CN210807582U - 一种基于fpga的多通道音频采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的多通道音频采集系统，包括多通道的麦克风阵列单元，音频信号经过多通道的麦克风阵列单元采集后输入到采集编码单元的ADC转换单元中进行增益调节和AD转换，ADC转换单元根据单片机配置单元中设定的配置通过TDM接口把数字音频信号传送到FPGA数据理单元中，FPGA数据处理单元对数据进行缓存和处理后通过音频数据输出单元的并行数据接口、USB音频输出单元的USB接口或网口音频输出单元的网络接口输出，FPGA数据处理单元用于实现信号采集的时序产生和数据处理、缓存；对采集编码单元传输的数据进行串并转换、数据缓存、高通滤波和/或并串转换预处理。本实用新型使用模块化设计后输出到不同平台进行处理，灵活多用。

Description

一种基于FPGA的多通道音频采集系统

技术领域

本实用新型属于数据采集技术领域，具体涉及一种基于FPGA的多通道音频采集系统。

背景技术

在目前的工业生产和科学研究中，对各种数据的采集、传输和处理已经应用的越来越广泛了。对于高速、高精度的音频信号则对所设计的数据采集系统有新的要求：首先，系统的传输速率要达到高速标准并且需要灵活的接口保障；其次，高速、高精度的控制器件也是必不可少的，以便准确地响应数据，并能实时性地分析和处理采集到的数据。

目前实时音频采集系统有以下几种：

第一种为FPGA加ARM架构的音频采集单元：此单元的基本结构为多路的音频采集，通过ADC进行编码后输入到FPGA中，多路音频数据经过FPGA进行数据预处理后通过TDM 接口或者并行数据口将数据送入ARM中进行音频数据算法处理或者对音频数据进行存储或输出。此种结构的优点在于系统比较灵活，对音频数据可以进行本地的算法处理也可以传送到服务端进行处理。缺点在于整个系统的结构复杂，在长时间数据采集时系统的稳定性不好，容易出现音频数据采集不连续的情况。

第二种为前端的多通道音频采集加ADC加DSP的架构：此单元的基本结构为多路的音频采集通道通过ADC进行编码后输入到DSP中，DSP对采集到的多路音频数据进行算法处理。此结构的优点在于系统结构精简，可靠性高。缺点为此结构因为受到DSP音频数据数据通道的限制，一般支持的音频采集通道比较少，同时也因为DSP算力的限制，对于大的音频算法 DSP不能进行数据的处理。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于FPGA的多通道音频采集系统，采样率可调为16K、24K、32K、44.1K、48K等，采样精度可设置为16bits、24bits、32bits。采样率和采样精度根据客户可以通过软件灵活的配置，同时支持USB 接口输出、网络UDP接口输出，多通道高动态范围通过并行数据接口、USB接口、网络机接口可以直接与DSP、ARM、PC等设备进行实时高速音频数据传输。使用起来更加的灵活多用。

本实用新型采用以下技术方案：

一种基于FPGA的多通道音频采集系统，包括多通道的麦克风阵列单元，音频信号经过多通道的麦克风阵列单元采集后输入到采集编码单元的ADC转换单元中进行增益调节和AD转换，ADC转换单元根据单片机配置单元中设定的配置通过TDM接口把数字音频信号传送到 FPGA数据理单元中，FPGA数据理单元对数据进行缓存和处理后通过音频数据输出单元的并行数据接口、USB音频输出单元的USB接口或网口音频输出单元的网络接口输出，FPGA数据理单元用于实现信号采集的时序产生和数据处理、缓存；对采集编码单元传输的数据进行串并转换、数据缓存、高通滤波和/或并串转换预处理。

具体的，麦克风阵列单元通过接插件与FPGA数据处理单元连接，麦克风阵列单元包括模拟麦克风采集单元和数字麦克风采集单元。

进一步的，模拟麦克风采集单元包括N通道数据采集，以16个通道组成一个单元，每个单元有4个ADC转换单元，每个ADC转换单元对4路模拟通道进行AD转换，16通道数字音频信号通过一路TDM输出，单片机配置单元通过II2C对单元内的ADC转换单元进行配置，FPGA数据处理单元的TDM主时序单元接收16通道数字音频信号并发送给数据处理单元，数据处理单元通过并行时序单元连接并行数据接口输出；数据处理单元通过并行数据转USBBridge连接USB接口输出；数据处理单元通过网络驱动单元和网络PHY芯片连接网络接口输出。

进一步的，数字麦克风采集单元包括N通道数据采集，多路TDM音频数字接口的数字麦克风与TDM音频数字接口连接，每个TDM音频数字接口上设置16个麦克风组成一个单元，每个单元采集的TDM音频数据通过对应的TDM接口线连接FPGA数据处理单元用于音频数据传送。

更进一步的，TDM音频数字接口包括主时钟MCLK、帧时钟信号线WS、位时钟信号线SCK和数据信号线SD。

具体的，单片机配置单元中设置有给ADC转换单元的配置信息，配置信息包括16K、24K、 32K、44.1K或48K采样频率，16bits、24bits或32bits的采样精度。

具体的，并行数据接口用于将FPGA数据处理单元处理后的数据通过接口送到DSP或 ARM架构的处理器中。

具体的，USB接口通过并行数据转USB将音频数据直接通过USB接口输出到Windows、 Android和Linux系统或者DSP、ARM架构的处理板中；或通过USB接口直接连接硬盘。

具体的，FPGA数据处理单元输出的并行音频数据通过网络PHY芯片转换为网络数据，通过UDP协议将音频数据输出到远距离处理设备。

进一步的，还包括电源管理单元，电源管理单元用于给麦克风阵列单元、采集编码单元、 FPGA数据处理单元、音频输出单元和单片机配置单元提供电源。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

1、采用麦克风阵列单元通过接插件与FPGA数据处理单元连接，采用麦克风板和FPGA 板模块化设计在数据采集时更加的灵活，FPGA板接插接口可以同时兼容模拟麦克风板和数字麦克风板，同时相同通道的不同阵列的麦克风板也可以兼容。

2、同时兼容模拟麦克风板和数字麦克风板，模拟麦克风具有高灵敏度、高信噪比和拾音范围广等优势。采用数字麦克风的优点为其个体差异小，一致性好，抗干扰能强，两种类型的麦克风可以根据不同的场景选择使用。

3、使用一个单片机对ADC进行配置，其优点相比较直接使用FPGA对ADC进行配置节省了FPGA中的逻辑资源和I/O口资源，从而提高了FPGA的数据处理能力。

4、采用采集通道模块化设计，每16个采集通道组成一个模块，可以根据实际需要进行模块化扩展，设计简单灵活。

5、本音频采集系统输出接口兼容性强：采集到的数据可以直接送到DSP板中进行处理；也可以通过USB和网络接口将数据送到Windows、Android和Linux系统进行处理；同时也可以将硬盘挂在USB口，直接将采集到的数据本地存储。

6、可以通过软件对采样率和采样精度灵活的进行配置。

综上所述，本实用新型在结构和采集通道设计上使用了模块化的设计。采用率和采样精度通过软件灵活的进行配置。同时采集到的音频数据可以通过并行数据、USB口和网络接口输出到不同的平台上进行处理。使本实用新型专利在不同场合进行音频数据采集时更加的灵活多用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为模拟麦克风采集电路图：

图2为数字音频采集电路图；

图3为采集卡电路图；

图4为音频数据流示意图；

图5为模拟麦克风64通道采集电路图；

图6为数字麦克风64通道采集电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图3，本实用新型公开了一种基于FPGA的多通道音频采集系统，包括电源管理单元、麦克风阵列单元、采集编码单元、单片机配置单元、FPGA(Field ProgrammableGate Array) 数据处理单元，音频数据输出单元、USB音频输出单元和网口音频输出单元。

音频信号经过多通道的麦克风阵列单元采集后输入到采集编码单元的ADC转换单元中进行增益调节和AD转换，ADC转换单元根据单片机配置单元中的设定配置选择通过TDM接口把数字音频信号传送到FPGA数据理单元中，FPGA数据理单元对数据进行缓存和处理后通过音频数据输出单元的并行数据接口、USB音频输出单元的USB口或网口音频输出单元的网络接口把采集到的数据送到DSP处理板、ARM板或者数据输送到windows、Android和linux系统中进行进一步的处理。

麦克风阵列单元通过接插件与FPGA数据处理单元连接，麦克风阵列单元包括模拟麦克风采集单元和数字麦克风采集单元，模拟麦克风采集单元适用于驻极体麦克风和模拟硅麦；数字麦克风采集单元适用于数字硅麦，根据场景、对性能的不同选择和FPGA数据处理单元配合使用哪一种麦克风采集单元。

单片机配置单元中写有给ADC转换单元的配置信息，配置信息根据需要选择16K、24K、 32K、44.1K、48K等采样频率，16bits、24bits或32bits的采样精度，同时对ADC转换单元中的PGA(可编程增益放大器)的参数进行调节和配置等。

采集编码单元主要采用高性能音频采集编码芯片，并且完成多路音频信号的增益控制 (Programmable Gain Amplifier,PGA)、模数转换(Analog-to-Digital Converter,A/D)、自动电平控制(Automatic Level Control,ALC)。采样频率根据软件的配置16K、24K、32K、44.1K、48K等可选，采样精度可设置为16bits、24bits、32bits中之一。采样率和采样精度根据客户可以通过软件灵活的配置。通过ADC转换单元将多通道的模拟音频数据转换成数字信号，并且通过多路TDM音频数据接口将音频信号传送到FPGA中。

FPGA数据处理单元的采集处理单元主要实现信号采集的时序产生和数据处理、缓存等功能；对采集编码单元传输的数据进行串并转换、数据缓存、高通滤波、并串转换等预处理。

并行数据接口主要负责把FPGA数据处理单元处理后的数据通过接口送到DSP或者ARM 架构的处理器中。

USB接口通过并行数据转USB可以将音频数据直接通过USB接口输出到windows、Android和linux系统或者DSP、ARM架构的处理板中。也可以通过USB接口直接插入硬盘将采集到的数据直接存储到硬盘中。

FPGA数据处理单元输出的并行音频数据通过网络PHY芯片转换为网络数据，通过UDP 协议可以将音频数据远距离发送到输出处理设备上。

电源管理单元给麦克风阵列单元、FPGA数据处理单元、DSP处理单元、音频输出单元和负责程序配置的单片机提供电源，负责整个系统的电源管理。

请参阅图1，模拟麦克风采集单元提供N通道数据采集，N通道采集由多个麦克风组成的阵列拾音器设备，16个通道组成一个单元，每个单元有4个ADC转换单元，每个ADC转换单元对4路模拟通道进行AD转换，16通道数字音频信号通过一路TDM输出，单片机配置单元通过II2C对单元内的ADC转换单元进行配置，FPGA数据处理单元的TDM主时序单元接收16通道数字音频信号并发送给数据处理单元，数据处理单元通过并行时序单元连接并行数据接口输出；数据处理单元通过并行数据转USB Bridge连接USB接口输出；数据处理单元通过网络驱动单元和网络PHY芯片连接网络接口输出。

请参阅图2，数字麦克风采集单元兼容把多路TDM音频接口的数字麦克风直接挂在TDM 音频数字接口上，每个TDM接口线上挂16个数字硅麦组成一个单元，数字麦克风采集单元出来的TDM音频数据通过多条TDM接口线直接将音频数据传送到FPGA数据处理单元中。

TDM接口的WS为选通信号线，用来选通数字麦克风向外输出数据，SCK为时钟信号线给数字硅麦提供位时钟，SD为数据信号线，WS、SCK和SD分别与FPGA数据处理单元连接，将采集到的信号输出到FPGA数据处理单元中。

请参阅图4，为基于FPGA的多通道数据采集卡工作流程图，具体实施以64通道的数据采集板为例，由多通道的麦克风阵列单元、ADC转换单元、FPGA数据处理单元和音频数据输出单元构成。64通道的麦克风阵列单元采集信号，经16个ADC转换单元中进行A/D转换，16个ADC转换单元通过4路TDM接口和FPGA相连，ADC转换单元中的音频数据通过TDM 接口输入到FPGA数据处理单元中。FPGA数据处理单元和网络单元、USB单元TDM接口连接直接把数据传输出去，单片机配置单元根据II2C配置ADC转换单元。

请参阅图5，使用64通道的模拟麦克风采集单元，每4路模拟信号为一组输入到一个ADC 转换单元中，有16个ADC转换单元，对64路模拟信号进行AD转换；音频信号首先通过PGA 放大，然后输入到AD进行模数转换，ADC转换单元通过单片机配置单元的软件配置选择16K、 24K、32K、44.1K、48K等采样频率和选择16bits、24bits、32bits采样精度进行选择；ALC环节实现PGA增益自动地随音频输入信号强度而调整，ALC能随时跟踪、监视PGA输出的音频信号电平，当输入信号增大时，ALC电路自动降低PGA的增益；当输入信号减小时，ALC电路自动增大PGA的增益，以使采集到的信号保持在最佳电平；然后ADC通过4条TDM总线,每个TDM线上挂4个ADC将数据传送到FPGA数据处理单元中。

请参阅图6，在使用64通道的数字麦克风板采集数据时，每个TDM接口线上挂16个数字硅麦，总共需要4路TDM接口线，其工作方式为，在采集音频数据时通过FPGA给的WS 信号串行依次选通数字硅麦，如首先选通通道1数字硅麦依次通道2、通道3等一直到通道16。选中哪个通道时，哪个通道通过TDM的数据SD线往外发送采集到的音频数据。在一条TDM 线上依次把采集到的16通道数据传送到FPGA中，4条TDM接口线可以传送64通道的数据。

模拟或数字麦克风采集单元的音频数据送入FPGA数据处理单元中，FPGA数据处理单元对音频数据进行信号采集的时序产生和数据处理、缓存等功能；对采集编码单元传输的数据进行串并转换、数据缓存、高通滤波后可以将采集到的64通道音频数据转换成以下三种格式音频数据对外输出。

第一种：基于FPGA数据处理单元的多功能采集卡上留有对外的并行数据接口，并行数据通过对外的FPC排线插座，可以灵活的把数据传送到DSP或者ARM的数据处理板中。

第二种：对数据进行处理后，FPGA数据处理单元通过并行数据，将64路音频数字信号传输给USB(Universal Serial Bus,USB)to IIS Bridge声卡桥接芯片，转换成USB包，实现音频信号的USB异步传输，数据直接通过USB接口输出到windows、Android和linux系统或者 DSP、ARM架构的处理板中。实现即插即用。

第三种：FPGA数据处理单元输出处理后的并行数据通过网络PHY芯片转换为串行网络数据通过网络接口可以直接实现网络数据输出。通过网线可以直接将数据传送到远程设备中。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，包括多通道的麦克风阵列单元，音频信号经过多通道的麦克风阵列单元采集后输入到采集编码单元的ADC转换单元中进行增益调节和AD转换，ADC转换单元根据单片机配置单元中设定的配置通过TDM接口把数字音频信号传送到FPGA数据理单元中，FPGA数据理单元对数据进行缓存和处理后通过音频数据输出单元的并行数据接口、USB音频输出单元的USB接口或网口音频输出单元的网络接口输出，FPGA数据理单元用于实现信号采集的时序产生和数据处理、缓存；对采集编码单元传输的数据进行串并转换、数据缓存、高通滤波和/或并串转换预处理。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，麦克风阵列单元通过接插件与FPGA数据处理单元连接，麦克风阵列单元包括模拟麦克风采集单元和数字麦克风采集单元。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，模拟麦克风采集单元包括N通道数据采集，以16个通道组成一个单元，每个单元有4个ADC转换单元，每个ADC转换单元对4路模拟通道进行AD转换，16通道数字音频信号通过一路TDM输出，单片机配置单元通过II2C对单元内的ADC转换单元进行配置，FPGA数据处理单元的TDM主时序单元接收16通道数字音频信号并发送给数据处理单元，数据处理单元通过并行时序单元连接并行数据接口输出；数据处理单元通过并行数据转USB Bridge连接USB接口输出；数据处理单元通过网络驱动单元和网络PHY芯片连接网络接口输出。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，数字麦克风采集单元包括N通道数据采集，多路TDM音频数字接口的数字麦克风与TDM音频数字接口连接，每个TDM音频数字接口上设置16个麦克风组成一个单元，每个单元采集的TDM音频数据通过对应的TDM接口线连接FPGA数据处理单元用于音频数据传送。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，TDM音频数字接口包括主时钟MCLK、帧时钟信号线WS、位时钟信号线SCK和数据信号线SD。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，单片机配置单元中设置有给ADC转换单元的配置信息，配置信息包括16K、24K、32K、44.1K或48K采样频率，16bits、24bits或32bits的采样精度。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，并行数据接口用于将FPGA数据处理单元处理后的数据通过接口送到DSP或ARM架构的处理器中。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，USB接口通过并行数据转USB将音频数据直接通过USB接口输出到Windows、Android和Linux系统或者DSP、ARM架构的处理板中；或通过USB接口直接连接硬盘。

9.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，FPGA数据处理单元输出的并行音频数据通过网络PHY芯片转换为网络数据，通过UDP协议将音频数据输出到远距离处理设备。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于FPGA的多通道音频采集系统，其特征在于，还包括电源管理单元，电源管理单元用于给麦克风阵列单元、采集编码单元、FPGA数据处理单元、音频输出单元和单片机配置单元提供电源。

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