一种便携式小型音频收发系统技术方案

本发明专利技术公开了一种便携式小型音频收发系统，其通过外接U盘或者SD卡即可自由选择用于播放的音频信号；另外还提供了音频信号的高保真、大容量录制功能，接收信号保存在外接U盘或SD卡中方便用户读取，U盘和SD卡存储具备容量大、电路实现简单等优点。本发明专利技术采用通用的音频芯片做音频收发通道，具备成本低、支持多种工作模式等优点，相关的信号预处理电路设计可参数化，功能定制实现简单。此外，本发明专利技术进行音频发送和接收的时间戳精度高，可以达到微秒的量级；系统实现了音频收发功能的合置，具备体积小巧、便于携带、成本低廉等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式小型音频收发系统
本专利技术属于音频收发
，具体涉及一种便携式小型音频收发系统。
技术介绍
声波通信作为一种无线通信方式，近年来被运用于室内定位、水下通信等场景，是一个较为热门的研究领域。高性能的音频收发装置是实现以上应用的硬件基础。不同的应用场景下，采用的声波信号形式不尽相同，现有的音频播放设备配置方式不够灵活，不能方便地支持这些特殊、多样的自定义信号。此外，我们还需要对声信号进行采集、存储和处理，已有的音频接收设备往往独立于音频播放设备，且体积笨重、不易携带，这无疑增大了应用成本。部分通信应用场景需要记录足够精度的时间戳，现有的设备难以满足此类需求。可以说，现有设备的缺陷在一定程度上阻碍了以上应用的发展和推广。FPGA(FieldProgrammableGateArray)作为一种可编程的门阵列，支持各种电平标准的接口，在数据采集、信号处理等领域有着广泛的应用。基于FPGA控制的音频收发系统可以根据不同的应用场景进行功能定制，功能扩展灵活方便，成本不高。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提出了一种便携式小型音频收发系统，其采用通用的音频芯片做音频收发通道，具备成本低、支持多种工作模式等优点，相关的信号预处理电路设计可参数化，功能定制实现简单；此外，用于控制本系统进行音频发送和接收的时间戳精度高，可以达到微秒的量级；本专利技术实现了音频收发功能的合置，具备体积小巧、便于携带、成本低廉等优点。一种便携式小型音频收发系统，包括电源模块、时钟晶振模块、存储模块、USB串口通信模块、UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)模块、闪存模块、音频处理模块以及FPGA模块；其中：所述电源模块用于为系统中的其他功能模块提供工作电压；所述时钟晶振模块用于产生两路不同频率的时钟基准信号，一路提供给FPGA模块，另一路提供USB串口通信模块和UART模块；所述存储模块用于储存音频信号；所述USB串口通信模块用于与外部微型计算机进行通信；所述UART模块用于与上位机进行通信，接收用户下达的控制指令；所述音频处理模块通过外部设备接收音频信号并对其进行预处理以及模/数转换后提供给FPGA模块，同时对FPGA模块转发的音频信号进行数/模转换后通过外部设备进行播放；所述FPGA模块用于将音频处理模块转换后的音频信号保存至存储模块中或将该音频信号通过USB串口通信模块保存至外部微型计算机中，还用于读取存储模块中的音频信号或通过USB串口通信模块读取外部微型计算机中的音频信号并将其转发给音频处理模块；FPGA模块还用于解析所述控制指令并作出相应处理，同时将系统的工作状态信息通过UART模块反馈给上位机；所述闪存模块用于存储少量待播放的音频信号。进一步地，所述电源模块包括：DC-DC变换电路，用于将电池输出的24V直流电压转换成5V直流电压；滤波电路，用于抑制DC-DC变换电路开关频率下的输出电压纹波；LDO(低压差线性稳压器)电路，用于将滤波后的5V直流电压降压成适应各功能模块的工作电压。进一步地，所述时钟晶振模块分别采用两个晶振分别产生频率为10MHz和11.0592MHz的两路时钟基准信号，10MHz时钟基准信号作为FPGA模块工作时的系统时钟，11.0592MHz时钟基准信号作为USB串口通信模块和UART模块的波特率时钟。进一步地，所述存储模块由U盘、SD卡以及CH376芯片组成，U盘和SD卡通过CH376芯片与FPGA模块连接。进一步地，所述USB串口通信模块由USB接口和FT232RL芯片组成，USB接口通过FT232RL芯片与FPGA模块连接。进一步地，所述UART模块由DB9F接口和MAX3232ESE电平转换芯片组成，DB9F接口通过MAX3232ESE电平转换芯片与FPGA模块连接。进一步地，所述闪存模块采用S25FL032P芯片。进一步地，所述音频处理模块对音频信号进行预处理包括滤波以及放大，其中滤波通过MAX274芯片实现，放大通过LTC6910-1芯片实现，模/数以及数/模转换通过TLV320AIC23B芯片实现。进一步地，所述FPGA模块通过解析用户下达的控制指令执行以下工作任务：时间戳同步、更新闪存模块内的音频数据、配置音频处理模块的工作参数、启动音频的发送及接收任务、驱动存储接收到的音频信号。进一步地，所述FPGA模块执行时间戳同步的具体过程为：FPGA模块进入授时任务时，若检测到PPS(PulseperSecond，秒脉冲)信号，则将系统本地时间同步为通过UART模块写入的外部时间，同步精度为微秒量级；之后利用10MHz的晶振进行系统守时，守时精度为纳秒量级；进而通过设置音频收发任务的起止时间来控制系统工作。进一步地，所述FPGA模块由Altera公司CycloneIV系列的EP4CE22E22I7芯片及其外围电路构成。本专利技术系统的有益技术效果如下：(1)本专利技术系统实现了音频发送和接收合置的基本功能，并且发送和接收对于用户而言只需外接U盘或SD卡即可，存储容量大，操作便捷。(2)本专利技术系统得益于音频芯片强大的性能，用户可以根据不同的应用场景自由配置音频收发系统的工作参数，同时音频信号预处理部分电路采用了参数化的设计方式，只需要更改外围电路器件选值即可更改设计参数，以及FPGA本身具备可编程的特性，使得整套系统具备很强的可扩展性。(3)本专利技术系统可以由外部时钟源进行授时，授时精度为微秒量级；授时后内部守时精度为纳秒量级，因此系统的时间戳记录精度很高，为微秒量级。(4)本专利技术整套系统体积只有20×20×15cm，便于携带，且器件成本不高。附图说明图1为本专利技术系统的整体结构示意图。图2为电源模块的实现结构示意图。图3为电源模块中的滤波电路示意图。图4为USB/SD卡读写模块的连接示意图。图5为USB-串口模块的连接示意图。图6为USB转串口芯片及其外围电路连接示意图。图7为UART电平转换芯片及其外围电路连接示意图。图8为FLASH闪存芯片及其外围电路连接示意图。图9为滤波电路芯片及其外围电路连接示意图。图10为放大电路芯片及其外围电路连接示意图。图11为模数/数模转换芯片及其外围电路连接示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术音频收发集成系统包括：电源模块、时钟晶振模块、USB/SD卡读写模块、USB-串口通信模块、UART模块、闪存(FLASH)模块、音频处理模块、FPGA模块(内含时间戳同步模块)；其中电源模块、FPGA模块均与其它所有模块连接。电源模块为其余所有模块提供工作电压；晶振模块提供数字电路工作的时钟基准信号；USB/SD卡读写模块是系统数据传输的通道，音频待发送信号通过该模块从外部U盘/SD卡中被读入FPGA以作后续处理，音频接收信号通过该模块被写入外部U盘或SD卡；USB-串口模块作为USB/SD卡读写模块的补充，是系统与外部微型计算机进行数据交互的接口，音频数据通过该模块从微机上挂载的U盘中被读入FPGA，音频接收数据通过此接口写入U盘；UART模块是系统与外部进行串口通信的接口，用户可以通过该接口控制并监测系统的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式小型音频收发系统，其特征在于：包括电源模块、时钟晶振模块、存储模块、USB串口通信模块、UART模块、闪存模块、音频处理模块以及FPGA模块；其中：所述电源模块用于为系统中的其他功能模块提供工作电压；所述时钟晶振模块用于产生两路不同频率的时钟基准信号，一路提供给FPGA模块，另一路提供USB串口通信模块和UART模块；所述存储模块用于储存音频信号；所述USB串口通信模块用于与外部微型计算机进行通信；所述UART模块用于与上位机进行通信，接收用户下达的控制指令；所述音频处理模块通过外部设备接收音频信号并对其进行预处理以及模/数转换后提供给FPGA模块，同时对FPGA模块转发的音频信号进行数/模转换后通过外部设备进行播放；所述FPGA模块用于将音频处理模块转换后的音频信号保存至存储模块中或将该音频信号通过USB串口通信模块保存至外部微型计算机中，还用于读取存储模块中的音频信号或通过USB串口通信模块读取外部微型计算机中的音频信号并将其转发给音频处理模块；FPGA模块还用于解析所述控制指令并作出相应处理，同时将系统的工作状态信息通过UART模块反馈给上位机；所述闪存模块用于存储少量待播放的音频信号。...

【技术特征摘要】
1.一种便携式小型音频收发系统，其特征在于：包括电源模块、时钟晶振模块、存储模块、USB串口通信模块、UART模块、闪存模块、音频处理模块以及FPGA模块；其中：所述电源模块用于为系统中的其他功能模块提供工作电压；所述时钟晶振模块用于产生两路不同频率的时钟基准信号，一路提供给FPGA模块，另一路提供USB串口通信模块和UART模块；所述存储模块用于储存音频信号；所述USB串口通信模块用于与外部微型计算机进行通信；所述UART模块用于与上位机进行通信，接收用户下达的控制指令；所述音频处理模块通过外部设备接收音频信号并对其进行预处理以及模/数转换后提供给FPGA模块，同时对FPGA模块转发的音频信号进行数/模转换后通过外部设备进行播放；所述FPGA模块用于将音频处理模块转换后的音频信号保存至存储模块中或将该音频信号通过USB串口通信模块保存至外部微型计算机中，还用于读取存储模块中的音频信号或通过USB串口通信模块读取外部微型计算机中的音频信号并将其转发给音频处理模块；FPGA模块还用于解析所述控制指令并作出相应处理，同时将系统的工作状态信息通过UART模块反馈给上位机；所述闪存模块用于存储少量待播放的音频信号。2.根据权利要求1所述的音频收发系统，其特征在于：所述电源模块包括：DC-DC变换电路，用于将电池输出的24V直流电压转换成5V直流电压；滤波电路，用于抑制DC-DC变换电路开关频率下的输出电压纹波；LDO电路，用于将滤波后的5V直流电压降压成适应各功能模块的工作电压。3.根据权利要求1所述的音频收发系统，其特征在于：所述时钟晶振模块分别采用两个晶振分别产生频率为10MHz和11.0592MHz的两路时钟基准信号，10MHz时钟基准信号作为FPGA模块工作时的系统时钟，11.0592MHz时钟基准信...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐元欣，俞俊涛，向彦博，毛佳，辜一帆，余睿，夏伊倩，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33