多路音頻記錄系統設計及實現

高秀林

（山西國營大眾機械廠， 山西 太原 030000）

引言

隨著音頻技術發展得越來越成熟，市面上出現了各種各樣的音頻采集分析設備，一般的音頻信號采集都使用8位、16位的A/D轉換器，對于微弱的音頻信號來說，采樣精度不夠，為后續的信號分析帶來了很大的困難。

本文針對客戶提出的微弱音頻信號和長時間數據采集存儲的要求，設計了多路音頻記錄系統，此系統采用24位A/D轉換器，將采集的音頻信號無壓縮，按照特定的數據格式、文件結構將數據存儲在SATA盤中。在系統空閑的情況下，可通過網口將數據導出，上位機可根據實際需求對數據解析成音頻文件（wave格式），并完成時域或頻域分析，用于科研分析。

1 多路音頻記錄系統硬件結構設計

多路音頻記錄系統結構框圖如圖1所示。

圖1 多路音頻記錄系統框圖

多路音頻記錄系統硬件設計主要由六部分組成。

1）系統控制模塊。主要負責整個系統電源控制、按鍵功能處理、顯示屏數據顯示，采用STM32來實現。

2）音頻信號采集器。主要用于分通道采集音頻模擬信號。

3）調理電路。主要對采集到的模擬音頻信號進行濾波、放大。

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

5）FPGA模塊。主要根據A/D轉換后的數據進行放大倍數的調整，并按照通道、放大倍數、音頻信號整理數據按照特定的協議發送給音頻數據記錄模塊記錄、發送給系統控制軟件進行顯示屏顯示、發送給PC機進行監控（如果需要監控的情況）。根據A/D采集頻率、采樣位數和通道數計算，音頻記錄系統每秒需要記錄數據約2 MB，網絡模塊采用百兆網芯片，此芯片理論上最大的傳輸速度為5 MB/s，可完全滿足系統要求。

6）音頻數據記錄/管理模塊。此模塊對FPGA處理后的數據進行存儲，并在結束采樣后，PC機可通過網絡將存儲的數據進行導出、刪除。由于音頻數據記錄系統需要長時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。本模塊軟件的運行IMX6開發板上，此開發板帶有WinCE系統，帶有千兆網絡，且有SATA電子盤接口，可完全滿足系統數據存儲、導出速度要求。

2 多路音頻記錄系統軟件功能及架構設計

根據多路音頻記錄系統的功能需求和硬件平臺，其配套軟件可劃分為系統控制軟件、音頻信號采集軟件、記錄和管理軟件。軟件結構框圖如圖2所示。

圖2 軟件結構框圖

2.1 系統控制軟件

系統控制軟件駐留在STM32的Flash中。主要功能包括：顯示系統工作狀態和故障信息；掃描按鍵，根據按下的按鍵，通告FPGA開始記錄、停止記錄；根據IMX6通告的時間，實時在顯示屏上刷新時間；對FPGA實時發送的音頻數據進行分通道顯示。

2.2 音頻信號采集軟件

音頻信號采集軟件駐留在FPGA的RAM中。主要功能如下。

1）根據當前采集到的音頻信號大小調整放大倍數。

2）向STM32實時發送音頻數據。

3）響應STM32的控制指令，數據開始記錄后，向IMX6發送音頻數據。

2.3 音頻信號存儲/管理軟件

音頻信號存儲/管理軟件主要功能如下。

1）向STM32通告當前時間、文件寫入、系統狀態。

2）音頻數據記錄期間，接收FPGA按照數據頭+序列號+多路音頻數據+數據尾格式發送的數據，存儲到SATA盤中。根據客戶要求，音頻數據在記錄期間不能丟失數據，因此音頻數據記錄軟件采用了多線程[2]、雙緩存和文件映射技術[3]。

3）軟件設計中主線程負責通過網口異步接收數據并寫入緩存，緩存寫滿后通告子線程將數據寫入文件中，同時主線程又接收到的數據寫入另外一塊緩存中，避免了因此寫入文件占時過長導致丟失數據的情況。由于系統需要長時間工作，為了避免寫入磁盤次數過多導致磁盤碎片的產生，因此采用了文件映射技術，按照2 GB的大小分配連續的空間，不僅避免了碎片的產生，還提高了文件寫入速度。

圖3 音頻文件存儲結構

4）為了便于區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按照圖3所示結構進行保存。

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

3 結論

本文根據用戶需求，設計了多通道音頻記錄設備，此設備經過長時間運行測試，工作穩定，數據記錄準確，數據導出通過測試可達到27 MB/s的速度，可快速導出文件（每個文件約2 GB），此系統可廣泛應用于各種需要記錄多通道音頻信號的場景，用于后續的科研分析。