作为从设备。在这种模式下，DSP可以像读/写普通FIFO一样对CY7C68001内部的FIFO进行读/写。PC主机发出命令的同时也由CY7C68001 的引脚提供中断触发信号给DSP的EXT_INT6。其上升沿被检测到后，DSP就进入相应中断服务程序，开始处理USB的传输。DSP通过EA[4：2]连接FIFOA[2：0]对CY7C68001内部FIFO或命令口进行选择。读/写数据通过ED[15：0]与FIFO[15：0]连接进行。FIFO和命令口的选择和地址分配如表1所示。
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, X: B4 f3 t- J; s2 J/ E, x　　经实验验证，USB异步传输速率可达3 Mbit?s-1，满足系统需求。
　　1.6 PC机平台
: P" ?7 d2 m3 X6 U7 p; P7 Z. Z　　DSP数据处理模块通过USB接口与PC机相连，通过CY7C68001芯片，将前端采集的数据传输到PC机，方便对数据的进一步处理。

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　　二、 程序设计
　　2.1 McASP接口程序设计
5 _2 a: P2 X; I1 }/ ^　　定义了4个寄存器组：全局寄存器组globalRegs、发送寄存器组xmtRegs、接收寄存器组mvRegs和串行化器控制寄存器组srctlRegs。通过这4个寄存器组，对McASP1的PFUNC，PDIR，SRCTL，RFMT，AFSRCTL，ACLKRCTL及AHCLKRCTL等寄存器进行设置。各寄存器组所包含的主要寄存器情况如表2所示。

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　　依据PCM4204的I2S数据格式，将接收帧同步信号的宽度定为32 bit，接收延迟设置为1个delay;AXR[0]～AXR[7]设置为接收模式。
　　2.2 EDMA传输程序设计
　　为保证数据的完整性，选用Ping-Pong模式对EDMA传输进行配置，Ping缓存存放如表3所示，Pong缓存与Ping缓存结构相同。
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　　依据Ping、Pong缓存数据格式，对EDMA接收进行配置，即对：EDMA的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分别进行设置。通过opt寄存器设置数据长度为32 bit，源数据和目的数据为一维方式，源地址固定，目的地址采用索引，启用帧同步等。源地址和目的地址分别写入src，dst寄存器。cnt寄存器主要用于配置帧计数和单元计数。由于采用I2S的数据格式，所以1帧数据只包含2个单元数据。通过配置idex及rld寄存器，目的数据可以按照设定的索引方式存储。
% p% F7 ]; Y3 S5 p1 A　　2.3 DSP端OSB接口程序设计
2 `" R7 z  e4 X; K! r2 N0 f9 i- X　　首先，通过调用用户的初始化函数，使能外部中断并初始化USB寄存器。之后，程序通过数据传输函数，完成DSP与PC机的数据传输。
　　USB初始化程序配置如下：
　　(1)使能外部中断6(EXT_INT6)。
# U2 C6 O% O, _) w' {$ u5 e. @: \　　(2)加载USB描述表，并进行自举检测，如自举不成功，则重新自举，直到端点0收到设置包为止。
　　(3)配置USB为异步从FIFO(Asynchronous SlaveFIFO)模式，采用内部48 MHz时钟源。
! t2 Y$ J% @, k) M9 f2 Y# D  F　　(4)读取FNADDR寄存器，判断USB工作状态。
　　(5)依据USB工作状态，配置EP2、EP4、EP6、EP8，并设置一次传送的Byte长度。设置EP2、EP4为BULK OUT，EP6、EP8为BULK IN，其缓冲大小分别为2×512 Byte。
; v: t! L( v$ k. q% E* W! n" L　　在数据传输过程中，PC端通过EP2向DSP发送读数据命令，DSP通过外部中断收到读命令后，使用EP6发送已采集好的数据。在声音数据采集系统中，每路麦克风以96 kHz进行24位采样，按照ping-pong方式进行存储。在传输过程中还需进行判断，当采集数据存储在ping缓存时，发送pong缓存中的数据，当采集数据存储在pong缓存时，发送ping缓存的数据。由于TMS320C6713通过EMIF的CE3存储空间可以外扩USB2.0接口，需对EMIF接口的CE3寄存器进行配置，将USB接口设为16位异步存储接口，设定读/写的建立时间(Setup)、促发时间(Strobe)、保持时间，使其满足CY7C68001的读/写时序要求。
$ h' C2 o5 k' Q& g% \7 k4 m5 f　　2.4 PC机平台应用程序设计
/ V3 t% ^6 U) m　　PC端接口程序采用VC++6.0编写，首先调用OpenDriver()打开USB接口设备，获得设备的句柄hDevice，之后调用Sx2SendVendorReq()函数向外设发出命令，读取USB配置，最后调用Sx2BulkdataTrans()进行数据传输，通过调用CFile类将接收到的数据存放在文本文件中。程序使用多线程技术，使得应用程序将USB数据传输在后台进行处理，应用程序前台还可进行其他操作。

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