多路音頻記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

高秀林

（山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠， 山西 太原 030000）

引言

隨著音頻技術(shù)發(fā)展得越來越成熟，市面上出現(xiàn)了各種各樣的音頻采集分析設(shè)備，一般的音頻信號(hào)采集都使用8位、16位的A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)于微弱的音頻信號(hào)來說，采樣精度不夠，為后續(xù)的信號(hào)分析帶來了很大的困難。

本文針對(duì)客戶提出的微弱音頻信號(hào)和長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的要求，設(shè)計(jì)了多路音頻記錄系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，將采集的音頻信號(hào)無壓縮，按照特定的數(shù)據(jù)格式、文件結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SATA盤中。在系統(tǒng)空閑的情況下，可通過網(wǎng)口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，上位機(jī)可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)數(shù)據(jù)解析成音頻文件（wave格式），并完成時(shí)域或頻域分析，用于科研分析。

1 多路音頻記錄系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多路音頻記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 多路音頻記錄系統(tǒng)框圖

多路音頻記錄系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由六部分組成。

1）系統(tǒng)控制模塊。主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)電源控制、按鍵功能處理、顯示屏數(shù)據(jù)顯示，采用STM32來實(shí)現(xiàn)。

2）音頻信號(hào)采集器。主要用于分通道采集音頻模擬信號(hào)。

3）調(diào)理電路。主要對(duì)采集到的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。

4）A/D轉(zhuǎn)換器。將濾波和放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號(hào)，采用24位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D采樣頻率48 kbit/s。

5）FPGA模塊。主要根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大倍數(shù)的調(diào)整，并按照通道、放大倍數(shù)、音頻信號(hào)整理數(shù)據(jù)按照特定的協(xié)議發(fā)送給音頻數(shù)據(jù)記錄模塊記錄、發(fā)送給系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行顯示屏顯示、發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)控（如果需要監(jiān)控的情況）。根據(jù)A/D采集頻率、采樣位數(shù)和通道數(shù)計(jì)算，音頻記錄系統(tǒng)每秒需要記錄數(shù)據(jù)約2 MB，網(wǎng)絡(luò)模塊采用百兆網(wǎng)芯片，此芯片理論上最大的傳輸速度為5 MB/s，可完全滿足系統(tǒng)要求。

6）音頻數(shù)據(jù)記錄/管理模塊。此模塊對(duì)FPGA處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在結(jié)束采樣后，PC機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出、刪除。由于音頻數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間工作在記錄的模式下，需要大容量的快速磁盤[1]，因此采用了1TB大小的SATA電子盤。本模塊軟件的運(yùn)行IMX6開發(fā)板上，此開發(fā)板帶有WinCE系統(tǒng)，帶有千兆網(wǎng)絡(luò)，且有SATA電子盤接口，可完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出速度要求。

2 多路音頻記錄系統(tǒng)軟件功能及架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)多路音頻記錄系統(tǒng)的功能需求和硬件平臺(tái)，其配套軟件可劃分為系統(tǒng)控制軟件、音頻信號(hào)采集軟件、記錄和管理軟件。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件駐留在STM32的Flash中。主要功能包括：顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障信息；掃描按鍵，根據(jù)按下的按鍵，通告FPGA開始記錄、停止記錄；根據(jù)IMX6通告的時(shí)間，實(shí)時(shí)在顯示屏上刷新時(shí)間；對(duì)FPGA實(shí)時(shí)發(fā)送的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分通道顯示。

2.2 音頻信號(hào)采集軟件

音頻信號(hào)采集軟件駐留在FPGA的RAM中。主要功能如下。

1）根據(jù)當(dāng)前采集到的音頻信號(hào)大小調(diào)整放大倍數(shù)。

2）向STM32實(shí)時(shí)發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

3）響應(yīng)STM32的控制指令，數(shù)據(jù)開始記錄后，向IMX6發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

2.3 音頻信號(hào)存儲(chǔ)/管理軟件

音頻信號(hào)存儲(chǔ)/管理軟件主要功能如下。

1）向STM32通告當(dāng)前時(shí)間、文件寫入、系統(tǒng)狀態(tài)。

2）音頻數(shù)據(jù)記錄期間，接收FPGA按照數(shù)據(jù)頭+序列號(hào)+多路音頻數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)尾格式發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到SATA盤中。根據(jù)客戶要求，音頻數(shù)據(jù)在記錄期間不能丟失數(shù)據(jù)，因此音頻數(shù)據(jù)記錄軟件采用了多線程[2]、雙緩存和文件映射技術(shù)[3]。

3）軟件設(shè)計(jì)中主線程負(fù)責(zé)通過網(wǎng)口異步接收數(shù)據(jù)并寫入緩存，緩存寫滿后通告子線程將數(shù)據(jù)寫入文件中，同時(shí)主線程又接收到的數(shù)據(jù)寫入另外一塊緩存中，避免了因此寫入文件占時(shí)過長(zhǎng)導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)的情況。由于系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間工作，為了避免寫入磁盤次數(shù)過多導(dǎo)致磁盤碎片的產(chǎn)生，因此采用了文件映射技術(shù)，按照2 GB的大小分配連續(xù)的空間，不僅避免了碎片的產(chǎn)生，還提高了文件寫入速度。

圖3 音頻文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

4）為了便于區(qū)分每次的采樣和文件保存的先后順序，SATA盤中音頻文件的存儲(chǔ)按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存。

5）采樣日期使用年月日（例20180715），采樣時(shí)間使用年月日時(shí)分秒（例20180715140505），音頻文件采用二進(jìn)制文件，文件名稱按照年月日時(shí)分秒命名（例 20180715140505.dat）[4]。

3 結(jié)論

本文根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)了多通道音頻記錄設(shè)備，此設(shè)備經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)導(dǎo)出通過測(cè)試可達(dá)到27 MB/s的速度，可快速導(dǎo)出文件（每個(gè)文件約2 GB），此系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各種需要記錄多通道音頻信號(hào)的場(chǎng)景，用于后續(xù)的科研分析。