[發明專利]基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法

在審

• 申請號: 202210370519.3
• 申請日: 2022-04-10
• 公開（公告）號: CN114783475A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 汪志勝;崔俊寧;程鐘義
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G11C7/16
• 分類號: G11C7/16;G06F13/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，包括：

乒乓緩沖程序模塊，用于提供高效的臨時緩沖區，以保證對麥克風PDM數據流進行接收以及后續抽取解碼操作的實時性，其主要技術方法是：開辟等長的兩段緩存數組buffer0和buffer1，在DMA傳輸過程使兩段緩存不斷被交替接收麥克風連續輸出的PDM數據流；

主循環解碼程序模塊，用于對麥克風輸出的PDM數據流進行軟件上的抽取濾波，以解碼為所需的PCM數據流，其過程耗占CPU資源，主要技術方法是：每當判定乒乓緩沖的某段緩存數組存滿PDM數據，主循環便將該段緩存數組整塊進行抽取解碼，進而將解碼的PCM數據塊寫入到后續的環形隊列；

環形隊列程序模塊，用于提供足夠的內存空間進行快速的數據讀寫，保證數據流的實時性外，還需保證數據流的完整性，即不丟幀，其主要方法為：在MCU內存中開辟一段元素個數為M＝2^N(N為正整數)的一維數組que[M]，利用位與運算實現讀/寫指針(即數組元素的索引值，分別用wr_ptr/rd_ptr指代)的反轉操作；

USB IN中斷程序模塊，主要是采用一種自適應算法，從環形隊列動態讀取適量的音頻數據，使得設備內數據量穩定，待系統平臺請求數據時進行上傳。

2.根據權利要求1所述的基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，所述乒乓緩沖程序和主循環解碼程序模塊的進行，需要開啟MCU片內的DMA接收中斷機制來完成，如：首次時，開啟DMA接收任務和DMA接收完成中斷，DMA傳輸PDM數據流的目標緩存為buffer0，當buffer0存滿便觸發中斷；繼而，在中斷處理函數內，先調換DMA接收的目標緩存為buffer1，然后設定buffer0的寫滿標志；同時，主循環內循環判定buffer0和buffer1的寫滿標志，若判定為真，便將對應的一段緩存數組整塊地進行軟件上的抽取解碼。

3.根據權利要求1所述的基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，所述環形隊列程序模塊，其實現方法為：利用que[wr_ptr]＝wr_value和wr_ptr＝(wr_ptr++)(M-1)操作實現向環形隊列快速寫入PCM數據，當wr_ptr增至為M的整數倍時，設定wr_ptr＝0，即完成寫指針wr_ptr的反轉；同理，利用rd_value＝que[rd_ptr]和rd_ptr＝(rd_ptr++)(M-1)操作不斷從環形隊列內快速讀取PCM數據用于USB上傳，當rd_ptr增至為M的整數倍大小時，設定rd_ptr＝0，即完成讀指針rd_ptr的反轉。

4.根據權利要求1、2和3所述的基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，對于主循環解碼程序模塊解碼的PCM數據塊，環形隊列程序模塊內采取直接寫入環形隊列的模式，同時為避免臨近尾部時出現寫數據指針越界而造成丟幀的問題，方法如下：將乒乓緩沖的兩段緩存buffer0和buffer1大小L都設定為2^kwords，則每段緩存抽取解碼為PCM數據塊后的長度m為2^k-1words(每32bit的PDM數據塊轉化為16bit的1幀)，因而環形隊列的長度M為PCM數據塊長度m的整數倍，避免了數據塊直接寫入環形隊列為滿時出現塊內數據丟幀的現象。

5.根據權利要求1所述的基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，所述主循環解碼程序模塊，將解碼的m＝2^k-1words PCM數據塊寫入環形隊列后，更新環形隊列的寫指針：wr_ptr+＝m。

6.根據權利要求1和3所述的基于可編程芯片的USB麥克風陣列實時完整數據流方法，其特征在于，所述USB IN中斷程序模塊使用IN端點，為維持設備數據量穩定，采用一種自適應算法，從環形隊列內動態讀取適量數據上傳至系統，主要方法為：首先準確計算當前已采集且未上傳的數據量，然后與環形隊列半滿的數據量進行比較、計算得到調整量，最后由調整量去動態增減上傳數據量，使得當前已采集且未上傳的數據量保持在環形隊列約半滿的狀態，具體步驟如下：

首先，準確計算當前已采集且未上傳的數據量remain_len的方法為：

remain_len＝(wr_ptr-rd_ptr)+(L-remain_DMA_len)/2

式中，remain_DMA_len表示DMA未接收完成的剩余數據量，單位為words；

然后，對于調整量的計算，對remain_len與環形隊列半滿數據量的差值(remain_len-M/2)縮放8倍作為調整量diff，以減少數據波動，使數據量調整逐步歸于同步；

最后，由調整量確定上傳數據量sendlen。以96的上傳數據量為基底，若差值大于0，則上傳數據量為sendlen＝96+diff；若差值小于0，則上傳數據量為sendlen＝96-diff；其中，限制最大調整量，當計算的調整量diff大于24時，只取24，即sendlen的范圍為72～120words之間。