基于FPGA和DSP的音頻采集卡的實(shí)現(xiàn)

摘要:本文介紹了一種基于FPGA和DSP的多通道音頻采集卡的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，該卡能夠工作在多種采樣率下并可以使用DSP中不同的音頻算法用于滿足不同場(chǎng)合，并通過(guò)PC104接口將處理后的數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)。采集卡已應(yīng)用在船舶航行數(shù)據(jù)紀(jì)錄儀VDR中。
關(guān)鍵詞:FPGA;DSP;PC104;多采樣率;音頻數(shù)據(jù)壓縮;航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR

0 引言

一個(gè)多通道數(shù)字音頻系統(tǒng)必須考慮兩個(gè)問(wèn)題：采集到聲音的質(zhì)量問(wèn)題和最終數(shù)字化后的音頻存儲(chǔ)的問(wèn)題。由奈奎斯特定理知，如果要保證把采集到的音頻信號(hào)完全無(wú)失真的恢復(fù)出來(lái)，采樣率就必須至少是需采集音頻信號(hào)頻寬的2倍。由于現(xiàn)在大多數(shù)音頻CODEC采用了Delta-Sigma Modulator，在保證采樣率合適的情況下，聲音質(zhì)量一般是可以滿足要求的。在船舶航行記錄儀中，音頻的頻寬是150hz-6000hz，因此我們可以采用16khz的采樣率和16位的量化位數(shù)。

按照這樣的采樣率，單路的音頻碼率為256kbps，24小時(shí)音頻的數(shù)據(jù)量就高達(dá)2.76GB。為了減少最終存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間，需要對(duì)原始的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。一般來(lái)說(shuō)有損壓縮比無(wú)損壓縮的壓縮比要高的多，但是同時(shí)會(huì)造成音質(zhì)的下降。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠胶狻?/P>

本文設(shè)計(jì)的基于FPGA和DSP的多通道音頻采集卡，采用Altera公司的Cyclone系列FPGA簡(jiǎn)化邏輯控制和提高硬件速度；采用TI公司的TMS320VC 5416實(shí)現(xiàn)音頻壓縮算法，在滿足了音頻性能指標(biāo)的同時(shí)減少了最終的音頻數(shù)據(jù)量，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1主要芯片選型

(1) 音頻CODEC芯片PCM3008

在音頻CODEC芯片的選型上采用了Texas Instruments公司的PCM3008。這款音頻CODEC芯片采用了16bit的△-∑ADC和DAC。其中立體聲ADC具有單端電壓輸入，內(nèi)置抗混疊濾波器。優(yōu)異的性能還表現(xiàn)在其ADC的總諧波失真加噪聲低至-84dB,信噪比高達(dá)88dB,動(dòng)態(tài)范圍至88dB,其內(nèi)置的1/64 Decimation數(shù)字濾波器使得信號(hào)在通帶內(nèi)波動(dòng)僅有0.05dB，阻帶衰減可至-65dB。低壓工作，低功耗。其采樣率為8khz-48khz可選。數(shù)據(jù)傳輸為同步串口方式，操作方便。

(2)FPGA芯片EP1C6Q240

FPGA采用Altera公司的Cyclone系列的 EP1C6Q240實(shí)現(xiàn)各器件的接口控制。Cyclone系列的FPGA是Altera公司針對(duì)低成本高性能的應(yīng)用而推出的，具有很高的性價(jià)比。EP1C6Q240的最大可用IO數(shù)量185；片內(nèi)92Kbit的RAM可以配為單雙口RAM，ROM，F(xiàn)IFO等各式存儲(chǔ)模塊；兩個(gè)高精度鎖相環(huán)，方便地為片內(nèi)的各個(gè)模塊提供所需時(shí)鐘；5980個(gè)LE（邏輯單元），為接口電路的實(shí)現(xiàn)提供豐富的邏輯資源。Altera公司的QuartusⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)便易用，內(nèi)含大量IP核，其內(nèi)嵌的Signal TapⅡ邏輯分析儀更是為用戶的調(diào)試提供了很大方便。

(3)DSP芯片TMS320VC5416

DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5416。TMS320VC5416是TI公司5000系列中高性能低功耗的定點(diǎn)DSP，它建立在C54x DSP核基礎(chǔ)上。TMS320VC5416是一款16位定點(diǎn)高性能數(shù)字信號(hào)處理器, 其主要特性有: 速率最高達(dá)160MIPS; 3 條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1條程序存儲(chǔ)器總線; 1 個(gè)40位桶形移位器和2 個(gè)40位累加器; 1 個(gè)1717乘法器和1 個(gè)40位專用加法器; 最大8M 16位的擴(kuò)展尋址空間, 內(nèi)置128 k 16位的RAM 和16 k 16位的ROM; 3 個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)；其豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使得TMS320VC5416可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的多路音頻處理。在壓縮的實(shí)現(xiàn)上，使用通用DSP芯片TMS320VC5416與使用專用的硬件壓縮芯片相比，不僅可以節(jié)約成本，還可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)和靈活的配置。

圖1

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。多路音頻信號(hào)首先通過(guò)調(diào)理部分，進(jìn)入音頻CODEC PCM3008,通過(guò)BCK,LRCK,DOUT三根信號(hào)線將音頻數(shù)據(jù)送入DSP的 RAM內(nèi)，DSP會(huì)按照一定的順序?qū)⒁粠纛l數(shù)據(jù)整理好放在一個(gè)數(shù)據(jù)緩存里，并對(duì)其中的每路音頻數(shù)據(jù)依次調(diào)用音頻壓縮算法，在下一幀音頻數(shù)據(jù)到達(dá)該緩存區(qū)前將數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA中的SRAM控制器發(fā)送到SRAM中，并告知PC104主機(jī)采集過(guò)程完畢。PC104主機(jī)通過(guò)FPGA內(nèi)的PC104接口模塊，將緩存SRAM中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。

2 FPGA的功能模塊設(shè)計(jì)

FPGA的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。主要模塊按功能劃分如圖2所示。SRAM控制器采用了乒乓機(jī)制，一片處于讀數(shù)據(jù)的狀態(tài)，另一片處于寫(xiě)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，每15秒鐘在PC104主機(jī)的控制下切換一次。這種操作方式時(shí)序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔可靠，易于做到音頻數(shù)據(jù)連續(xù)操作。收到PC104主機(jī)發(fā)出的切換命令后，待兩片SRAM都處于空閑的時(shí)候，完成兩片SRAM的讀寫(xiě)切換。切換的同時(shí)，SRAM的讀寫(xiě)的地址都會(huì)復(fù)位，而且會(huì)保存剛才15秒內(nèi)的數(shù)據(jù)量信息，保證每個(gè)15秒讀和寫(xiě)都是從零地址開(kāi)始的，同時(shí)也方便讀取數(shù)據(jù)。切換成功后，給出數(shù)據(jù)就緒的信號(hào)，指示主機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)。PC104接口模塊負(fù)責(zé)采集卡與上位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

完成兩片SRAM的讀寫(xiě)切換。切換的同時(shí)，SRAM的讀寫(xiě)的地址都會(huì)復(fù)位，而且會(huì)保存剛才15內(nèi)的數(shù)據(jù)量信息，保證每個(gè)15秒讀和寫(xiě)都是從零地址開(kāi)始的，同時(shí)也方便讀取數(shù)據(jù)。切換成功后，給出數(shù)據(jù)就緒的信號(hào)，指示主機(jī)可以讀取數(shù)據(jù)。PC104接口模塊負(fù)責(zé)采集卡與上位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

圖2

3 DSP硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP的硬件設(shè)計(jì)

DSP采用McBSP與音頻CODEC通信，系統(tǒng)框圖(雙路音頻接收框圖)如圖3所示，McBSP依靠三個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)線DR、幀同步線FSR和移位時(shí)鐘線CLKR。DR引腳完成從音頻CODEC中接收音頻數(shù)據(jù)，由CLKR、FSR實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘和幀同步的控制。接收數(shù)據(jù)時(shí)，來(lái)自DR引腳的數(shù)據(jù)在FSR和CLKR作用下，從數(shù)據(jù)寄存器DRR中讀出數(shù)據(jù)。CLKR、FSR既可以由內(nèi)部采樣率發(fā)生器產(chǎn)生，也可以由外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)。該音頻系統(tǒng)中，CLKR、FSR信號(hào)均來(lái)自于FPGA。

為了減輕CPU負(fù)擔(dān)，音頻數(shù)據(jù)的傳遞采用了DMA機(jī)制。 TMS320VC5416有6個(gè)可獨(dú)立編程的DMA通道，每個(gè)DMA通道受各自的5個(gè)16位寄存器控制：源地址寄存器DMSRC、目的地址寄存器DMDST、單元計(jì)數(shù)寄存器DMCTR、同步事件和幀計(jì)數(shù)寄存器DMSFC、發(fā)送模式控制寄存器DMMCR。

通過(guò)設(shè)置DMA1通道與McBSP1通道結(jié)合來(lái)讀取PCM3008轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)為例：選擇McBSP1通道的接收寄存器DRR11（41h）為DMA傳送數(shù)據(jù)的首地址，并選擇源地址工作在訪問(wèn)后不調(diào)整方式，選擇DMA通道同步事件McBSP1接收事件為DMA同步事件，來(lái)實(shí)現(xiàn)DMA和McBSP的結(jié)合。PCM3008轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)按McBSP1的設(shè)置被送到TMS320VC5416內(nèi)部接收寄存器DRR11中，再由DMA將DRR11中的數(shù)讀到指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。DMA在傳送外部來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)影響CPU的正常運(yùn)行，當(dāng)DMA采集完一組規(guī)定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)后產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷事件中斷CPU，來(lái)通知CPU對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，此時(shí)DMA可以按照設(shè)定繼續(xù)采集下一組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與CPU處理的并行操作。

圖3

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

程序流程如圖4所示，系統(tǒng)上電后首先初始化CPU，McBSP,DMA寄存器，然后打開(kāi)中斷，當(dāng)所有DMA的傳輸完成后，給出一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，通知CPU音頻數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，CPU將原始的音頻數(shù)據(jù)集中在一個(gè)緩存中并開(kāi)始調(diào)用音頻處理算法依次處理每路音頻數(shù)據(jù)，并將處理后的音頻數(shù)據(jù)通過(guò)總線發(fā)送出去。然后繼續(xù)等待處理下一幀音頻數(shù)據(jù)，周而復(fù)始。

圖4

3.3 音頻壓縮算法

由于該系統(tǒng)音頻所要求的信號(hào)頻率的范圍是150hz-6000hz，因此必須采用一種寬頻音頻算法，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種寬帶語(yǔ)音編碼。碼率24kbps～64Kbps可變。其主要參數(shù)如表1：表1 音頻編碼的主要參數(shù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多通道音頻采集卡可以實(shí)現(xiàn)8路麥克風(fēng)信號(hào)，2路VHF（甚高頻）信號(hào)的采集與處理。24小時(shí)生成的數(shù)據(jù)量不足1.6GB，并且聲音質(zhì)量滿足IEC 61996-2中關(guān)于音頻要求的指標(biāo)，該多通道音頻采集卡已經(jīng)成功地應(yīng)用到船載航行數(shù)據(jù)記錄儀中，并且通過(guò)了中國(guó)船級(jí)社(CCS)的檢驗(yàn)，裝配該多通道音頻采集卡的VDR系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了自主的音頻編碼算法設(shè)計(jì)，并用DSP芯片實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取上采用了巧妙的乒乓設(shè)計(jì)。

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