CN212909996U - 网络化远程协同声学相机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了网络化远程协同声学相机系统，涉及声学相机技术领域，包括麦克风阵列、信号采集与存储模块、数据预处理与传输模块和远程服务器。麦克风阵列采集声音信号后发送到信号采集与存储模块，所述信号采集与存储模块基于FPGA处理器实现，对接收的声音信号进行预处理、AD转换和同步采样后进行存储。数据预处理和传输模块基于DSP+ARM芯片实现，从信号采集与存储模块获取声音信号后，进行相应的处理并通过以太网接口将数据连同采集的图像和距离信息打包发送至远程服务器。采用本实用新型的系统，检修人员可以在远离设备生产现场的环境下检测设备的运行状态，增加设备的正常工作时间，实现对设备的科学化、自动化、智能化监测。

Description

网络化远程协同声学相机系统

技术领域

本实用新型涉及声学相机技术领域，特别是涉及网络化远程协同声学相机系统。

背景技术

在设备运行时，设备中的部件会随着使用时间的增长而产生磨损或者疲劳现象，进而导致设备产生突发性故障，引起安全事故并造成经济损失。

传统的设备检测大多使用两种方法：离线检测和人工检测。离线检测是在设备停止运行后，通过专门的检测工具对设备部件进行检测，费时费力。人工检测是通过有经验的技术通过设备的外观和运行时产生的状态来判断设计是否存在问题。离线检测需要将设备停机检修，利用专门的检测装置或工具对设备部件逐一排查，影响生产效率。人工检测可以在设备运行时判断部分问题，但由于生产经验的局限性，无法判断所有故障。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了网络化远程协同声学相机系统，可以解决现有技术中的问题。

本实用新型提供了网络化远程协同声学相机系统，包括麦克风阵列、信号采集与存储模块、数据预处理与传输模块和远程服务器；

所述麦克风阵列采集声音信号后发送到信号采集与存储模块，所述信号采集与存储模块基于FPGA处理器实现，包括信号调理电路、AD电路和存储模块，所述信号调理电路对接收的声音信号进行预处理后发送给AD电路，所述AD电路对声音信号转换为数字信号，并进行同步采样后，由所述存储模块进行存储；

所述数据预处理和传输模块基于DSP+ARM芯片实现，包括EMIFA接口、数据处理单元以及以太网接口，所述EMIFA接口从存储模块中获取经过处理的声音信号，所述数据处理单元将EMIFA接口获取的数据搬运至DDR2 RAM，其中的DSP核心对数据流进行预处理，将各通道信息进行校验并剥离出来，通过共享内存的方式传递给ARM核心，ARM核心负责任务调度，通过以太网接口将数据打包发送至所述远程服务器；

所述数据处理单元还与图像采集设备和距离获取设备连接，数据处理单元中的ARM核心获取受监测设备的图像信息和距离信息，将这些信号和声音信号一同发送至远程服务器；同时所述数据处理单元还与嵌入式Web服务器连接，使用户能够通过Web服务器进行网页端的浏览。

优选地，所述麦克风阵列采用9个麦克风组成L型阵列，相邻两个麦克风之间的距离为2cm，麦克风的型号为DGO4522DD。

优选地，所述麦克风阵列中麦克风采集的声音信息经过麦克风阵列电路处理后发送给信号调理电路；

所述麦克风阵列电路包括NPN型三极管Q2、钳位二极管D3和D4以及二阶RC电路，所述三极管Q2对麦克风采集的声音信号进行放大后，通过电容C8对放大信号进行过滤直流分量操作，钳位二极管D3和D4反向并联对交流信号钳位，二阶RC电路进行最后的滤波。

优选地，所述信号调理电路包括两个运算放大器，型号为LT1819CMS8，所述信号调理电路通过两个运算放大器将麦克风阵列电路输出的单端信号转换为差分信号，并发送给所述AD电路。

优选地，所述AD电路采用型号为LTC2320-14的芯片进行AD转换和同步采样。

优选地，所述FPGA处理器中的锁相环IP核生成两路相同的驱动信号分别驱动两个LTC2320-14芯片，从而保证采样时刻的一致性。

优选地，所述图像采集设备采用USB摄像头模块获取图像，通过USB接口与DSP+ARM芯片进行通信，选用USB摄像头型号为RMONCAM S900；

所述距离获取设备采用激光测距仪模块，选用上海申稷光电科技有限公司生产的SK60激光测距仪，通过串口UART1与DSP+ARM芯片进行通信。

优选地，还包括供电模块，所述供电模块将220V AC通过开关电源转换为24V DC，并将24V DC作为主电源；

所述供电模块利用LM2596-5实现24V DC转5V DC，利用TPS54286实现24V DC转3.3V DC，利用MP2359实现5V DC转1.2V DC、1.8V DC和2.5V DC，利用TPS6226实现5V DC转1.3V DC，其中的5V DC提供给麦克风阵列，1.2V DC、1.8V DC、2.5V DC、3.3V DC和5V DC提供给FPGA处理器及FPGA周围电路，1.3V DC、1.8V DC、2.5V DC和3.3V DC提供给DSP+ARM芯片及DSP+ARM周围电路。

本实用新型具有以下有益效果：

检修人员可以在远离设备生产现场的环境下检测设备的运行状态，增加设备的正常工作时间，实现对设备的科学化、自动化、智能化监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中声学相机系统的组成示意图；

图2为DSP+ARM处理器的功能框图；

图3为麦克风阵列电路的示意图；

图4为信号调理电路的示意图；

图5为AD电路的示意图；

图6为FPGA芯片和DSP+ARM处理器之间的连接示意图；

图7为以太网电路原理图；

图8为以太网电路的示意图；

图9为供电模块的示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，本实用新型提供了网络化远程协同声学相机系统，该系统包括麦克风阵列、信号采集与存储模块、数据预处理与传输模块和远程服务器。所述麦克风阵列采集声音信号后发送到信号采集与存储模块，所述信号采集与存储模块基于FPGA处理器实现，包括信号调理电路、AD电路和存储模块，所述信号调理电路对接收的声音信号进行滤波放大等预处理后发送给AD电路，所述AD电路对模拟量的声音信号转换为数字信号，并进行同步采样后，由所述存储模块进行存储，所述存储模块采用乒乓FIFO作为数据缓冲区，解决数据存储与数据读取的速率不一致问题。

所述数据预处理和传输模块基于DSP+ARM芯片实现，包括EMIFA接口、数据处理单元以及以太网接口，所述EMIFA接口与信号采集与存储模块的存储模块连接后，从存储模块中获取经过处理的声音信号，所述数据处理单元将通过EMIFA接口获取的数据搬运至DDR2RAM，其中的DSP核心对数据流进行预处理，将各通道信息进行校验并剥离出来，通过共享内存的方式传递给ARM核心，ARM核心负责任务调度，通过以太网接口将数据打包发送至所述远程服务器。所述远程服务器也具有以太网接口，所述远程服务器的以太网接口与所述数据预处理和传输模块的以太网接口通过网线连接后，即可从所述数据预处理和传输模块获取需要的数据。

所述数据处理单元还与图像采集设备和距离获取设备连接，数据处理单元中的ARM核心获取受监测设备的图像信息和距离信息，将这些信号和声音信号一同发送至远程服务器。同时所述数据处理单元还与嵌入式Web服务器连接，使用户能够通过Web服务器进行网页端的浏览。

参照图2，所述DSP+ARM芯片采用TI公司的双核处理器OMAP-L138，所述FPGA处理器采用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE115F23I7。

上述型号的FPGA处理器属于Cyclone IV E系列FPGA，具有低成本、低功耗等特点，资源丰富，内部有114480个逻辑单元(LE)，3888Kbits片上内存，4个通用锁相环模块(PLL)，8个I/O块以及528个I/O口。在多通道信号采集过程中，非常重视采集信号的同步性，而FPGA最显著的特点之一即高度并行性。FPGA内部由众多门电路构成，而并行是电路的天然属性。FPGA通过硬件描述语言设计内部电路，电路可以有多个输入和输出。

上述型号的DSP+ARM芯片是TI公司开发的低功耗嵌入式应用处理器。ARM核心为ARM926EJ-S处理器，是一款32位RISC微处理器，最高支持456MHz处理速度；DSP核心为TMS320C6748处理器，是一款浮点超长指令字(VLIW)数字信号处理器，最高支持456MHz处理速度，采用统一编址。OMAP-L138将两个核心集中于一个芯片中，通过设计专门的通信方式实现双核的交互，从而有效利用双核的优势，其主要功能框图如图2所示。

由图2可以看出，OMAP-L138的双核均采用三级缓存结构，外接DDR2RAM容量可达512MB，支持高速DMA组件EDMA3，通过EMIFA接口连接不同类型的存储外设，支持100M网口，支持多串口输入/出，支持两路USB，支持SD卡或MMC存储介质。

参照图3，本实用新型采用DGO4522DD全指向型驻极体麦克风，灵敏度为-36～3dB，频率响应范围为20Hz～16kHz，能够满足声学相机系统应用需求。本实施例中，采用9个麦克风组成L型阵列，相邻两个麦克风之间的距离为2cm。

所述麦克风阵列电路包括NPN型三极管Q2、钳位二极管D3和D4以及二阶RC电路，所述三极管Q2对麦克风采集的声音信号进行放大后，通过电容C8对放大信号进行过滤直流分量操作，钳位二极管D3和D4反向并联对交流信号钳位，二阶RC电路进行最后的滤波。整体麦克风阵列电路输出信号为均值为0的交流信号。

参照图4，所述麦克风阵列电路输出的信号为多个单端信号，单端信号由信号端和参考端组成，其中参考端通常为地，信号端与麦克风阵列电路的输出端连接。单端转差分即将单端信号转换为两个输出，一个输出与单端信号同相，另一个输出与单端信号反相。与单端输出相比，差分输出增益更大。单端转差分电路需要通过两个运算放大器电路实现，本实用新型采用LT1819CMS8作为运算放大器芯片。LT1819CMS8是具有双通道、宽带宽、高转换速率、低噪声和低失真等特点的运算放大器，采用5V直流电压供电，能够满足设计需要。为抬高单路信号调理电路如图4所示。

参照图5，所述AD电路采用LTC2320-14芯片，LTC2320-14是亚德诺(ADI)公司生产的低噪声、高速、8通道14位带符号位逐次逼近型寄存器(SAR)同步采样ADC芯片，单通道输出数据采用串行方式，包括1位符号位和14位数据位，支持单通道最高1.5Msps采样速率，支持8VPP差分输入，支持CMOS或LVDS SPI串行I/O，可采用3.3V或5V供电。

由于麦克风阵列电路一共有9路输出信号，所以需要两个LTC2320-14芯片。为保证其同步采样，需要保持驱动信号相位、布线一致，且为保证负载，采用FPGA中锁相环(PLL)IP核生成两路相同的驱动信号分别驱动两个LTC2320-14芯片，从而保证采样时刻的一致性。

LTC2320-14配备高速可兼容SPI串行接口，支持LVDS模式和CMOS模式两种模式。LVDS模式下，每两路信号组合，以低压差分信号输出，连续串行输出两个通道的数据。CMOS模式下，每路信号单独串行输出其数据。相较LVDS模式，在设计FPGA数据采集逻辑时，CMOS模式下的各路数据更加清晰明了。

LTC2320-14的数据输出方式支持两种模式：单倍数据速率(SDR)模式和双倍数据速率(DDR)模式。SDR模式下，转换结果在每个SCK下降沿当前数据最高位输出至串行数据线；DDR模式下，在SCK每个沿都会将当前数据最高位输出至串行数据线。在同样输出速率下，SDR模式需要的SCK时钟频率更高，但是SDR模式在设计FPGA数据采集逻辑时更方便。

在AD电路中，供电方面采用3.3V直流电压供电；输入电路方面，麦克风阵列数据经信号调理电路转为差分信号后，与输入引脚AIN+和AIN-差分输入对相连；输出电路方面，SPI输出格式采用CMOS，所以CMOS/LVDS引脚接地；输出时序采用SDR方式，所以SDR/DDR引脚接地。LTC2320-14支持2.5V I/O电压，与FPGA I/O引脚电平匹配，所以LTC2320-14的单通道串行输出SDOx分别与FPGA I/O引脚直接相连，并保持布线长度一致。

参照图6，所述FPGA处理器与DSP+ARM芯片的通信引脚通过直接布线方式建立连接。FPGA处理器作为DSP+ARM芯片的一个外接存储器，DSP+ARM芯片通过DSP访问EMIFA接口，使用时向FPGA提供片选信号EMA_CS[2]、使能信号EMA_OE、16位地址线EMA_A[15:0]、块地址EMA_BA[1:0]，同时，FPGA通过16位数据线EMA_D[15:0]向DSP+ARM芯片传送数据。

一并参照图7和图8，以太网是一种能够实现载波多路访问以及冲突检测在的通信方式。OSI协议是比较通用的以太网通信协议，其模型一共有七层，从上到下依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

本实用新型中DSP+ARM芯片可实现数据链路层及以上的层，周围电路实现物理层(PHY)。物理层位于OSI模型最底层，定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。数据链路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)，MAC层负责处理CSMA/CD算法、数据出错检验等工作。MAC层与PHY层之间的数据交换通过媒介独立接口(Media Independent Interfce，MII)进行，MII接口有四种：MII、RMII、GMII、RGMII。DSP+ARM芯片提供MII和RMII两种接口。与MII相比，RMII的引脚数降至7个，但时钟需提高至50MHz。在本实用新型的系统中采用MII接口。

在本实用新型中PHY芯片选用了美国国家半导体公司研发的DP83640。DP83640支持100Mb/s及以下的同步以太网，内部集成有IEEE 1588精密时钟协议(PTP)，可实现纳米级的时间同步。

DSP+ARM芯片与以太网周围电路连接示意图如图7所示。DP83640的外接晶振频率采用25MHz。根据以太网电路原理框图，分别确定DSP+ARM芯片与DP83640芯片的连接方式，以及周围电路，原理图如图8所示。

本实用新型的图像采集设备采用USB摄像头模块获取图像，通过USB接口与DSP+ARM芯片进行通信，选用USB摄像头型号为RMONCAM S900，支持320*240分辨率。此外，距离获取设备采用激光测距仪模块，选用上海申稷光电科技有限公司生产的SK60激光测距仪，通过串口UART1与DSP+ARM芯片进行通信。

参照图9，系统中共需要5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.3V、1.2V共6个直流电压等级。电源通常来源于外部交流电压，并通过开关电源转换为直流电压。本实用新型中外部电源采用220V AC转24V DC开关电源，并将24V DC作为主电源。电压转换如图9所示。利用LM2596-5实现24V DC转5V DC，利用TPS54286实现24V DC转3.3V DC，利用MP2359实现5V DC转1.2V DC、1.8V DC和2.5V DC，利用TPS6226实现5V DC转1.3V DC。

在供电方面，主要分为四个供电模块：麦克风阵列供电模块、FPGA供电模块、DSP+ARM芯片供电模块和其它供电模块。其中，麦克风阵列电路采用5V直流供电；FPGA供电模块向FPGA以及FPGA周围电路提供稳定的电源，包括1.2V、1.8V、2.5V、3.3V和5V，用于保证FPGA处理器、AD电路等正常工作；DSP+ARM芯片供电模块向DSP+ARM芯片以及DSP+ARM芯片周围电路提供稳定的电源，包括1.3V、1.8V、2.5V和3.3V，用于保证DSP+ARM芯片、以太网电路、USB电路、SD卡电路等正常工作；其它供电模块主要向USB摄像头和激光测距仪供电，USB摄像头使用USB接口提供的电源，激光测距仪采用3.3V供电。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，包括麦克风阵列、信号采集与存储模块、数据预处理与传输模块和远程服务器；

所述麦克风阵列采集声音信号后发送到信号采集与存储模块，所述信号采集与存储模块基于FPGA处理器实现，包括信号调理电路、AD电路和存储模块，所述信号调理电路对接收的声音信号进行预处理后发送给AD电路，所述AD电路对声音信号转换为数字信号，并进行同步采样后，由所述存储模块进行存储；

所述数据预处理和传输模块基于DSP+ARM芯片实现，包括EMIFA接口、数据处理单元以及以太网接口，所述EMIFA接口从存储模块中获取经过处理的声音信号，所述数据处理单元将EMIFA接口获取的数据搬运至DDR2 RAM，其中的DSP核心对数据流进行预处理，将各通道信息进行校验并剥离出来，通过共享内存的方式传递给ARM核心，ARM核心负责任务调度，通过以太网接口将数据打包发送至所述远程服务器；

所述数据处理单元还与图像采集设备和距离获取设备连接，数据处理单元中的ARM核心获取受监测设备的图像信息和距离信息，将这些信号和声音信号一同发送至远程服务器；同时所述数据处理单元还与嵌入式Web服务器连接，使用户能够通过Web服务器进行网页端的浏览。

2.如权利要求1所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述麦克风阵列采用9个麦克风组成L型阵列，相邻两个麦克风之间的距离为2cm，麦克风的型号为DGO4522DD。

3.如权利要求1所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述麦克风阵列中麦克风采集的声音信息经过麦克风阵列电路处理后发送给信号调理电路；

所述麦克风阵列电路包括NPN型三极管Q2、钳位二极管D3和D4以及二阶RC电路，所述三极管Q2对麦克风采集的声音信号进行放大后，通过电容C8对放大信号进行过滤直流分量操作，钳位二极管D3和D4反向并联对交流信号钳位，二阶RC电路进行最后的滤波。

4.如权利要求3所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述信号调理电路包括两个运算放大器，型号为LT1819CMS8，所述信号调理电路通过两个运算放大器将麦克风阵列电路输出的单端信号转换为差分信号，并发送给所述AD电路。

5.如权利要求1所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述AD电路采用型号为LTC2320-14的芯片进行AD转换和同步采样。

6.如权利要求5所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述FPGA处理器中的锁相环IP核生成两路相同的驱动信号分别驱动两个LTC2320-14芯片，从而保证采样时刻的一致性。

7.如权利要求1所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，所述图像采集设备采用USB摄像头模块获取图像，通过USB接口与DSP+ARM芯片进行通信，选用USB摄像头型号为RMONCAM S900；

所述距离获取设备采用激光测距仪模块，选用上海申稷光电科技有限公司生产的SK60激光测距仪，通过串口UART1与DSP+ARM芯片进行通信。

8.如权利要求1所述的网络化远程协同声学相机系统，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块将220V AC通过开关电源转换为24V DC，并将24V DC作为主电源；

所述供电模块利用LM2596-5实现24V DC转5V DC，利用TPS54286实现24V DC转3.3VDC，利用MP2359实现5V DC转1.2V DC、1.8V DC和2.5V DC，利用TPS6226实现5V DC转1.3VDC，其中的5V DC提供给麦克风阵列，1.2V DC、1.8V DC、2.5V DC、3.3V DC和5V DC提供给FPGA处理器及FPGA周围电路，1.3V DC、1.8V DC、2.5V DC和3.3V DC提供给DSP+ARM芯片及DSP+ARM周围电路。

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