CN206506692U - 基于stm32的麦克风阵列音频采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，包括STM32系统模块、电源模块、ADC模块、麦克风模块、音频播放模块、USB接口模块和协议转换模块，所述麦克风模块与所述ADC模块通信连接，所述ADC模块与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过SPI外设与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过IIS外设与所述音频播放模块通通信连接，所述STM32系统模块通过所述USB接口模块与上位机通信连接，所述STM32系统模块、ADC模块、音频播放模块和协议转换模块均与所述电源模块电性连接，该采集系统既可以与微处理器一起集成到板上使用，组成一个完整的麦克风阵列模块，也可以作为一个单独的采集模块，成本低且能够适用于远场麦克风阵列采集系统，使其更具有产业上的利用价值。

Description

基于STM32的麦克风阵列音频采集系统

技术领域

本实用新型涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种基于STM32的麦克风阵列音频采集系统。

背景技术

麦克风阵列技术起步于上世纪七八十年代，在这之后的很长的一段时间里主要是进行声学、算法等领域的基础研究。近年来随着相关基础研究的日趋成熟以及物联网时代到来，得益于在语音增强、语音识别、声源定位、空域滤波等语音信号处理上的优势，麦克风阵列技术正逐步在会议系统、机器人、玩具、智能家居等各个领域得到应用，为传统的产品提供了新的人机交互的入口，大大便利了人们的生产、生活，具有广阔得市场前景。

在麦克风阵列技术应用过程中，首先要解决的就是音频数据的采集，采集音频质量的优劣直接影响到后面对语音信号的处理。目前市场上的解决方案大致分两类：

一类是使用模拟麦克风采集声音信号，通过音频CODEC将模拟信号转变成数字信号，并对信号进行滤波、增益调节等处理，最后将音频数据传给PC端或者微处理器作回声消除、语音识别、声源定位等操作。对于麦克风数量大于四个的麦克风阵列，一般需要多个CODEC级联，这样所产生的音频流，很难做到满足标准的通信协议，所以需要在微处理器与音频CODEC间增加一个FPGA对音频数据流进行处理，以使其满足某类标准的协议。

另一类是使用数字麦克风，选用具有多个数字音频输入接口的微处理器，直接将麦克风的数字信号传给微处理器。

目前常见的两种麦克风阵列音频采集方案都各有其缺点。对于第一类使用模拟麦克风的方案，在多麦克风时必须要在微处理器与音频CODEC之间增加一个FPGA才能实现而二者的通信，而目前FPGA的价格一般都比较高，且FPGA的开发难度相对比较大，需要付出较高的时间、人力成本。

第二类是使用数字麦克风的方案，首先数字麦克风价格比模拟麦克风要高很多；其次数字麦克风的灵敏度做不到模拟麦克风那么高，因此不太适合做远场麦克风阵列；最后，目前市场上很少有超过四个数字音频输入接口的微处理器，即使有，价格也必然很高。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种成本低且能够适用于远场麦克风阵列采集的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统。

本实用新型提出的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，包括STM32系统模块、电源模块、ADC模块、麦克风模块、音频播放模块、USB接口模块和协议转换模块，所述麦克风模块与所述ADC模块通信连接，所述ADC模块与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过SPI外设与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过IIS外设与所述音频播放模块通通信连接，所述STM32系统模块通过所述USB接口模块与上位机通信连接，所述STM32系统模块、ADC模块、音频播放模块和协议转换模块均与所述电源模块电性连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述STM32系统模块包括ARM Cortex-M3内核微控制器单元芯片和STM32F205RGT6芯片，所述STM32F205RGT6芯片作为主控芯片，所述STM32F205RGT6芯片上设有SPI外设、IIS外设、IIC外设、串口外设和USB外设。

作为本实用新型的进一步改进，所述电源模块为LM1117系列芯片，所述电源模块包括LM1117-3.3V和LM1117-1.8V两款芯片。

作为本实用新型的进一步改进，所述ADC模块包括四片TLV320ADC3101芯片，每片TLV320ADC3101芯片可输入两路模拟音频信号，所述四片TLV320ADC3101芯片共八路输入，其中七路为麦克风输入，一路为播放回采输入。

作为本实用新型的进一步改进，所述麦克风模块为硅麦克风，所述麦克风模块由所述ADC模块供电。

作为本实用新型的进一步改进，所述音频播放模块为数字输入D类扬声器放大器TAS2505。

作为本实用新型的进一步改进，所述协议转换模块为D类触发器SN74LVC74A。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：该基于STM32的麦克风阵列音频采集系统采用通用的电子元器件、较低的价格即实现了一种可用于远场麦克风阵列的采集播放系统。既可以与微处理器一起集成到板上使用，组成一个完整的麦克风阵列模块，也可以作为一个单独的采集模块，利用标准的USB接口将采集的音频数据传输到PC端或者其他需要使用多路录音数据的模块。配合应用程序对录音的处理可以远场语音增强、语音识别、声源定位、空域滤波等功能。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型基于STM32的麦克风阵列音频采集系统的结构示意图；

图2为本实用新型中STM32F205RGT6芯片的结构示意图；

图3为本实用新型中LM1117-3.3V芯片的电路连接示意图；

图4为本实用新型中LM1117-1.8V芯片的电路连接示意图；

图5为本实用新型中ADC模块的结构示意图；

图6为本实用新型中音频播放模块的结构示意图；

图7为本实用新型中协议转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例：一种基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，包括STM32系统模块1、电源模块2、ADC模块3、麦克风模块4、音频播放模块5、USB接口模块6和协议转换模块7，所述麦克风模块与所述ADC模块通信连接，所述ADC模块与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过SPI外设与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过IIS外设与所述音频播放模块通通信连接，所述STM32系统模块通过所述USB接口模块与上位机通信连接，所述STM32系统模块、ADC模块、音频播放模块和协议转换模块均与所述电源模块电性连接。

STM32模块电路采用ARM Cortex-M3内核微控制器单元芯片STM32F205RGT6作为主控芯片，使用STM32的USB外设与上位机进行通信，实现音频数据的发送和接收；使用STM32的SPI外设与协议转换模块电路进行通信，接收来自ADC模块的数字音频数据；使用STM32的IIS外设，发送通过USB接收的音频播放数据到音频播放模块；使用串口外设打印输出调试信息；使用IIC外设及SPI外设输出控制信息，配置ADC芯片及音频播放芯片。

电源模块选用低成本低压差线性稳压器LM1117系列芯片，该系列电源管理芯片能够以较少的外围器件，在输入输出压差为1.2V时提供800mA的负载电流。本发明中使用了该系列中的LM1117-3.3V和LM1117-1.8V两款芯片。其中LM1117-3.3V在5V输入下输出3.3V的电压，供STM32最小系统模块、ADC模块、音频播放模块、协议转换模块使用；LM1117-1.8V芯片在5V输入时输出1.8V供ADC模块的数字核心使用。

ADC模块主要是将麦克风模块采集的模拟音频信号进行模数转换，并做增益调整、滤波等处理；该模块选用TI(德州仪器)公司内置miniDSP的低功耗立体声ADCTLV320ADC3101，每片TLV320ADC3101可以输入两路模拟音频信号，模块中使用四片TLV320ADC3101，共八路输入，七路麦克风录音输入，一路播放回采输入。下面以U8为例说明TLV320ADC3101的工作原理：来自麦克风的模拟音频差分信号通过J8的2脚、3脚，在R32、R33、C44、C35、C36进行耦合、滤波处理后输入到TLV320ADC3101的6脚、7脚，TLV320ADC3101的5脚通过J8的4脚提供给麦克风2.5V的电压。从音频播放模块回采的差分信号通过R16、R17、R18、R19进行衰减，在通过C22、C37耦合到TLV320ADC3101的12脚、13脚。模拟音频信号在经过TLV320ADC3101处理后，通过1脚、2脚、3脚输出，四片级联的TLV320ADC3101使用TDM(时分复用)的方式输出到协议转换模块。TLV320ADC3101使用前需要使用IIC总线对其进行初始化。

麦克风模块使用高灵敏度、高信噪比的硅麦采集音频，麦克风的2.5V供电由ADC模块提供。

音频播放模块使用TI(德州仪器)公司的具有音频处理功能和单声道耳机放大器的数字输入D类扬声器放大器TAS2505.该模块使用IIS接收需要播放的音频数据，使用SPI配置芯片模式。

协议转换模块将ADC模块使用TDM方式输出的数字音频信号，转换成标准的SPI协议。从TLV320ADC3101输出的数字音频信号，其帧时钟WCLK在每一帧的帧首有一个位时钟BCLK宽度的脉冲信号，其余时间都是低电平。假如用该信号作为SPI的片选信号输入的话，则后面会有大量无用的数据，需要单片机软件做处理，极容易出现丢包现象。该模块使用具有清零和预设功能的双路上升沿D类触发器SN74LVC74A，从ADC模块输出的帧时钟信号WCLK接到触发器的CLK引脚，触发器的CLR引脚接高电平，1D引脚接低电平，PRE引脚初始状态也接高电平，1Q引脚接STM32SPI外设的片选信号引脚，如此当WCLK的首帧脉冲到来时，在几十个纳秒内会将1Q引脚输出电平拉低，STM32SPI外设开始接收数据，在STM32内部使用软件将SPI接收到的数据通过DMA传输给一个缓冲数组，这样当DMA传输完成为8个声道的数据时，产生一个DMA中断，在DMA中断处理函数里面将PRE引脚拉低，待1Q输出为高电平时再将PRE引脚置高，等待下一个帧首脉冲到来。经过以上这样处理就将ADC模块输出的音频数据流转换成符合SPI协议的数据流。

该基于STM32的麦克风阵列音频采集系统设计成单板形式，制成印刷电路板，经过SMT(表面组装技术)后，烧录单片机程序，通过USB线将板子与PC或者其他带有标准USB接口及USB Audio驱动的设备连接，即可实现USB声卡的功能，包括多声道录音，系统音频输出。配合应用程序对录音的处理可以远场语音增强、语音识别、声源定位、空域滤波等功能。

该基于STM32的麦克风阵列音频采集系统使用通用的电子元器件、较低的价格即实现了一种可用于远场麦克风阵列的采集播放系统。既可以与微处理器一起集成到板上使用，组成一个完整的麦克风阵列模块，也可以作为一个单独的采集模块，利用标准的USB接口将采集的音频数据传输到PC端或者其他需要使用多路录音数据的模块。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：包括STM32系统模块、电源模块、ADC模块、麦克风模块、音频播放模块、USB接口模块和协议转换模块，所述麦克风模块与所述ADC模块通信连接，所述ADC模块与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过SPI外设与所述协议转换模块通信连接，所述STM32系统模块通过IIS外设与所述音频播放模块通信连接，所述STM32系统模块通过所述USB接口模块与上位机通信连接，所述STM32系统模块、ADC模块、音频播放模块和协议转换模块均与所述电源模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述STM32系统模块包括ARM Cortex-M3内核微控制器单元芯片和STM32F205RGT6芯片，所述STM32F205RGT6芯片作为主控芯片，所述STM32F205RGT6芯片上设有SPI外设、IIS外设、IIC外设、串口外设和USB外设。

3.根据权利要求2所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述电源模块为LM1117系列芯片，所述电源模块包括LM1117-3.3V和LM1117-1.8V两款芯片。

4.根据权利要求3所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述ADC模块包括四片TLV320ADC3101芯片，每片TLV320ADC3101芯片可输入两路模拟音频信号，所述四片TLV320ADC3101芯片共八路输入，其中七路为麦克风输入，一路为播放回采输入。

5.根据权利要求4所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述麦克风模块为硅麦克风，所述麦克风模块由所述ADC模块供电。

6.根据权利要求5所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述音频播放模块为数字输入D类扬声器放大器TAS2505。

7.根据权利要求6所述的基于STM32的麦克风阵列音频采集系统，其特征在于：所述协议转换模块为D类触发器SN74LVC74A。