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    重庆时时彩皇冠娱乐平台: 一种基于ARM的多通道声音信号采集系统.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201611206451.6

    申请日:

    2016.12.23

    公开号:

    CN106802781A

    公开日:

    2017.06.06

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 3/16申请日:20161223|||公开
    IPC分类号: G06F3/16; G01H17/00 主分类号: G06F3/16
    申请人: 杭州电子科技大学
    发明人: 曹九稳; 陈智勇; 王建中
    地址: 310018 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街
    优先权:
    专利代理机构: 杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙) 33240 代理人: 杜军
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611206451.6

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.30|||2017.06.06

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种基于ARM的多通道声音信号采集系统。本发明中声音信号传感器??榻粜藕抛D庑藕湃缓笫涑鲋燎岸说骼淼缏?;前端调理电路将调理后的模拟信号输入到AD???;AD??榻D庑藕沤蠥D转换得到对应的数字信号,并将数字信号按照特定的顺序通过SPI总线传输至ARM平台。在ARM平台上,利用其自带的EDMA??槭迪謕ing??pong缓存,并将AD??榇吹氖荽娲⒅羛ing??pong缓存。ARM平台将缓存中的数据存储至SD卡??榛蛑苯咏写?;ARM平台同时与SDRAM???、NandFlash???、SD卡???、串口接口和以太网接口相接。本发明减少了系统成本,且降低了软硬件复杂度。

    权利要求书

    1.一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,其特征在于包括ARM平台、AD??楹蜕?br />信号传感器???;
    声音信号传感器??榘?个声音传感器探头,将4路声音信号转化为模拟信号,然后
    输出至前端调理电路,在前端调理电路中将传感器输出的模拟信号进行调理;前端调理电
    路位于声音信号传感器??楹虯D??橹?,前端调理电路将调理后的模拟信号输入到AD模
    块的4个输入通道;AD??榉直鸾?路模拟信号进行AD转换得到对应的数字信号,并将4路数
    字信号按照特定的顺序通过SPI总线传输至ARM平台,ARM平台将接收的数据存储至SD卡模
    块或直接进行处理;ARM平台同时与SDRAM???、NandFlash???、SD卡??橄嗔?,其中SD卡
    ??橛糜诖娲RM平台接收到的声音信号数据,NandFlash??楹蚐DRAM??榉直鹩糜诔绦?br />数据的存储和程序的运行;同时ARM平台通过串口接口和以太网接口与外界进行通信,进行
    信息交互;
    AD??椴捎肁DS1278芯片,该芯片有AIN[8:1]共8组模拟量输入引脚,本系统中的AD模
    块只需使用前四组模拟量输入引脚AIN[4:1],将前四组模拟量输入引脚AIN[4:1]与前端调
    理电路输出端相连;且工作模式采用Low-Power模式,即该芯片需要将MODE0引脚接低电平,
    MODE1引脚接高电平;该芯片转换后的数据通过芯片的串行接口输出,将FORMAT[2:0]三个
    引脚接低电平,选择SPI协议输出数据,输出数据格式为TDM格式;此配置下,该芯片上与数
    据输出相关引脚有SCLK引脚、DOUT1引脚和DRDY/FSYNC引脚;其中SCLK引脚为SPI协议的时
    钟引脚,本系统中该ADS1278芯片作为SPI从机,ARM平台作为SPI主机,故SPI时钟由ARM平台
    输出至SCLK引脚;DOUT1引脚为转换后数据输出引脚,此配置下,每次采样,各个通道的转换
    数据将按照一定的顺序输出到SPI总线上,通过DOUT1引脚即可读取SPI总线上的数据;本系
    统使用了通道1~4共4个通道,故每次采样,DOUT1按照通道1、通道2、通道3、通道4的顺序依
    次输出这四个通道的转换结果;
    DRDY/FSYNC引脚的信号为数据输出就绪状态标识,当DRDY/FSYNC引脚为高电平时,数
    据不可读;当为低电平时,数据可读;即
    DRDY/FSYNC引脚的下降沿信号标志着数据可读,此时各通道的转换数据随着SPI时钟
    按顺序输出到DOUT1引脚,ARM平台从DOUT1引脚即可读取转换后的数据;此配置下,只要
    ADS1278的SCLK引脚有时钟信号输入,AD??榫突峁ぷ?,将各通道的采样数据依次输出至
    SPI总线,从DOUT1引脚即可读取数据。
    2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,其特征在于:
    ARM平台采用AM335x系列处理器,具体芯片型号推荐使用AM3354;由于AD??槭涑龅纳?br />音信号数据使用了SPI协议,涉及AM335x的McSPI功能??楹虴DMA功能???;McSPI功能???br />是AM335x内部集成的多通道SPI功能???,可作为主设备外接从设备,也可作为从设备工作
    于从机模式;AM335x共集成有两个多通道SPI,分别为SPI0和SPI1,支持时钟频率可调,SPI
    字长可调,且有4个数据传输通道可选,有数据收发缓存;
    ARM平台使用了AM335x系列处理器的McSPI功能???,具体用到引脚为SPI1_CLK引脚、
    SPI1_MISO引脚、SPI1_CS0引脚;且AM335x的SPI1_CLK引脚与ADS1278的SCLK相连,SPI1_
    MISO引脚与ADS1278的DOUT1相连,SPI1_CS0引脚与ADS1278的DRDY/FSYNC引脚相连;AM335x
    作为SPI通信的主机,AD??樽魑踊?,配置相关寄存器使AM335x工作在主机只接收模式,
    此时时钟信号由AM335x提供,且只要ADS1278的SCLK引脚有时钟信号输入,AD??榫突峥?br />工作,将各通道的采样数据依次输出至SPI总线,从DOUT1引脚即可读取数据;AM335x只负责
    从ADS1278读数据而不给它发送数据,故AM335x的SPI1_MOSI引脚并未用到;由于整个系统
    只有一台从设备,AM335x的SPI1_CS0引脚的信号并非从设备片选信号,而是EDMA数据传输
    的触发信号;另外使SPI1的通道0作为数据传输通道,配置POL=0和PHA=0,使SPI工作在模
    式0,由于ADS1278的精度是24位,故配置SPI字长为24位,且使用SPI1自带的长度为64字节
    的FIFO作为数据接收缓存。
    3.根据权利要求2所述的一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,其特征在于:
    ARM平台首先将AD??榈氖荻寥≈罶PI1的FIFO中,还需要将FIFO中的数据拷贝至内
    存,以供AM335x处理;利用AM335x自带的EDMA??槔赐瓿墒菘奖垂ぷ?,具体的:
    利用EDMA功能??橹胁问畹牧唇踊?,使用两个参数项来实现ping-pong缓存,以解
    决数据传输与CPU处理速度不匹配问题;在内存中申请一块ping缓存和一块相同大小的
    pong缓存,申请EDMA的两个参数项,分别记为参数项A和参数项B,参数项A、B的数据源地址
    相同,均设置为SPI1的FIFO地址,参数项A、B的目的地址分别为ping缓存地址和pong缓存地
    址,参数项A的LINK字段设为参数项B的地址,参数项B的LINK字段设为参数项A的地址,两参
    数项其它内容相同;如此,每次传输任务的完成,数据传输的目的地址会自动在ping缓存和
    pong缓存之间切换,当下一次传输任务开始时,数据的目的地址就已经切换完成;因此,本
    次将数据传输至ping缓存,下次则会将数据传输至pong缓存,再下次又会将数据传输至
    ping缓存;当数据传输到ping缓存时,CPU能够处理pong缓存的数据,当数据传输到pong缓
    存时,CPU能够处理ping缓存的数据;这种工作状态不停切换,就能实现数据的边采集边处
    理,两者同步进行。
    4.根据权利要求3所述的一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,其特征在于:
    AD??榈木仁?4位,且每次采样4个AD通道的数据均从ADS1278的DOUT1引脚输出,为
    配合AD???,设置EDMA数据传输为AB同步模式,且设置ACNT=3,BCNT=4,即每个通道的数
    据为一组,每次采样的数据为一??;至于CCNT的设置,则依据实际希望CPU每次处理多少数
    据以及实际的采样频率而定;本系统需要使用外部事件来触发EDMA传输数据,具体使用的
    是AM335x的SPI1_CS0引脚信号作为触发信号,即ADS1278的DRDY/FSYNC引脚下降沿信号来
    触发EDMA数据传输,即每次ADS1278采样,EDMA传输一次数据。

    说明书

    一种基于ARM的多通道声音信号采集系统

    技术领域

    本发明属于信号处理技术领域,具体涉及一种基于ARM的多通道声音信号采集系
    统。

    背景技术

    信号处理是对各种类型的电信号,按各种预期目的和要求进行加工过程的统称。
    信号有模拟信号和和数字信号之分,对模拟信号的处理称为模拟信号处理,对数字信号的
    处理称为数字信号处理。信号采集属于信号处理的第一环节,信号只有先经过采集才能进
    行下一步的处理?;欢灾?,信号处理的对象只能通过信号采集得到。因此,信号采集对于
    后期信号的处理有着至关重要的影响。当代计算机由于其强大的计算能力,是目前信号处
    理的主要工具,由于计算机只能接受数字信号,因此模拟信号需通过AD(模数转换)转化为
    数字信号才能被计算机处理。

    声音信号是自然界常见的模拟信号,声音信号处理是信号处理领域的一个分支。
    同理,在声音信号处理之前,需进行声音信号的采集,此处的“采集”指的是将属于模拟信号
    的声音信号转化为数字信号,以供计算机系统处理。目前市场上常见的声音信号采集系统,
    主要由AD??楹虳SP或FPGA组成。此类声音信号采集系统往往具备采样速率高、多通道采
    样、AD精度高、实时性好等优点,甚至有些采集系统还集成了简单信号处理的功能,可直接
    输出处理之后的数据。但此类系统往往价格昂贵,尤其是高精度高速度的采集系统。且此类
    系统内部含有DSP或FPGA等???,往往需要对其进行编程,系统硬件复杂度和软件复杂度均
    较高。这些因素导致了此类声音信号采集系统不利于大范围推广。

    发明内容

    本发明针对现有技术的不足,提供一种基于ARM的多通道声音信号采集系统。本发
    明能有效解决上述缺陷,不仅能对声音信号进行多通道高速采集、实时采集,还能将采集的
    数据进行存储或实时处理。且本发明降低了硬件、软件的复杂度,降低了系统成本。本发明
    可以应用在多种涉及到声音信号采集的场合,例如环境噪声源的识别定位系统、地下管线
    防破坏监测系统等场合。

    为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

    一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,核心部分包括ARM平台、AD???、声音信
    号传感器???,另外包括前端调理电路、SDRAM???、NandFlash???、SD卡???、以太网接
    口、串口接口。

    声音信号传感器??榘?个声音传感器探头,将4路声音信号转化为模拟信号,
    然后输出至前端调理电路,在前端调理电路中将传感器输出的模拟信号进行调理;前端调
    理电路位于声音信号传感器??楹虯D??橹?,前端调理电路将调理后的模拟信号输入到
    AD??榈?个输入通道;AD??榉直鸾?路模拟信号进行AD转换得到对应的数字信号,并将4
    路数字信号按照特定的顺序通过SPI总线传输至ARM平台,ARM平台将接收的数据存储至SD
    卡??榛蛑苯咏写?;ARM平台同时与SDRAM???、NandFlash???、SD卡??橄嗔?,其中
    SD卡??橛糜诖娲RM平台接收到的声音信号数据,NandFlash??楹蚐DRAM??榉直鹩糜?br />程序数据的存储和程序的运行;同时ARM平台通过串口接口和以太网接口与外界进行通信,
    进行信息交互。

    本发明的核心技术在于AD??楹虯RM平台以及两者的协同工作。下面详细介绍AD
    ??楹虯RM平台以及两者之间如何协同工作。

    AD??榈暮诵氖荰I公司的ADS1278芯片。该芯片是24位8通道AD芯片,可同时对8路
    模拟信号进行转换,采样率可调且最高采样率可达144KHz。该芯片有AIN[8:1]共8组模拟量
    输入引脚,本发明用到了前四组模拟量输入引脚AIN[4:1],将前四组模拟量输入引脚AIN
    [4:1]与前端调理电路输出端相连。根据采样率、采样精度、功耗的不同,该芯片有四种工作
    模式可?。篐ight-Speed模式、Hight-Resolution模式、Low-Power模式和Low-Speed模式。且
    四种工作模式的选择,完全通过芯片的MODE0引脚(34号引脚)和MODE1引脚(33号引脚)来控
    制,无需配置任何寄存器。本发明采用的工作模式是Low-Power模式,即该芯片需要将MODE0
    引脚接低电平,MODE1引脚接高电平。该芯片转换后的数据通过芯片的串行接口输出,数据
    输出支持两种串行接口协议:SPI协议或Frame-Sync协议,且支持多种数据输出格式。数据
    输出的串行接口协议和数据输出格式的选择完全通过FORMAT[2:0](30~32号引脚)三个引
    脚来控制。本发明将FORMAT[2:0]三个引脚接低电平,选择SPI协议输出数据,输出数据格式
    为TDM格式。此配置下,该芯片上与数据输出相关引脚有SCLK引脚(28号引脚)、DOUT1引脚
    (20号引脚)和DRDY/FSYNC引脚(29号引脚)。其中SCLK引脚为SPI协议的时钟引脚,本发明中
    该芯片作为SPI从机,ARM平台作为SPI主机,故SPI时钟由ARM平台输出至SCLK引脚(28号引
    脚)。DOUT1引脚为转换后数据输出引脚,此配置下,每次采样,各个通道的转换数据将按照
    一定的顺序输出到SPI总线上,通过DOUT1引脚即可读取SPI总线上的数据。本发明使用了通
    道1~4共4个通道,故每次采样,DOUT1按照通道1、通道2、通道3、通道4的顺序依次输出这四
    个通道的转换结果。DRDY/FSYNC引脚的信号为数据输出就绪状态标识,当DRDY/FSYNC引脚
    为高电平时,数据不可读;当为低电平时,数据可读。即DRDY/FSYNC引脚的下降沿信号标志
    着数据可读,此时各通道的转换数据随着SPI时钟按顺序输出到DOUT1引脚,ARM平台从
    DOUT1引脚即可读取转换后的数据。此配置下,只要ADS1278的SCLK引脚有时钟信号输入,AD
    ??榫突峁ぷ?,将各通道的采样数据依次输出至SPI总线,从DOUT1引脚即可读取数据。

    ADS1278芯片最多能支持8通道同时采样,当所用通道数低于8个时,可通过PWDN
    [8:1]引脚(35~42号引脚)将不需要用的通道关闭。PWDN[8:1]引脚与8个通道一一对应,当
    某个PWDN引脚接低电平时,对应的通道则关闭。本发明用到了前4个通道,需将后四个通道
    关闭,故将PWDN[8:5]四个引脚接低电平,PWDN[4:1]四个引脚接高电平。另外,本发明用外
    接10MHz的晶振作为该芯片的时钟源,将CLKDIV引脚(10号引脚)接高电平,根据芯片手册计
    算公式,可算出采样频率为10MHz/512≈19531Hz。该芯片其他配置可参考TI公司官方的
    ADS1278芯片手册。

    ARM平台采用集成了EDMA功能??榈腁RM架构CPU。由于AD??椴裳式细?,AD???br />将产生大量数据,而ARM平台要将数据进行存储或处理就必然涉及到数据的拷贝工作。因此
    本发明使用ARM平台的EDMA功能来完成数据的拷贝工作,以使数据拷贝工作尽可能少占用
    CPU资源,将CPU资源尽可能的分配给系统其它任务。

    本发明采用TI公司的AM335x系列处理器作为ARM平台,具体芯片型号推荐使用
    AM3354。AM335x系列处理器采用ARM Cortex A8内核,最高主频可达720MHz,集成有2个工业
    用千兆以太网MAC以及UART、McSPI和EDMA等常用外设???。ARM平台负责从AD??槎寥∈?br />据,并对数据进行存储或处理,及与外界进行通信等工作。ARM平台上移植了强大的嵌入式
    Linux操作系统,整个系统的软件复杂功能和硬件资源管理都在Linux系统上实现。

    本发明中,AD??槭涑龅纳粜藕攀菔褂昧薙PI协议,涉及AM335x的McSPI功能
    ??楹虴DMA功能???。SPI是串行外设接口,是一种高速的、全双工同步通信总线,且在芯片
    管脚上只占用4根信号线。SPI以主从模式工作,通常有一个主设备和一个或多个从设备,通
    信时用到4根信号线(实际上当单向通信时使用3根信号线也可以)。这四根信号线分别是时
    钟信号SCLK、主入从出数据线MISO、主出从入数据线MOSI和从设备片选信号线CS。其中,
    SCLK信号线只由主设备控制,通信的时钟信号SCLK由主设备提供。根据时钟信号相位(PHA)
    和时钟极性(POL)的不同组合,SPI有模式0~3共4中工作模式,分别对应4种不同数据传输
    时序。McSPI是AM335x内部集成的多通道SPI功能???,可作为主设备外接从设备,也可作为
    从设备工作于从机模式。AM335x共集成有两个多通道SPI(SPI0和SPI1),支持时钟频率可
    调,SPI字长可调,且有4个数据传输通道(通道0~3)可选,有数据收发缓存。通过配置
    AM335x的相关寄存器,可对时钟频率、工作模式、SPI字长等进行设置。

    本发明使用了AM335x的McSPI功能???,具体用到引脚为SPI1_CLK引脚(52号引
    脚)、SPI1_MISO引脚(53号引脚)、SPI1_CS0引脚(33号引脚)。且AM335x的SPI1_CLK引脚与
    ADS1278的SCLK相连,SPI1_MISO引脚与ADS1278的DOUT1相连,SPI1_CS0引脚与ADS1278的
    DRDY/FSYNC引脚相连。在本发明中,AM335x作为SPI通信的主机,AD??樽魑踊?,配置相关
    寄存器使AM335x工作在主机只接收模式(Master Receive-Only mode),此时时钟信号由
    AM335x提供,且只要ADS1278的SCLK引脚有时钟信号输入,AD??榫突峥脊ぷ?,将各通道
    的采样数据依次输出至SPI总线,从DOUT1引脚即可读取数据。AM335x只负责从ADS1278读数
    据而不给它发送数据,故AM335x的SPI1_MOSI引脚(54号引脚)并未用到。由于整个系统只有
    一台从设备,本发明中AM335x的SPI1_CS0引脚的信号并非从设备片选信号,而是EDMA数据
    传输的触发信号;另外,本发明需使能SPI1的通道0作为数据传输通道,配置POL=0和PHA=
    0,使SPI工作在模式0,由于ADS1278的精度是24位,故配置SPI字长为24位,且使用SPI1自带
    的长度为64字节的FIFO作为数据接收缓存。

    本发明中,ARM平台首先将AD??榈氖荻寥≈罶PI1的FIFO中,还需要将FIFO中的
    数据拷贝至内存,以供AM335x处理。由于采样率较高,数据量较大,若数据的拷贝工作由CPU
    来完成,则会占用大量的CPU资源,严重降低效率,不符合实际应用需求。故本发明利用
    AM335x自带的EDMA??槔赐瓿墒菘奖垂ぷ?,无需CPU干预,最大限度的减少CPU资源的占
    用,使系统分配更多CPU资源给其它任务。

    AM335x的EDMA有多达64个DMA通道,用于数据传输,且这些通道支持多种触发方
    式:外部事件触发,通过写相应寄存器来手动触发和链式触发。具有多达256个参数项
    (PaRAM entry),这些参数项有自己的地址,其内容包含各种字段,这些字段描述了数据传
    输的具体细节,如数据的源地址、目的地址、数据在源地址目的地址的排列方式等。且这些
    参数项支持链接机制(Linking mechanism),该机制能让参数项自动更新,可利用该机制实
    现ping-pong缓存??赏ü渲肁M335x相关寄存器将EDMA的通道与参数项进行绑定。AM335x
    的EDMA支持三维数据传输,以ACNT个字节的数据作为一个组(Array),BCNT个组作为一帧
    (Frame),CCNT个帧为一个块(Block),因此一个数据块共有ACNT×BCNT×CCNT个字节的数
    据。无论是源地址处还是目的地址处,数据块中的数据不一定相邻,可能是分散的,组
    (Array)之间的偏移由SRCBIDX/DSTBIDX参数决定,帧(Frame)之间的偏移由SRCCIDX/
    DSTCIDX参数决定。以上参数均属于参数项的字段,可通过编程设置。EDMA的数据传输有两
    种模式可?。篈同步传输(A-Synchronized Transfers)和AB同步传输(AB-Synchronized
    Transfers),前者每次传输一组数据(即ACNT字节数据),共需要BCNT×CCNT次传输才能完
    成一个数据块的传输;后者每次传输一帧数据(即ACNT×BCNT字节数据),共需要CCNT次传
    输才能完成一个数据块的传输。

    本发明利用EDMA功能??橹胁问畹牧唇踊?,使用两个参数项来实现ping-
    pong缓存,以解决数据传输与CPU处理速度不匹配问题。具体做法是,在内存中申请一块
    ping缓存和一块相同大小的pong缓存,申请EDMA的两个参数项,分别记为参数项A和参数项
    B,参数项A、B的数据源地址相同,均设置为SPI1的FIFO地址,参数项A、B的目的地址分别为
    ping缓存地址和pong缓存地址,参数项A的LINK字段设为参数项B的地址,参数项B的LINK字
    段设为参数项A的地址,两参数项其它内容相同。如此,每次传输任务的完成,数据传输的目
    的地址会自动在ping缓存和pong缓存之间切换,当下一次传输任务开始时,数据的目的地
    址就已经切换完成。因此,本次将数据传输至ping缓存,下次则会将数据传输至pong缓存,
    再下次又会将数据传输至ping缓存。当数据传输到ping缓存时,CPU能够处理pong缓存的数
    据,当数据传输到pong缓存时,CPU能够处理ping缓存的数据。这种工作状态不停切换,就能
    实现数据的边采集边处理,两者同步进行。

    由于本发明中,AD??榈木仁?4位,且每次采样4个AD通道的数据均从ADS1278
    的DOUT1引脚输出,为配合AD???,设置EDMA数据传输为AB同步模式,且设置ACNT=3,BCNT
    =4,即每个通道的数据为一组(Array),每次采样的数据为一帧(Frame)。至于CCNT的设置,
    则依据实际希望CPU每次处理多少数据以及实际的采样频率(FS)而定。例如希望每次采集K
    秒的数据给CPU处理,则CCNT=FS×K。随着ACNT、BCNT、CCNT的确定,则需申请的ping缓存和
    pong缓存的大小也就确定了,其大小等于ACNT×BCNT×CCNT个字节。本发明需要使用外部
    事件来触发EDMA传输数据,具体使用的是AM335x的SPI1_CS0引脚信号作为触发信号,即
    ADS1278的DRDY/FSYNC引脚下降沿信号来触发EDMA数据传输,即每次ADS1278采样,EDMA传
    输一次数据。以上配置涉及的寄存器,均可查询TI公司官方的AM335x芯片手册,限于篇幅,
    本说明书对此部分内容不再赘述。

    本发明有益效果如下:

    本发明使用ARM平台作为系统的处理器,不同于市场上常见的使用DSP+FPGA的方
    案,减少了系统成本,且降低了软硬件复杂度。本发明不仅可以将声音数据采集存储至SD
    卡,且由于ping-pong缓存技术的使用,大大降低了数据采集对ARM平台中CPU的占用,在以
    极小的资源实现采集任务的同时,为后续对数据的进一步的实时处理预留了大量的时间和
    资源。本发明预留有丰富的通信接口,方便系统与外界进行信息交互。本发明在ARM平台上
    移植了嵌入式Linux系统,系统的所有软件功能和硬件资源分配均在Linux系统上实现,提
    高了系统资源管理的效率,同时降低了后续功能拓展或定制的难度,便于该系统的进一步
    推广使用。

    附图说明

    图1为本发明的系统硬件架构图;

    图2位本发明的系统功能流程图。

    具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

    一种基于ARM的多通道声音信号采集系统,需要实现的基本功能是:

    1)利用AD??榻?路声音信号进行采集并转换成数字信号,并通过SPI协议,将转
    换得到的数字信号输入到ARM平台;

    2)在ARM平台上,利用自带的EDMA功能,实现ping-pong缓存,将来自AD??榈氖?br />存入ping-pong缓存;

    3)在ARM平台上,将ping-pong缓存中的数据存入SD卡???,或直接对数据进行处
    理,实现对声音信号的边采集边处理;

    4)系统预留出串口接口、以太网接口等通信接口,方便系统与外部的信息交互。

    本发明硬件功能和软件功能的具体划分如下:

    硬件功能具体如下:

    1)声音信号传感器??榻饨绲?路声音信号转化成电信号,并输入到前端调理
    电路,此过程的信号为模拟信号;

    2)前端调理电路完成对模拟信号的调理,并将调理后的信号输入到AD???,此过
    程的信号仍是模拟信号;

    3)AD??橥瓿啥郧岸说骼淼缏肥涑龅哪D庑藕诺牟杉⒔渥怀墒中藕?,输
    入到ARM平台,此过程的信号为数字信号。

    4)留出串口接口、以太网接口等硬件接口,方便系统与外界通信。

    软件功能具体如下:

    1)在ARM平台上,对McSPI??榻信渲?。使用SPI通信协议,读取AD??榇吹氖?br />字信号至SPI1的FIFO中;

    2)在ARM平台上,对EDMA??榻信渲?。利用EDMA功能,实现ping-pong缓存,将
    SPI1的FIFO中的数据存入ping-pong缓存;

    3)在ARM平台上,ping-pong缓存中的数据存入SD卡???,或对ping-pong缓存中的
    数据进行实时处理;

    4)ARM平台移植有嵌入式Linux操作系统,完成系统资源和任务的统一分配管理。

    本发明硬件的具体实施方式如下:

    本发明的系统硬件架构图如图1所示,为了使整个结构看起来清晰简洁,图中表示
    出了系统的核心硬件架构,一些结构细节并未在图中表示出来。本发明硬件架构核心部分
    包括ARM平台、AD???、声音信号传感器???,另外包括前端调理电路、SDRAM???、
    NandFlash???、SD卡???、以太网接口、串口接口。声音信号传感器??榘?个声音传感
    器探头,产生4路声音信号,此时的信号为模拟信号。前端调理电路位于声音信号传感器和
    AD??橹?,主要功能是将传感器输出的4路模拟信号进行调理,并将调理后的模拟信号输
    入到AD??榈?个输入通道。AD??榉直鸾?路模拟信号进行AD转换得到对应的数字信号,
    并将4路数字信号按照特定的顺序通过SPI总线传输至ARM平台。ARM平台负责接收AD??榇?br />输过来的数据,将这些数据存储至SD卡??榛蛑苯咏写?。SD卡??榭捎糜诖娲⑾低巢?br />集到的声音信号数据。串口接口和以太网接口为系统与外界进行通信的接口,系统可通过
    串口或以太网来跟外界进行信息交互。例如通过串口,系统可以将声音信号处理的结果输
    出至外界。NandFlash??楹蚐DRAM??榉直鹩糜诔绦蚴莸拇娲⒑统绦虻脑诵?。本发明的
    AD??椴捎肨I公司的ADS1278芯片。本发明的ARM平台使用TI公司的AM335x系列处理器,具
    体型号推荐使用AM3354。

    本发明需对AD??榻信渲?,主要设置ADS1278的相关引脚。本发明用到了
    ADS1278的前四组模拟量输入引脚AIN[4:1],需将它们与前端调理电路输出端相连;将
    ADS1278的MODE0接低电平,MODE1引脚接高电平,使之处于Low-Power工作模式;本发明将
    FORMAT[2:0]三个引脚接低电平,选择SPI协议输出数据,数据格式为TDM格式;本发明将
    PWDN[8:5]四个引脚接低电平,PWDN[4:1]四个引脚接高电平,只使用前4个通道;本发明用
    外接10MHz的晶振作为ADS1278的时钟源,CLKDIV引脚接高电平,此时采样频率为19531Hz;
    本发明将ADS1278的SCLK引脚、DOUT1引脚和DRDY/FSYNC引脚分别与AM335x的SPI1_CLK引
    脚、SPI1_MISO引脚和SPI1_CS0引脚相连。另需注意的是,由于DRDY/FSYNC引脚的下降沿表
    示数据可读,而AM335x的SPI1_CS0引脚是上升沿触发EDMA传输,故在DRDY/FSYNC引脚和
    AM335x的SPI1_CS0引脚间需接一个反相器。

    本发明软件功能的具体实施方式如下:

    本发明的系统功能流程图如图2所示。本发明的AD??橥ü齋PI协议,将AD转换得
    到的声音信号数据传输给ARM平台SPI1的FIFO中。ARM平台通过EDMA将SPI1的FIFO的数据传
    输至ping-pong缓存,并将ping-pong缓存中的数据存储至SD卡或进行实时处理。本发明软
    件的核心部分是AM335x的SPI1??楹虴DMA??榈呐渲?,以及利用EDMA??槭迪謕ing-pong
    缓存,使之配合AD??榻惺莶杉?。在本发明中,数字信号的传输使用SPI协议,AM335x作
    为SPI通信的主机,AD??樽魑踊?。故配置AM335x的相关寄存器使之工作在主机只接收模
    式(Master Receive-Only mode),将SPI时钟配置为5MHz,此时时钟信号由AM335x提供。本
    发明需配置相关寄存器使能SPI1的通道0作为数据传输通道,配置POL=0和PHA=0,使SPI
    工作在模式0。由于本发明的AD??榈木仁?4位,故配置SPI字长为24位,且使用SPI1自带
    的长度为64Byte的FIFO作为数据接收缓存。

    本发明需要通过配置AM335x的相关寄存器来设置EDMA???。配置相关寄存器,设
    置EDMA数据传输为AB同步模式,使能EDMA的通道20作为数据传输通道,并设置触发方式为
    外部事件触发,将通道20与SPI1_CS0引脚的上升沿信号触发事件绑定。本发明利用EDMA的
    参数项的链接机制,使用EDMA的两个参数项来实现ping-pong缓存。具体做法是,在内存中
    申请一块ping缓存和一块相同大小的pong缓存(分配的内存类型为int型,即每个存储单位
    为32位),申请两个参数项(假定为参数项A和参数项B)。参数项A、B的数据源地址相同,均设
    置为SPI1的FIFO地址,参数项A、B的目的地址分别为ping缓存地址和pong缓存地址,参数项
    A的LINK字段设为参数项B的地址,参数项B的LINK字段设为参数项A的地址,两参数项其它
    内容相同。本发明需对EDMA的三维数据传输中的相关参数进行设置,设置ACNT=3,BCNT=
    4,即每个通道的数据位一组(Array),每次采样的数据为一帧(Frame)。至于CCNT的设置,则
    可以依据实际希望CPU每此处理多少数据以及实际的采样频率(FS)而定,例如希望每次采
    集K秒的数据给CPU处理,则CCNT=FS×K。若ACNT、BCNT、CCNT确定了,则待申请的ping/pong
    缓存的大小也随之确定,其大小等于ACNT×BCNT×CCNT个字节。以K=0.2为例,且已知FS=
    19531Hz,则CCNT=19531×0.2≈3906。此时申请的ping-pong缓存大小等于3×4×3906=
    46872字节。以上配置涉及的寄存器,均可查询TI公司官方的AM335x芯片手册,限于篇幅,本
    说明书对此部分内容不再赘述。

    本发明软件功能的具体实施有以下4点需注意:

    1)本发明建议将数据采集相关的程序专门写成内核驱动???,将数据存入SD卡模
    块和将数据进行实时处理这两部分相关的程序写成应用程序,这样系统软件结构层次会更
    清晰明朗;

    2)上述将EDMA的通道20和SPI1_CS0引脚的上升沿信号绑定,作为EDMA的触发信
    号,需要配置AM335x中与EDMA??榈腃rossbar相关的寄存器;

    3)由于SPI字长设置为24位(3字节),因此存入ping-pong缓存的每个AD值长度为3
    字节。而AM335x的字长为32位(4字节),又申请的ping-pong缓存的最小存储单元是4字节。
    所以每个AD值存储在了ping-pong缓存存储单元中的低3字节,高字节内容未知。

    故需要根据每个AD值的符号位,先将ping-pong缓存中的数据进行处理,将存储在
    低3字节的数据转换成32位格式数据,然后才能使用ping-pong缓存中的数据;

    4)上述将ping-pong缓存的数据存储至SD卡或者进行实时处理,具体涉及到的程
    序需根据实际情况而定。如可以将ping-pong缓存的数据以wav文件格式存储至SD卡,或者
    直接对ping-pong缓存的数据进行滤波处理。

    关 键 词:
    一种 基于 ARM 通道 声音 信号 采集 系统
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