[發(fā)明專利]基于可編程芯片的USB麥克風(fēng)陣列實時完整數(shù)據(jù)流方法

在審

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• 申請日: 2022-04-10
• 公開（公告）號: CN114783475A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 汪志勝;崔俊寧;程鐘義
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 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

基于可編程芯片的USB麥克風(fēng)陣列實時完整數(shù)據(jù)流方法，包括：乒乓緩沖，主循環(huán)解碼，環(huán)形隊列、USB IN中斷程序模塊。麥克風(fēng)陣列內(nèi)需傳輸處理龐大數(shù)據(jù)流，而其過程需確保數(shù)據(jù)流的實時和完整性。為此，首先設(shè)計一種軟件的乒乓緩沖，通過開辟等長的兩段緩存數(shù)組，用于交替接收麥克風(fēng)連續(xù)輸出的PDM數(shù)據(jù)流；然后每當某段乒乓緩沖存滿數(shù)據(jù)，便將其整塊放入主循環(huán)程序內(nèi)抽取解碼，得到PCM數(shù)據(jù)塊；最后將每次解碼完成的PCM數(shù)據(jù)塊直接寫入設(shè)計的環(huán)形隊列內(nèi)，待USB IN中斷，采用自適應(yīng)算法從環(huán)形隊列動態(tài)讀取數(shù)據(jù)上傳。此外，本發(fā)明設(shè)計乒乓緩沖大小以保證數(shù)據(jù)流完整性。以可編程芯片為核心的麥克風(fēng)陣列，本方法能保障其內(nèi)龐大數(shù)據(jù)流傳輸處理的實時與完整性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子與通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及基于可編程芯片的USB麥克風(fēng)陣列實時完整數(shù)據(jù)流方法。

背景技術(shù)

麥克風(fēng)陣列是實現(xiàn)聲源定位、智能視頻會議、智能感知等應(yīng)用的基礎(chǔ)，基于嵌入式可編程芯片開發(fā)的USB麥克風(fēng)陣列平臺是一種便捷且低成本的方案，商用應(yīng)用價值大。陣列功能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于可編程芯片固件程序的設(shè)計，而固件程序的核心是音頻數(shù)據(jù)流架構(gòu)。為方便開發(fā)者基于便捷開源的可編程芯片開發(fā)USB音頻類設(shè)備應(yīng)用，現(xiàn)有數(shù)據(jù)流方案難以在計算能力有限的可編程芯片內(nèi)傳輸處理龐大音頻數(shù)據(jù)流的過程中保證數(shù)據(jù)的實時性和完整性。因此，對于以可編程芯片為核心的麥克風(fēng)陣列，需要一種更加高效，詳細，且能夠最大化地保證數(shù)據(jù)流實時與完整性的音頻數(shù)據(jù)流架構(gòu)方法。音頻數(shù)據(jù)流的設(shè)計需考慮解決以下關(guān)鍵問題：

1)音頻數(shù)據(jù)流傳輸卡頓及丟幀

由于固件程序需要實時完成龐大音頻數(shù)據(jù)流的讀寫、傳輸以及處理等過程，主控芯片內(nèi)部程序任務(wù)繁忙。若程序出現(xiàn)阻塞和執(zhí)行過程中耗時嚴重，以及數(shù)據(jù)在讀寫過程中出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，會使得實時音頻數(shù)據(jù)流受到破壞，丟失有效數(shù)據(jù)。

2)USB的異步時鐘傳輸

由于USB總線上未設(shè)置同步時鐘線，USB底層協(xié)議也不提供固有的時鐘同步機制，因此USB麥克風(fēng)陣列與系統(tǒng)平臺間是異步時鐘通信，音頻數(shù)據(jù)流傳輸過程會出現(xiàn)跨時鐘域讀寫不同步的問題，隨著工作時間增長會出現(xiàn)緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)溢出或讀空的現(xiàn)象，即丟失有效數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，對于以嵌入式可編程芯片為控制核心的USB麥克風(fēng)陣列，本發(fā)明對其內(nèi)部音頻數(shù)據(jù)流架構(gòu)進行了精巧設(shè)計與詳細優(yōu)化，其目的在于提供一種更加高效，詳細，且能夠最大化地保證數(shù)據(jù)流實時與完整性的音頻數(shù)據(jù)流架構(gòu)方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

基于可編程芯片的USB麥克風(fēng)陣列實時完整數(shù)據(jù)流方法，包括：

乒乓緩沖程序模塊，用于提供高效的臨時緩沖區(qū)，以保證對麥克風(fēng)PDM數(shù)據(jù)流進行接收以及后續(xù)抽取解碼操作的實時性，其主要技術(shù)方法是：開辟等長的兩段緩存數(shù)組buffer0和bufferl，在DMA傳輸過程使兩段緩存不斷被交替接收麥克風(fēng)連續(xù)輸出的PDM數(shù)據(jù)流；

主循環(huán)解碼程序模塊，用于對麥克風(fēng)輸出的PDM數(shù)據(jù)流進行軟件上的抽取濾波，以解碼為所需的PCM數(shù)據(jù)流，其過程耗占CPU資源，其主要技術(shù)方法是：每當判定乒乓緩沖中的某一段緩存數(shù)組存滿PDM數(shù)據(jù)，主循環(huán)便將該段緩存數(shù)組整塊進行抽取解碼，進而解碼為一PCM數(shù)據(jù)塊；

環(huán)形隊列程序模塊，用于提供足夠的內(nèi)存空間進行快速的數(shù)據(jù)讀寫，保證數(shù)據(jù)流的實時性外，還需保證數(shù)據(jù)流的完整性，即不丟幀，其主要方法為：在MCU內(nèi)存中開辟一段元素個數(shù)為M＝2N(N為正整數(shù))的一維數(shù)組que[M]，利用位與運算實現(xiàn)讀/寫指針(即數(shù)組元素的索引值，分別用wr_ptr/rd_ptr指代)的反轉(zhuǎn)操作。

USB IN中斷程序模塊，主要是采用一種自適應(yīng)算法，從環(huán)形隊列動態(tài)讀取適量的音頻數(shù)據(jù)，使得設(shè)備內(nèi)數(shù)據(jù)量穩(wěn)定，待系統(tǒng)平臺請求數(shù)據(jù)時進行上傳。