一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其包括数字麦克风采集模块、主处理器模块、内存模块、声源分布显示模块、用户操作输入模块；所述主处理器模块包括FPGA子模块，用于将数字信号进行数字滤波和扫描降噪，包括ARM子模块，用于获取频谱特性参数和进行波束成形和重构成像；数字麦克风采集模块，用于采集并将音频信号处理成数字信号；内存模块，用于给FPGA子模块提供加速，以及给主处理器模块提供物理内存；声源分布显示模块，用于显示采集到的声源分布图像。上述FPGA子模块和ARM子模块设置在一个MPSOC芯片中，通过AXI总线进行通信，提高了系统的采集速率、测量精度和减小了系统功耗。和减小了系统功耗。和减小了系统功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统


[0001]本专利技术涉及声学成像仪
，具体涉及一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统。

技术介绍

[0002]声学成像是基于传声器阵列测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图－声像图，其中以图像的颜色和亮度代表强弱。将声像图与阵列上配装的摄像头所拍的视频图像以透明的方式叠合在一起，就形成了可直观分析被测物产生状态。这种利用声学、电子学和信息处理等技术，变换成人眼可见的图像的技术可以帮助人们直观地认识声场、声波、声源，便捷地了解机器设备产生的部位和原因，机器设备的声像图反映了其所处的状态。
[0003]声学成像仪一般需要一种多传声器阵列，即由MEMS数字麦克风阵列组成，一般通过连接DSP或者FPGA作为扫描预处理，通过DSP或者FPGA内部的数字滤波器滤除麦克风噪声，并进行同步扫描以及快速傅里叶变换FFT，然后进行频谱特性分析，最后获得到声场分布图。一般声学成像仪需要两个或两个以上的处理芯片完成处理，这样不仅存在芯片间的处理延迟，在整体系统功耗上也比较大。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统解决了现有技术延迟长和功耗大的问题。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：提供一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其包括数字麦克风采集模块、主处理器模块、内存模块、声源分布显示模块、用户操作输入模块；主处理器模块包括FPGA子模块和ARM子模块；数字麦克风采集模块，用于采集音频信号，并将音频信号处理成数字信号；FPGA子模块，用于将数字信号进行数字滤波和扫描降噪，得到频谱特性；ARM子模块，用于获取频谱特性参数，进行频谱计算，且进行波束成形和重构成像，得到声源分布图像；内存模块，用于给FPGA子模块提供加速，以及给主处理器模块提供物理内存；声源分布显示模块，用于显示采集到的声源分布图像；用户操作输入模块，用于调整系统参数，系统参数包括增益和滤波器带宽。
[0006]进一步地：内存模块包括DDR4内存模块和LPDDR4内存模块；DDR4内存模块，用于给FPGA模块提供加速；LPDDR4内存模块，用于作为主处理器模块的物理内存。
[0007]进一步地：FPGA子模块包括PDM时钟控制器、前置数字滤波单元、低通滤波器、麦克风阵列扫描单元、存储器、麦克风前端降噪单元、快速傅里叶变换单元、卷积神经网络单元和DDR4控制器；PDM时钟控制器分别与数字麦克风采集模块和ARM子模块相连，用于接收ARM子模块的频率控制信号并控制数字麦克风采集模块；前置数字滤波单元与数字麦克风采集模块相连，用于将来自数字麦克风采集模块的数字信号进行数字滤波；低通滤波器与前置数字滤波单元相连，用于将数字滤波后的数字信号进行低通滤波；麦克风阵列扫描单元与低通滤波器相连，用于将低通滤波后的数字信号进行阵列扫描和信号合成，得到合成的音频信号；存储器与麦克风阵列扫描单元相连，用于存储合成的音频信号；麦克风前端降噪单元分别与RAM子模块和存储器相连，用于对合成的音频信号进行降噪处理；所述快速傅里叶变换单元分别与麦克风前端降噪单元和ARM子模块相连，用于将降噪后的音频信号进行快速傅里叶变换，得到并将频谱特性发送至ARM子模块；卷积神经网络单元，用于对ARM子模块获取的频谱特性参数进行处理，并将处理后的结果送回ARM子模块；DDR4控制器，用于向卷积神经网络单元提供DDR4内存模块来实现加速运行。
[0008]进一步地：ARM子模块包括频谱特性分析单元、带通滤波器、目标声源定位与波束成型单元、主控制器及自适应降噪控制单元、噪声智能识别单元和LPDDR4控制器；频谱特性分析单元与快速傅里叶变换单元相连，用于对频谱特性进行互谱和自谱计算，得到信号功率谱；噪声智能识别单元，用于从主控制器及自适应降噪控制单元获取频谱特性参数，并发送至卷积神经网络单元，识别卷积神经网络单元的对频谱特性参数进行处理后的噪声，将结果反馈至主控制器及自适应降噪控制单元；主控制器及自适应降噪控制单元，用于接收频谱特性分析单元的处理结果，并发送给噪声智能识别单元；接收噪声智能识别单元的反馈；接收并根据用户操作输入模块的输入对相应模块进行工作参数调整，把调整后的工作参数发送至相应模块；带通滤波器，用于对频谱特性分析单元处理结果和主控制器及自适应降噪控制单元处理结果进行带通滤波；目标声源定位与波束成型单元，用于通过带通滤波后的结果进行目标声源定位与波束成型，得到声源分布图像；LPDDR4控制器分别连接噪声智能识别单元和LPDDR4内存模块，用于驱动LPDDR4内存模块。
[0009]进一步地：数字麦克风采集模块包括64个MEMS数字超声波麦克风，前置数字滤波单元和低通滤波器的数量与MEMS数字超声波麦克风的数量相等。
[0010]进一步地：卷积神经网络单元包括卷积层、池化层和矩阵乘法计算结构。
[0011]进一步地：PDM时钟控制器的输出为0时，数字麦克风采集模块处于关机模式；PDM时钟控制器的输出为250kHz时，数字麦克风采集模块处于待机模式；PDM时钟控制器的输出为1.024MHz时，数字麦克风采集模块处于标准模式，采集带宽为0
‑
20kHz；PDM时钟控制器的输出为351kHz时，数字麦克风采集模块处于低电量模式；PDM时钟控制器的输出为3.072MHz时，数字麦克风采集模块处于超声波模式，采集带宽为0
‑
80kHz。
[0012]进一步地：前置数字滤波单元包括累加器、抽取器、差分器、输出寄存器和输出同步器；累加器，用于对输入的数字信号进行算术累加，并进行5次迭代；抽取器，用于获取前置数字滤波单元的抽头个数，即前置数字滤波单元的系数；差分器，用于对累加器的输出数据进行迭代求差；输出寄存器，用于寄存差分器的输出数据，并根据外部输入的抽取速率选择输出；输出同步器，用于对累加器和差分器的输出信号实现同步输出。
[0013]进一步地：前置数字滤波单元的输入信号包括时钟信号、数字信号、抽取速率信号和复位信号；前置数字滤波单元的输出信号包括数字输出信号、数据使能信号；时钟信号分别输入累加器、抽取器和输出同步器；数字信号输入累加器；抽取速率信号分别输入抽取器、输出寄存器和输出同步器；复位信号分别输入累加器、抽取器、差分器和输出同步器；输出寄存器输出数字输出信号；输出同步器输出数据使能信号。
[0014]本专利技术的有益效果为：降低了原有声学成像仪多板级芯片的系统功耗，提高手持声学成像仪的续航能力。通过在MPSOC的FPGA部分实现多麦克风数字滤波和扫描，提高了扫描系统的速率，并且对于快速傅里叶变换FFT进行优化，提高了仪器的采样速率和测量精度。在对于一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统气动系统检漏，电力系统局部放电检测，空气动力学分析等领域具有更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其特征在于：包括数字麦克风采集模块、主处理器模块、内存模块、声源分布显示模块、用户操作输入模块；所述主处理器模块包括FPGA子模块和ARM子模块；所述数字麦克风采集模块，用于采集音频信号，并将音频信号处理成数字信号；所述FPGA子模块，用于将数字信号进行数字滤波和扫描降噪，得到频谱特性；所述ARM子模块，用于获取频谱特性参数，进行频谱计算，且进行波束成形和重构成像，得到声源分布图像；所述内存模块，用于给FPGA子模块提供加速，以及给主处理器模块提供物理内存；所述声源分布显示模块，用于显示采集到的声源分布图像；所述用户操作输入模块，用于调整系统参数，系统参数包括增益和滤波器带宽。2.根据权利要求1所述的基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其特征在于：所述内存模块包括DDR4内存模块和LPDDR4内存模块；所述DDR4内存模块，用于给FPGA模块提供加速；所述LPDDR4内存模块，用于作为主处理器模块的物理内存。3.根据权利要求2所述的基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其特征在于：所述FPGA子模块包括PDM时钟控制器、前置数字滤波单元、低通滤波器、麦克风阵列扫描单元、存储器、麦克风前端降噪单元、快速傅里叶变换单元、卷积神经网络单元和DDR4控制器；所述PDM时钟控制器分别与数字麦克风采集模块和ARM子模块相连，用于接收ARM子模块的频率控制信号并控制数字麦克风采集模块；所述前置数字滤波单元与数字麦克风采集模块相连，用于将来自数字麦克风采集模块的数字信号进行数字滤波；所述低通滤波器与前置数字滤波单元相连，用于将数字滤波后的数字信号进行低通滤波；所述麦克风阵列扫描单元与低通滤波器相连，用于将低通滤波后的数字信号进行阵列扫描和信号合成，得到合成的音频信号；所述存储器与麦克风阵列扫描单元相连，用于存储合成的音频信号；所述麦克风前端降噪单元分别与RAM子模块和存储器相连，用于对合成的音频信号进行降噪处理；所述快速傅里叶变换单元分别与麦克风前端降噪单元和ARM子模块相连，用于将降噪后的音频信号进行快速傅里叶变换，得到并将频谱特性发送至ARM子模块；所述卷积神经网络单元，用于对ARM子模块获取的频谱特性参数进行处理，并将处理后的结果送回ARM子模块；所述DDR4控制器，用于向卷积神经网络单元提供DDR4内存模块来实现加速运行。4.根据权利要求3所述的基于MPSOC的声学成像仪音频采集系统，其特征在于：所述ARM子模块包括频谱特性分析单元、带通滤波器、目标声源定位与波束成型单元、主控制器及自适应降噪控制单元、噪声智能识别单元和LPDDR4控制器；所述频谱特性分析单元与快速傅里叶变换单元相连，用于对频谱特性进行互谱和自谱计算，得到信号功率谱；
所述噪声智能识别单元，用于从主控制器及自适应降噪控制单元的信号功率谱中获取频谱特性参数，并发送至卷积神经网络单元，识别卷积神经网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：门正兴，包芸奇，黄富强，陈虎，屈仁春，黎桂岑，王伟，龚宏，
申请(专利权)人：成都航空职业技术学院，
类型：发明
国别省市：