一种基于ARM的多通道声音信号采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于ARM的多通道声音信号采集系统。本发明专利技术中声音信号传感器模块将声音信号转化为模拟信号然后输出至前端调理电路；前端调理电路将调理后的模拟信号输入到AD模块；AD模块将模拟信号进行AD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模块实现ping‑pong缓存，并将AD模块传来的数据存储至ping‑pong缓存。ARM平台将缓存中的数据存储至SD卡模块或直接进行处理；ARM平台同时与SDRAM模块、NandFlash模块、SD卡模块、串口接口和以太网接口相接。本发明专利技术减少了系统成本，且降低了软硬件复杂度。

A multi-channel acoustic signal acquisition system based on ARM

The invention discloses a multi-channel sound signal acquisition system based on ARM. The sound signal sensor module of the invention of sound signals into analog signals and then output to the front-end conditioning circuit; the front-end conditioning circuit converts the analog signal conditioning input to the AD module; AD module analog signal AD conversion to get the corresponding digital signals, and the digital signal is in a specific order transmitted through the SPI bus to the ARM platform. In the ARM platform, the realization of Ping Pong cache by using its own EDMA module, and the data is stored to ping pong AD module from the cache. The ARM platform stores the data in the cache to the SD card module or processes it directly. The ARM platform is connected with the SDRAM module, the NandFlash module, SD card module, serial port interface and Ethernet interface. The invention reduces the cost of the system and reduces the complexity of the hardware and the software.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理
，具体涉及一种基于ARM的多通道声音信号采集系统。
技术介绍
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。换而言之，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模块和DSP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等模块，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。且本专利技术降低了硬件、软件的复杂度，降低了系统成本。本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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模块、声音信号传感器模块，另外包括前端调理电路、SDRAM模块、NandFlash模块、SD卡模块、以太网接口、串口接口。声音信号传感器模块包含4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模块和AD模块之间，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模块分别将4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模块、NandFlash模块、SD卡模块相连接，其中SD卡模块用于存储ARM平台接收到的声音信号数据，NandFlash模块和SDRAM模块分别用于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。本专利技术的核心技术在于AD模块和ARM平台以及两者的协同工作。下面详细介绍AD模块和ARM平台以及两者之间如何协同工作。AD模块的核心是TI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，本专利技术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选：Hight-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。本专利技术采用的工作模式是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。本专利技术将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，本专利技术中该芯片作为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。本专利技术使用了通道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模块就会工作，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。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。本专利技术用到了前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，本专利技术用外接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功能模块的ARM架构CPU。由于AD模块采样率较高，AD模块将产生大量数据，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。因此本专利技术使用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。本专利技术采用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ARMCortexA8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等常用外设模块。ARM平台负责从AD模块读取数据，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。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
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模块和声音信号传感器模块；声音信号传感器模块包含4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模块和AD模块之间，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模块分别将4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模块、NandFlash模块、SD卡模块相连接，其中SD卡模块用于存储ARM平台接收到的声音信号数据，NandFlash模块和SDRAM模块分别用于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；AD模块采用ADS1278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模块就会工作，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。...

【技术特征摘要】
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模块和声音信号传感器模块；声音信号传感器模块包含4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模块和AD模块之间，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模块分别将4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模块、NandFlash模块、SD卡模块相连接，其中SD卡模块用于存储ARM平台接收到的声音信号数据，NandFlash模块和SDRAM模块分别用于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；AD模块采用ADS1278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模块就会工作，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。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模块输出的声音信号数据使用了SPI协议，涉及AM335x的McSPI功能模块和EDMA功能模块；McSPI功能模块是AM335x内部集成的多通道SPI功能模块，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹九稳，陈智勇，王建中，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33