CN111212362A - 一种音频信号采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音频信号采集系统，包括前端调理模块、放大电路模块、A/D模块、FPGA模块以及上位机；前端调理模块主要用于对前端模拟信号进行放大、滤波以及阻抗匹配；放大电路模块主要用于对前端信号进行放大处理；FPGA模块用于对数据进行采集、存储以及处理；控制模块用于对采集的音频信号与控制数据进行传输；数据存储模块用于对前端多路传感器的大容量数据进行实时存储；数据预处理模块用于对传输的数据进行串并转换，将串行数据转换为128为数据；本发明的有益效果实现更高的音频清晰度、提高特点环境下音频输入信号质量以及提高系统的可移植性与系统的运行速度；对所采集的音频数据的保真度更高、使用的成本更低；使得操作更简单，使用更方便。

Description

一种音频信号采集系统及方法

技术领域

本发明涉及信号采集领域，尤其是一种音频信号采集系统及方法。

背景技术

郝赞在《模拟音视频信号采集系统设计及实现》一文中公开了一种基于TVP5146和TLV320AIC3101解编码芯片，并以TI公司DaVinci系列的多媒体处理器TMS320DM365为基础，设计了一套模拟音频信号采集系统。系统的硬件电路设计和软件的开发，实现了将模拟音视频信号转换为数字信号，数字信号进行处理并对音视频信号进行回放，但该方法仍然存在接口部分的工作，且系统是linux使用起来不方便。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种音频信号采集系统及方法，使得系统使用方便。

本发明采用的技术方案如下：

一种音频信号采集系统，包括前端调理模块、放大电路模块、A/D模块、FPGA模块以及上位机；所述FPGA模块包括控制模块、前端存储模块以及数据预处理模块；所述放大电路模块输入端与前端调理模块输出端连接，输出端与A/D模块输入端连接；所述FPGA模块输入端与A/D模块输出端互连；所述FPGA输出端与所述上位机输入端互连；所述前端调理模块主要用于对前端模拟信号进行放大、滤波以及阻抗匹配；所述放大电路模块主要用于对前端信号进行放大处理；所述A/D模块用于模数转换；所述FPGA模块用于对数据进行采集、存储以及处理；所述控制模块用于对采集的音频信号与控制数据进行传输；所述数据存储模块用于对前端多路传感器的大容量数据进行实时存储；所述数据预处理模块用于对传输的数据进行串并转换，将串行数据转换为128为数据；所述上位机用于播放语音、显示波形以及存储语音文件。

传统的音频信号采集系统，是通过系统的硬件电路设计和软件开发，实现将模拟音视频信号转换为数字信号，但该方法存在接口部分的工作，且系统是linux，使用起来很不方便；本发明提供了一种音频信号采集系统，实在基于FPGA音频采集的硬件设计方法下，实现了更高的音频清晰度、提高特点环境下音频输入信号质量、提高系统的可移植性与系统的运行速度，本方案具有保真度高、成本低、且能实现更好的数据采集与存储等优点。

更进一步的，所述控制模块包括分频器模块、系统控制模块、I²C模块以及DSP模块；所述分频器模块用于对FPGA锁相环输出的稳定时钟信号频率进行分频；所述系统控制模块用于控制系统各模块的工作顺序；所述I²C模块用于产生I²C总线时序，配置AIC23，将有效的片选信号锁存进数据；所述DSP模块用于通过I²C总线将配置命令发送到AIC23，按照DSP模式读取模数转换后的数据并进行串并转换；

更进一步的，所述数据存储模块包括RAM模块、组帧模块以及FLASH模块；所述RAM模块用于对输出的数据进行缓存；所述组帧模块输出的数据通过双端口RAM模块进行缓存，将缓存之后的数据导入FLASH模块之中。

更进一步的，所述DSP模块包括DSP芯片；所述DSP芯片用于语音信号采集、存储以及控制模块间通信，将音频信号进行采集和压缩后存放在FLASH模块中。

更进一步的，所述配置AIC23用于数据传输，进行通信。

更进一步的，所述前端调理模块由若干个放大器串接组成。

更进一步的，所述FLASH模块用于数据存储，进行读、写以及块擦除操作。

本发明还公开了一种音频信号采集系统的采集方法，所述音频信号采集的方法包括：

A.前端调理模块与放大电路模块对输入模拟信号进行滤波以及放大调理；

B.将调理后的信号输入A/D模块，A/D模块对输入的数字信号进行采样，并将采样后的数字信号以I²C音频格式传输到FPGA模块中；

C.FPGA模块将输入的数字信号转换为模拟音频信号；

D.将模拟音频信号传输到FPGA模块中，进行数据采集，将采集后的数据通过RS422总线传输到上位机，实现音频采集。。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、采用本发明提供的一种音频信号采集系统，通过在基于FPGA芯片上进行的硬件设计方法，实现了更高的音频清晰度、提高了特点环境下音频输入信号质量以及提高系统的可移植性与系统的运行速度；

2、采用本发明提供的一种音频信号采集系统，对所采集的音频数据的保真度更高、使用的成本更低且能够实现更好的数据的采集与存储；

3、采用本发明提供的一种音频信号采集系统来采集音频信号的方法，使用这种采集系统来采集音频信号，使得操作更简单，使用更方便。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是音频采集系统整体框图

图2是FPGA硬件设计方案

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施列一

本实施例公开了一种音频信号采集系统，包括前端调理模块、放大电路模块、A/D模块、FPGA模块以及上位机；所述FPGA模块包括控制模块、前端存储模块以及数据预处理模块；所述放大电路模块输入端与前端调理模块输出端连接，输出端与A/D模块输入端连接；所述FPGA模块输入端与A/D模块输出端互连；所述FPGA输出端与所述上位机输入端互连；所述前端调理模块主要用于对前端模拟信号进行放大、滤波以及阻抗匹配；所述前端调理模块由若干个放大器串接组成，在对模拟信号进行采集之前，前端微弱的传感器信号需要先经过信号调理电路的放大和滤波，将信号带宽调理至A/D转换前端所能接受的范围内。并且将信号幅值调理至A/D量程所能接受的范围，以便能够充分利用系统的分辨率，将前端调理的传感器信号送入A/D转换芯片，实现对前端信号的高精度采样；前端调理电路主要是利用运放完成对前端模拟信号的放大、滤波以及阻抗匹配，以达到A/D转换器所能接受的电压范围；所述放大电路模块主要用于对前端信号进行放大处理；所述A/D模块用于模数转换；所述FPGA模块用于对数据进行采集、存储以及处理；所述控制模块用于对采集的音频信号与控制数据进行传输；所述数据存储模块用于对前端多路传感器的大容量数据进行实时存储；所述数据预处理模块用于对传输的数据进行串并转换，将串行数据转换为128为数据，数据采集板采集的传感器数据通过同步RS422接口输出后，通过以太网发送数据之前需要将串行数据进行预处理，变换为以太网所能接受的数据格式才可通过以太网传输，最终发送至上位机软件进行接收；所述上位机用于播放语音、显示波形以及存储语音文件。

实施列二

本实施例是基于实施列一的基础上，公开了一种音频信号采集系统，所述控制模块包括分频器模块、系统控制模块、I²C模块以及DSP模块；所述分频器模块用于对FPGA锁相环输出的稳定时钟信号频率进行分频，由于FPGA的锁相环输出的稳定时钟信号频率很高，所以必须对其进行分频，以输出能够满足I2C总线要求的数据传输速率；所述系统控制模块用于控制系统各模块的工作顺序；所述I2C模块用于产生I2C总线时序，配置AIC23，将有效的片选信号锁存进数据，利用状态机来控制系统各模块的工作顺序。当输出ad_controlsatrt为高电平时执行I2C模块配置AIC23，配置AIC23时，首先AIC23控制字16位，高7位寄存器地址，低9位写入寄存器值，本文采用音频采样的标准为44.1khz，44.1khz是目前最通用的标准，然后信号BCLK：IIC串行数据传输时钟，当AIC23主模式，BCLK由AIC23产生，并提供给DSP，频率为主时钟的1/4，且从模式由DSP产生；AIC23的CS信号：控制端口输入和地址锁存选择端，IIC模式下，定义外设的7位地址，DSP5509A的CLKR0、CLKX0相连后再接到AIC23的BCLK上。最后AIC23配置结束时，输出out_control为高电平，开始执行DSP模块采集数据；所述DSP模块用于通过I2C总线将配置命令发送到AIC23，按照DSP模式读取模数转换后的数据并进行串并转换；本系统采用DSP芯片TMS320C5416，该芯片主要功能包括采集语言信号、存储以及控制模块间通信等，将音频信号经过采集和压缩后存放在FLASH存储器中，两个芯片的结合是解决移动音频录放系统、现场采集语音的理想设计。DSP芯片三个中有两个缓冲串口McBSP0和McBSP1负责控制音频芯片AIC23，其中McBSP0串口是SPI接口，实现语音数据的发送和接收，McBSP1串口是I2S接口，任务是写控制字。本设计采用TMS320C5416芯片，其内部128K*16的RAM，能有效提高系统的集成度和总体性能。另外它还有3个多通道缓冲串口，提供128个通道。C5416芯片的特点有：工作频率可达160MIPS；可以访问的数据存储空间64K、I/O空间64K。TMS320C5416和TLV320AIC23连接的引脚如下：BCLKX0/1：传输时钟信号，是多通道缓冲发送器的串行移位时钟信号，复位时，默认为输入。当OFF为低电平，BCLKX进入高组态；TMS320C5416连接FLASH器件时，DSP芯片每次采集32位的语音数据，依次从左声道开始往右声道写入Flash器件进行存储。当输出ad_controlsatrt为高电平时执行I2C模块配置AJC23，AIC23配置结束时，输出out_control为高电平，开始执行DSP模块采集数据。

实施列三

本实施例是基于实施例一和实施列二的基础上，公开了一种音频信号采集系统，所述数据存储模块包括RAM模块、组帧模块以及FLASH模块；所述RAM模块用于对输出的数据进行缓存；所述组帧模块输出的数据通过双端口RAM模块进行缓存，将缓存之后的数据导入FLASH模块之中。所述FLASH模块用于数据存储，进行读、写以及块擦除操作。所述DSP模块包括DSP芯片；所述DSP芯片用于语音信号采集、存储以及控制模块间通信，将音频信号进行采集和压缩后存放在FLASH模块中；所述配置AIC23用于数据传输，进行通信，本模块以FPGA为主控芯片，按照传输帧格式组成完整数据帧后通过串行422接口输出，一边将数据直接串行输出，一边产生FLASH所需的地址、命令、读写使能信号驱动FLASH工作。但是在设计中，由于FLASH的存储是以页为基础的，写完当前页后才转入下一页，为了使组帧模块输出的完整数据帧能够准确及时地写进FLASH，不会出现当FLASH的当前页写完要转换到下一页时在页与页交替过程中导致数据丢失，因此组帧模块输出的数据并不是直接进入FLASH，而是利用FPGA内部提供的双端口RAM先对输出的数据进行缓存，然后再导入FLASH。

实施列四

本实施例基于实施例一至实施例三的基础上，公开了一种采用此音频信号采集系统来采集音频信号的方法，：所述音频信号采集的方法包括：前端调理模块与放大电路模块对输入模拟信号进行滤波以及放大调理；将调理后的信号输入A/D模块，A/D模块对输入的数字信号进行采样，并将采样后的数字信号以I²C音频格式传输到FPGA模块中；FPGA模块将输入的数字信号转换为模拟音频信号；将模拟音频信号传输到FPGA模块中，进行数据采集，将采集后的数据通过RS422总线传输到上位机，实现音频采集。

综上所述，采用本发明提供的一种音频信号采集系统，以及用此采集系统来采集音频信号的方法，本方案是基于FPGA芯片上实现的采集硬件设计方法，该方法实现更高的音频清晰度、提高特点环境下音频输入信号质量、提高系统的可移植性与系统的运行速度，且使用本系统采集的音频信号，其音频保真度高、成本低，能很好的实现数据的采集与存储。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种音频信号采集系统，其特征在于：包括前端调理模块、放大电路模块、A/D模块、FPGA模块以及上位机；所述FPGA模块包括控制模块、前端存储模块以及数据预处理模块；所述放大电路模块输入端与前端调理模块输出端连接，输出端与A/D模块输入端连接；所述FPGA模块输入端与A/D模块输出端互连；所述FPGA输出端与所述上位机输入端互连；

所述前端调理模块主要用于对前端模拟信号进行放大、滤波以及阻抗匹配；

所述放大电路模块主要用于对前端信号进行放大处理；

所述A/D模块用于模数转换；

所述FPGA模块用于对数据进行采集、存储以及处理；

所述控制模块用于对采集的音频信号与控制数据进行传输；

所述数据存储模块用于对前端多路传感器的大容量数据进行实时存储；

所述数据预处理模块用于对传输的数据进行串并转换，将串行数据转换为128为数据；

所述上位机用于播放语音、显示波形以及存储语音文件。

2.根据权利要求1所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：

所述控制模块包括分频器模块、系统控制模块、I²C模块以及DSP模块；

所述分频器模块用于对FPGA锁相环输出的稳定时钟信号频率进行分频；

所述系统控制模块用于控制系统各模块的工作顺序；

所述I²C模块用于产生I²C总线时序，配置AIC23，将有效的片选信号锁存进数据；

所述DSP模块用于通过I²C总线将配置命令发送到AIC23，按照DSP模式读取模数转换后的数据并进行串并转换。

3.根据权利要求2所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：所述数据存储模块包括RAM模块、组帧模块以及FLASH模块；所述RAM模块用于对输出的数据进行缓存；所述组帧模块输出的数据通过双端口RAM模块进行缓存，将缓存之后的数据导入FLASH模块之中。

4.根据权利要求3所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：所述DSP模块包括DSP芯片；所述DSP芯片用于语音信号采集、存储以及控制模块间通信，将音频信号进行采集和压缩后存放在FLASH模块中。

5.根据权利要求2、3、4任一所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：所述配置AIC23用于数据传输，进行通信。

6.根据权利要求2、3、4任一所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：所述前端调理模块由若干个放大器串接组成。

7.根据权利要求6所述的一种音频信号采集系统，其特征在于：所述FLASH模块用于数据存储，进行读、写以及块擦除操作。

8.根据权利要求7所述的一种音频信号采集系统的采集方法，其特征在于：所述音频信号采集的方法包括：

A.前端调理模块与放大电路模块对输入模拟信号进行滤波以及放大调理；

B.将调理后的信号输入A/D模块，A/D模块对输入的数字信号进行采样，并将采样后的数字信号以I²C音频格式传输到FPGA模块中；

C.FPGA模块将输入的数字信号转换为模拟音频信号；

D.将模拟音频信号传输到FPGA模块中，进行数据采集，将采集后的数据通过RS422总线传输到上位机，实现音频采集。

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