基于FPGA和DSP的音频采集卡的实现

1 引言

一个多通道数字音频系统必须考虑两个问题：采集到声音的质量问题和最终数字化后的音频存储的问题。由奈奎斯特定理知，如果要保证把采集到的音频信号完全无失真的恢复出来，采样率就必须至少是需采集音频信号频宽的2倍。由于现在大多数音频CODEC采用了Delta-Sigma Modulator，在保证采样率合适的情况下，声音质量一般是可以满足要求的。在船舶航行记录仪中，音频的频宽是150hz-6000hz，因此我们可以采用16khz的采样率和16位的量化位数。

按照这样的采样率，单路的音频码率为256kbps，24小时音频的数据量就高达2.76GB。为了减少最终存储器的存储空间，需要对原始的音频数据进行压缩处理。一般来说有损压缩比无损压缩的压缩比要高的多，但是同时会造成音质的下降。系统设计时应该进行适当的平衡。

本文设计的基于FPGA和DSP的多通道音频采集卡，采用Altera公司的Cyclone系列FPGA简化逻辑控制和提高硬件速度；采用TI公司的TMS320VC 5416实现音频压缩算法，在满足了音频性能指标的同时减少了最终的音频数据量，满足了系统的设计要求。

2 系统硬件结构

2.1主要芯片选型

(1) 音频CODEC芯片PCM3008

在音频CODEC芯片的选型上采用了Texas Instruments公司的PCM3008。这款音频CODEC芯片采用了16bit的△-∑ADC和DAC。其中立体声ADC具有单端电压输入，内置抗混叠滤波器。优异的性能还表现在其ADC的总谐波失真加噪声低至-84dB,信噪比高达88dB,动态范围至88dB,其内置的1/64 Decimation数字滤波器使得信号在通带内波动仅有0.05dB，阻带衰减可至-65dB。低压工作，低功耗。其采样率为8khz-48khz可选。数据传输为同步串口方式，操作方便。

(2)FPGA芯片EP1C6Q240

FPGA采用Altera公司的Cyclone系列的 EP1C6Q240实现各器件的接口控制。Cyclone系列的FPGA是Altera公司针对低成本高性能的应用而推出的，具有很高的性价比。

EP1C6Q240的最大可用IO数量185；片内92Kbit的RAM可以配为单双口RAM，ROM，FIFO等各式存储模块；两个高精度锁相环，方便地为片内的各个模块提供所需时钟；5980个LE（逻辑单元），为接口电路的实现提供丰富的逻辑资源。Altera公司的QuartusⅡ集成开发环境简便易用，内含大量IP核，其内嵌的Signal TapⅡ逻辑分析仪更是为用户的调试提供了很大方便。

(3)DSP芯片TMS320VC5416

DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5416。TMS320VC5416是TI公司5000系列中高性能低功耗的定点DSP，它建立在C54x DSP核基础上。TMS320VC5416是一款16位定点高性能数字信号处理器, 其主要特性有: 速率最高达160MIPS; 3 条16位数据存储器总线和1条程序存储器总线; 1 个40位桶形移位器和2 个40位累加器; 1 个1717乘法器和1 个40位专用加法器; 最大8M 16位的扩展寻址空间, 内置128 k 16位的RAM 和16 k 16位的ROM; 3 个多通道缓冲串口(McBSP)；其丰富的外设和强大的运算能力，使得TMS320VC5416可以进行实时的多路音频处理。在压缩的实现上，使用通用DSP芯片TMS320VC5416与使用专用的硬件压缩芯片相比，不仅可以节约成本，还可以方便地实现系统的升级和灵活的配置。

                                                 图1

2.2 系统设计思路

硬件结构设计如图1所示。多路音频信号首先通过调理部分，进入音频CODEC PCM3008,通过BCK,LRCK,DOUT三根信号线将音频数据送入DSP的 RAM内，DSP会按照一定的顺序将一帧音频数据整理好放在一个数据缓存里，并对其中的每路音频数据依次调用音频压缩算法，在下一帧音频数据到达该缓存区前将数据通过FPGA中的SRAM控制器发送到SRAM中，并告知PC104主机采集过程完毕。PC104主机通过FPGA内的PC104接口模块，将缓存SRAM中的数据读取出来。

3 FPGA的功能模块设计

FPGA的设计采用模块化的设计思想。主要模块按功能划分如图2所示。SRAM控制器采用了乒乓机制，一片处于读数据的状态，另一片处于写数据的状态，每15秒钟在PC104主机的控制下切换一次。这种操作方式时序设计简洁可靠，易于做到音频数据连续操作。收到PC104主机发出的切换命令后，待两片SRAM都处于空闲的时候，完成两片SRAM的读写切换。切换的同时，SRAM的读写的地址都会复位，而且会保存刚才15秒内的数据量信息，保证每个15秒读和写都是从零地址开始的，同时也方便读取数据。切换成功后，给出数据就绪的信号，指示主机可以读取数据。PC104接口模块负责采集卡与上位机的通讯和数据传输。

完成两片SRAM的读写切换。切换的同时，SRAM的读写的地址都会复位，而且会保存刚才15内的数据量信息，保证每个15秒读和写都是从零地址开始的，同时也方便读取数据。切换成功后，给出数据就绪的信号，指示主机可以读取数据。PC104接口模块负责采集卡与上位机的通讯和数据传输。