基于FPGA的傳聲器陣列成像系統設計

何睿　胡定玉　于淼　李曉龍

摘 要： 聲源可視化技術對傳聲器數量和采集系統的性能具有一定的要求，傳統駐極體傳聲器陣列采集系統存在功耗高、體積大、采集系統可移植性差和拓展性差等問題。本文設計了36陣元數字MEMS傳聲器陣列成像系統，有效克服了以上問題。采集模塊選用FPGA為硬件平臺，完成數據采集和信號處理模塊設計，分析了I2S音頻傳輸協議的實現、數據傳輸機制的建立和上位機數據的交互方式。并在普通室內環境中對此系統進行實驗驗證，系統的聲源成像效果良好、成像分辨率高，在實際的噪聲源定位與噪聲設備監測中有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 聲源可視化; 波束形成; FPGA; MEMS聲傳感器

文章編號： 2095-2163（2021）07-0222-06中圖分類號：TP212，TB52+5文獻標志碼： A

Design of microphone array imaging system based on FPGA

HE Rui1，? HU Dingyu1，2， YU Miao3， LI Xiaolong3

（1 School of Urban Railway Transportation， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China; 2? Shanghai

Engineering Research Center of Vibration and Noise Control Technologies for Rail Transit， Shanghai University of Engineering

Science， Shanghai 201620， China; 3 China Railway Harbin Bureau Group Co.， Ltd. Harbin EMU， Harbin 150000， China）

【Abstract】Sound source visualization techniques have some requirements on the number of microphones and the performance of the data acquisition system. Traditional electret microphone array data acquisition systems have problems such as high-power consumption， large size， poor portability and poor expandability of the data acquisition system. In this paper， a 36-array digital MEMS microphone array imaging system is designed to effectively overcome the above problems. The FPGA is selected as the hardware platform for the data acquisition module， and the data acquisition and signal processing modules are designed. The implementation of I2S audio transmission protocol， the establishment of data transmission mechanism and the interaction mode of the upper computer data are analyzed. The system has been experimentally verified in a common environment， and the system has good sound source imaging effect and high imaging resolution， which has a wide application prospect in practical noise source localization and noise equipment monitoring.

【Key words】sound source visualization; beamforming; FPGA; MEMS microphone

0 引 言

聲源成像可視化技術[1]利用傳聲器陣列采集多通道聲壓數據，通過信號處理算法，將聲信號轉換成圖像信號使得空間聲源分布可視化，可快速定位聲源位置、分布情況以及瞬時動態變化特征，以用于設備狀態評估和監測。目前，傳聲器陣列采集系統可分為2種類型。一種是由數據采集卡、標準總線和計算機構成，主要用于工業測試環境。其中，以美國國家儀器（NI）、泰克（Tektronix）、安捷倫（Agilent）為首的公司生產的儀器采集性能優越，工作狀態穩定，但該類型采集儀器具有高功耗、大體積的缺點[2]，且需要配合相應的數據采集卡使用，具有專一性強、可移植性差等局限性。另一種是由微處理器為采集核心的嵌入式采集系統構成，主要用于實驗測試和部分工業測試。根據核心控制器類型不同，可選用單片機（MCU）、DSP（Digital Signal Processing）、ARM（Advanced RISC Machine）和FPGA（Field Programmable Gate Array）四種方式設計數據采集系統。其中，MCU一般為低速時鐘，采集效率不高，難以實現多通道數據采集控制。DSP適合于數字信號處理，難以處理多通道數據同步采集邏輯控制[3]。ARM雖然功能比較豐富，但其運算資源有限，同時也不適合對時鐘要求較高的場合。而基于FPGA的數據采集系統能并行處理和同步采集多通道信號，邏輯功能強大，接口豐富且使用靈活[4]，便于大幅度拓展傳聲器采集通道數量，滿足其聲源成像可視化技術采集系統需求。

MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）技術是從半導體制造工藝中衍生出來的新型加工技術，將傳感器、信號調理電路以及模數轉換器集成封裝[5]。自2006年Knowles Acoustics推出MEMS傳聲器以來，MEMS傳聲器逐漸取代傳統駐極體傳感器成為傳聲器陣列的默認選擇，在噪聲源定位[6]、運動車輛狀態檢測[7]、語音信號處理[8]和聲學成像等場合廣泛應用。Jelmer等人[9]利用數字MEMS傳聲器設計了一款52陣元圓形陣列，用于開闊地帶噪聲源定位，在25 m2消聲室測試中，定位精度達到厘米級，而在模擬的10 000 m2開闊場地中，其定位精度可達到5個寬帶聲源。Izquierdo等人[10]指出聲學成像系統設計取決于傳聲器數量的選擇和處理算法的集成度。對于聲學成像系統需要多通道信號采集的需求，該系統必須是模塊化和可拓展性的，便于構建多維度陣列和增加陣列的孔徑。研究中通過選取MyRIO作為硬件平臺（帶有FPGA和ARM處理器的嵌入式硬件），提出了一種可拓展的聲學成像系統。通過研究生物識別領域的案例，驗證了該系統的可行性。陳松林等人[11]以260個陣元設計的嵌套式數字MEMS傳聲器陣列成像系統，在普通車間環境下對機械噪聲和氣體泄漏噪聲進行成像測試，其實驗結果表明，該系統具有抗干擾性強，成像分辨率高的特點。

根據前述的系統開發探討研究，本文選用數字式MEMS傳聲器設計傳聲器陣列采集系統，選用FPGA作為硬件采集平臺，并設計了36陣元Annular陣列，可實現多路數據的同步采編存儲。

1 系統總體架構

數字MEMS傳聲器陣列并行采集處理系統如圖1所示。由圖1可知，基于FPGA的傳聲器陣列成像系統由數字MEMS傳聲器陣列、Zynq-7000和上位機組成。其中，傳聲器選用Knowles型號為SPH0645LM4H-B的數字MEMS傳聲器，最高采樣率可達到64 kHz，采樣位數為24 bit，數據精度為18 bit。硬件系統處理核心選用的FPGA芯片型號為Zynq-7000，該芯片由可編程邏輯（Programmable Logic， PL）和雙核ARM Cortex-9為核心構成的處理系統（Processing System， PS）組成。

數字MEMS傳聲器陣列并行采集系統流程參見圖1。首先，聲壓信號通過MEMS傳聲器陣列采集，經過通用I/O管腳送入Zynq-7000的PL端。接下來，I2S傳輸協議將音頻信號分成左右兩個通道進行采集，I2S傳輸協議可控制2個MEMS傳感器。本采集系統利用此傳輸特性，將其設為一組，分別將數據在一級FIFO中進行緩存。然后，通過設定數據輪詢機制，將各一級緩存FIFO中存儲的數據通過串并轉換緩存至二級FIFO中。PS端與PL端經AXI總線進行傳輸通信，選用AXI-HP （High Performance Ports）高速通信接口，帶有FIFO緩沖來提供“批量”讀寫操作，以支持PL端和PS端中存儲器單元的高速率通信。在ARM中的PS端通過BRAM控制器讀取PL端緩存的數據。利用PL端的按鍵控制，實現采集的開始和數據的發送。最后，數據發送通過UART串口，將數據傳輸給上位機，以供波束形成等信號后處理算法進行分析。

2 系統模塊設計

2.1 傳聲器選型

MEMS傳聲器根據信號輸出類型可分為模擬型輸出和數字型輸出，模擬MEMS傳聲器是將聲壓信號轉換為相應電壓信號輸出，數字MEMS傳聲器則是利用PDM（Pluse Density Modulation）和I2S傳輸協議輸出數字信號。與傳統駐極體式傳聲器相比，數字MEMS傳聲器頻響一致性好，其內部使用的Sigma-Delta ADC 采用1 bit變換技術，克服了采用多比特模數轉換時帶來的線性誤差、糾錯困難等缺點，可以提供更好的信噪比、抗射頻和抗電磁干擾能力[12]。此外，在性能方面，MEMS傳聲器采樣分辨率高，對環境溫度變化具有良好的魯棒性，頻率響應平坦，且同批次的MEMS傳聲器具有良好的相位一致性。數字MEMS傳聲器的關鍵參數如下[13]：

（1）等效輸入噪聲（EIN），其值要在最小聲壓級和最大聲壓級之間，以適應測量范圍。

（2）聲學過載點（AOP）或滿量程（max SPL），需滿足動態范圍大于100 dB的要求。

（3）平坦頻率響應段，需選取靈敏度變化范圍在3 dB內的頻率段。

SPH0645LM4H-B MEMS傳聲器如圖2所示，本文選擇Knowles公司的SPH0645LM4H-B傳聲器，其具體性能參數見表1。

2.2 傳聲器幾何陣列設計

聲成像性能主要體現在空間分辨率、主瓣寬度、有效動態范圍三方面[14]。而合適的傳聲器陣列幾何布置可以防止空間混疊、抑制旁瓣和消除鬼影，提高傳聲器陣列成像性能。關于傳聲器陣列的設計，相關學者已經做過大量的研究和對比。Johnson等人[15]指出，將傳聲器陣列設計成非冗余間距可以有效地消除空間混疊現象的產生，此后，基于非冗余排列的螺旋陣列被廣泛應用于波束形成。Prime等人[16]分別對單臂螺旋陣列和多臂螺旋陣列的傳聲器陣列性能進行比較研究。結果表明，等區域均勻分布的多臂螺旋陣列可在一定的動態范圍內提供最佳的陣列分辨率，而在陣列中心區域增添傳聲器擺放的密度，可以獲得更好的動態范圍，但會增加主瓣寬度。Amaral等人[17]在Underbrink陣列基礎上提出一種Annular陣列，在設計上更加靈活，極大提高了動態范圍。Annular陣列設計參數圖如圖3所示。

Annular陣列設計的關鍵參數：傳聲器陣列孔徑D，最內圈傳聲器環直徑d，傳聲器陣列的環數Q，以及每個環的傳聲器數量Cq，M表示傳聲器的總數，即：

2.3 采集驅動模塊設計

根據2.1節中采用的數字MEMS傳聲器的采樣特點、接口時序和輸出模式選擇，PL端需要設計串并轉換模塊、延時模塊、I2S數據輸出接口協議模塊以及數據解析模塊。其中，I2S接口輸出時序如圖5所示。

圖5中，WS信號控制左、右聲道的切換。當WS信號為低電平時，輸出數據為左聲道數據;當WS信號為高電平時，輸出數據為右通道數據。本采集驅動模塊設計將左、右通道采集數據緩存至對應通道（CH）寄存器，通過一根DATA傳輸數據，減少其數字I/O的使用個數。CLK信號為MIC工作時鐘，其時序規定在時鐘的上升沿開始采集數據，在時鐘的下降沿，將采集數據發送至DATA信號線上，采樣時鐘周期T與FPGA內置時鐘clkFPGA的換算關系為：

其中，clk為采樣率，Sbit為數據采集位數 。

PL端在接收數據時，每路數據采集都對應一個FIFO寄存器，FIFO的存儲深度設為2 048， 數據位寬設為32 bit，為了防止FIFO存儲溢出，每次采集的數據大小為4 KB。其I2S接口數據采集模塊通道選擇部分關鍵偽代碼具體如下。

為了驗證采集驅動模塊的正確性，在設計仿真時，利用[WT5HZ]$readmemb系統函數構造32 bit激勵數據，并設置循環次數為8。仿真后得到的時序圖如圖6所示。

由圖6的仿真結果可知，在mic_ws信號為低電平時，采集CH1數據，在時鐘上升沿將數據緩存至left_mic_data寄存器中;CH2通道與之相反。仿真結果表明，PL端的I2S時序符合I2S輸出格式傳輸協議，數據傳輸與設定值一致。采樣周期為25 μs，滿足其設定的40 k采樣率，并且能按設計的數據存儲大小依次按通道存儲數據。此外，為了滿足采集有效控制的需求，在PL端增添了簡易人機交互功能，即通過按鍵和LED來控制采集的進行和完成。其中，分別設置采集進行LED1和采集完成LED2，當采集進行時，LED1會以500 ms的頻率閃爍，表示采集正在進行;當采集完成時，LED2點亮，表明采集完成。

2.4 傳輸機制模塊設計

為實現36通道數據與PS端DDR存儲數據之間無失真的交互，本文傳輸機制模塊設計了一套Ping-Pang數據輪詢交互機制。通過Ping-Pang操作，可以完成多通道數據并行無縫緩存和處理。傳輸機制流程圖如圖7所示。

具體過程為：根據I2S數據傳輸協議特性，一組I2S數據傳輸分別控制2個通道MEMS傳聲器采集，設為一組（GROUP），共記18組。每一組都對應設置一個獨立的FIFO緩存空間，各通道每次固定向FIFO緩存器發送4 KB數據量，通過有限狀態機，控制各通道數據依次有序傳輸至DDR_FIFO緩存器中，完成Ping-Pang切換。DDR_FIFO是帶有AXI接口的自定義模塊，可將PL端采集到的數據通過AXI4高速總線，傳輸至PS端。AXI驅動模塊設置了PL端DDR_FIFO中數據向PS端DDR中數據傳輸協議。首先設置數據傳輸的首地址為0x10000000，將DDR_FIFO中每傳輸4 KB數據打包成一個BLOCK塊，每個BLOCK塊對應一組MEMS傳聲器數據，通過上述數據輪詢機制，可實現多通道數據依次傳輸至DDR中。

本文利用36個FIFO塊來緩存PL端數據，緩解PS端的處理壓力。若采用單緩存塊，頻繁的讀寫操作會導致PS端輪詢標志位檢測頻率激增，并且讀寫處理需要固定周期執行，易使系統整體處理速度下降。而采用多組FIFO塊緩存的方式，利用存儲資源換取存儲速率，可提高系統整體的處理速度。

3 實驗驗證

為了驗證本文設計采集系統的正確性以及數字MEMS傳聲器的聲源成像效果，在室內普通環境進行實際測試。實驗現場布置圖如圖8（a） 所示，以陣列中心為原點，圖中所標注的（X，Y，Z） 建立坐標系。2個揚聲器由三腳架支撐，垂直高度為1.15 m（傳聲器陣列高度與其一致），間距為1 m，距離傳聲器2 m。聲源1坐標 （-0.5，0，2） m、聲源2坐標（0.5，0，2） m，2個揚聲器同時播放高斯白噪聲。

設置采樣率為40 kHz，采樣時長為0.1 s，采用傳統頻域波束形成算法，選取3.8～3.9 kHz頻率段進行成像。成像效果如圖8（b） 所示，利用本文所設計的FPGA成像系統可以準確分辨出2個揚聲器位置，聲成像圖與聲源實際分布一致，驗證了所設計成像系統的正確性。同時，成像主瓣較窄，有效抑制旁瓣，驗證了所設計傳聲器陣列的優異性能。

4 結束語

本文設計的基于FPGA傳聲器陣列的成像系統，采用了數字MEMS傳聲器研制的36陣元Annular陣列。其中，數字MEMS傳聲器，體積小，功耗低，具有較好的相位一致性;36陣元Annular陣列，具有較好的成像分辨率，有效抑制旁瓣、衰減鬼影，防止混疊。此外，本文以FPGA為硬件系統核心，實現了多通道數據同步采集和數據完整編存。與傳統的采用駐極體式傳聲器陣列采集系統相比，實現了數據采集系統的小型化，具有低功耗以及低成本的優勢。總結可得到如下結論：

（1）數字MEMS傳聲器，體積小，功耗低，具有較好的相位一致性，不需要設計額外的外圍電路，極大降低了硬件系統板上資源。在多通道同步采集中具有優勢，有利于聲學可視化技術的應用推廣。

（2）FPGA作為硬性系統核心，其靈活的邏輯設計、可控制多通道數據同時采集和豐富的I/O引腳便于通道數量拓展。其低功耗、體積小以及魯棒性好的特點也為后信號處理算法的嵌入式設計提供穩定的前端。

（3）所研制的36陣元Annular陣列，具有較好的成像分辨率，有效抑制旁瓣、衰減鬼影，防止混疊。可適用于普通室內環境，具有良好的抗噪性能，成像效果穩定，在實際工程環境中具有良好的應用前景。

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基金項目： 國家自然科學基金（51605274）; 上海市地方院校能力建設項目（20030501000）。

作者簡介： 何 睿（1998-），男，碩士研究生，主要研究方向：聲學成像、FPGA系統開發; 胡定玉（1987-） ，男，博士，副教授，主要研究方向：聲陣列信號處理、軌道車輛故障診斷技術。

通訊作者： 胡定玉 Email：dyhu1987@sues.com

收稿日期： 2021-04-16