基于麥克風(fēng)陣列聲源定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出一種基于TMS320C6713的麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)。以DSP作為系統(tǒng)的核心控制器，通過(guò)TMS320C6713的 McASP接口與A／D芯片PCM4204連接，克服了單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算能力有限，數(shù)據(jù)處理速度慢的缺點(diǎn)，能更好地滿足麥克風(fēng)陣列聲源定位的要求。介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)思想，實(shí)踐證明了系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)高速、精度高及可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：麥克風(fēng)陣列；聲源定位；多通道音頻串口；寄存器配置

0 引言
麥克風(fēng)陣列的聲源定位是指用麥克風(fēng)拾取聲音信號(hào)，通過(guò)對(duì)麥克風(fēng)陣列的各路輸出信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到一個(gè)或者多個(gè)聲源的位置信息。如果聲源能夠持續(xù)地輸出聲音，通過(guò)對(duì)麥克風(fēng)陣列接收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)聲源的定位和跟蹤。目前，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位廣泛用于具有嘈雜背景的語(yǔ)音通信環(huán)境，如會(huì)場(chǎng)、多媒體教室、車載電話等，以提高通信質(zhì)量。本文主要討論了麥克風(fēng)陣列聲源定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)聲源定位的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了一些考慮。該系統(tǒng)主要用于汽車笛聲定位系統(tǒng)，通過(guò)麥克風(fēng)陣列采集笛聲信號(hào)，并根據(jù)定位算法實(shí)現(xiàn)汽車的定位。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)主要包括多個(gè)麥克風(fēng)構(gòu)成的陣列、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元、算法處理單元、邏輯控制單元，如圖1所示。


1．1 麥克風(fēng)陣列
該設(shè)計(jì)中麥克風(fēng)陣列選用聲望公司的MPA416傳聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)。MPA416傳聲器的靈敏度較高，可以達(dá)到50 mV／Pa；擁有低成本、低噪聲；頻率響應(yīng)范圍為20 Hz～20 kHz；當(dāng)其用于陣列時(shí)，MPA416的相位差能控制在3°～5°之內(nèi)，能滿足系統(tǒng)對(duì)于精確度和穩(wěn)定性的要求。由于均勻線列陣的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，處理方便，故系統(tǒng)采用一維線性麥克風(fēng)陣列，其陣列間距取10 cm。
1．2 信號(hào)調(diào)理單元
由于麥克風(fēng)所拾取的聲音信號(hào)太小，易受環(huán)境噪聲的影響，因此很有必要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)信號(hào)調(diào)理單元的處理，使之能夠滿足系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)采取兩級(jí)放大電路，前級(jí)放大為低噪聲放大，主要完成把麥克風(fēng)信號(hào)由單端變?yōu)椴罘?，故選用TI公司的低噪聲放大器OPA1632，次級(jí)放大電路為線性放大電路。
1．3 數(shù)據(jù)處理單元
該設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理單元選擇TI公司性價(jià)比較高的浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6713(以下簡(jiǎn)稱C6713)作為系統(tǒng)算法處理的核心。它的內(nèi)部采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)；具有256 KB片上存儲(chǔ)空間；豐富的外設(shè)，包括2個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、2個(gè)多通道音頻串口(McASP)、SPI和I2C等；增強(qiáng)的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA)控制器，可控制16個(gè)獨(dú)立通道，完成不受CPU干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸；32 b的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，能與SRAM，ERPOM，F(xiàn)LASH，SBSRAM和SDRAM無(wú)縫接。因此，C6713能滿足系統(tǒng)對(duì)于一些復(fù)雜定位算法的快速處理。
1．4 數(shù)據(jù)采集單元
麥克風(fēng)陣列拾取聲音信號(hào)，經(jīng)過(guò)前端調(diào)理單元的處理，使聲音信號(hào)能達(dá)到A／D芯片的要求，從而進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的采樣。
該設(shè)計(jì)中A／D轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的PCM4204，該芯片是24位、高精度，采樣速率達(dá)到216 kHz的4通道音頻模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件。該芯片具有音頻串口和DSD數(shù)據(jù)口，其中音頻串口能與DSP方便的連接，采樣數(shù)據(jù)能迅速地被DSP讀取。
TMS320C6713的McASP與ADC外設(shè)交換數(shù)據(jù)主要有2種方式：利用CPU，通過(guò)串口與外設(shè)通信，這種方式的傳輸速度慢，數(shù)據(jù)交換量小，且占用 CPU的時(shí)鐘周期。為了實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)采用另外一種方式，利用EDMA。該方式能充分利用TMS320C6713的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其ED- MA通道的獨(dú)立數(shù)據(jù)和獨(dú)立地址總線，不僅使數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸量大，且不占用CPU時(shí)鐘周期，而且使數(shù)據(jù)傳輸和DSP命令執(zhí)行同步進(jìn)行，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。