音频采集系统及其设计方法与流程

【技术领域】

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种音频采集系统及其设计方法。

背景技术：

随着语音识别技术的告诉发展，音频adc芯片在该领域得到越来越广泛的应用，而在一些更高端的语音识别应用领域，需要将多路的麦克风形成一个阵列(常称为麦克风阵列)的形式，通过矩阵运算分析做声源定位等应用。

在相关技术中，音频采集系统包括依次连接麦克风、adc芯片、数字音频接口以及soc芯片，其中，一颗adc芯片可以包含多路adc通道(即adc数模转换器)，每一路所述adc通道可以对接一颗麦克风；多个所述麦克风分别采集外部声音，而多路所述adc通道分别对采集到的声音进行数模转换处理以获得音频数据，每一所述adc通道分别通过一个数字音频接口连接至soc芯片，每一所述adc通道通过所述数字音频接口将音频数据发送给soc芯片进行后续的编解码处理；为了保证采集到尽可能多的音频数据，所述adc芯片需要设置尽可能多的adc通道。

然而，相关技术中，由于单颗芯片设计的adc通路数量过多，单芯片应用时如果不需要那么多adc通道就会造成浪费，同时提高了应用成本；另一方面，如果多颗adc芯片同时连接到soc芯片，由于soc芯片的数字音频接口数量有限，也会制约adc芯片的大规模应用。

因此，实有必要提供一种新的音频采集系统及其设计方法解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种音频采集系统及其设计方法，解决了由于单颗芯片设计的adc通路数量过多而导致应用成本高，由于soc芯片的数字音频接口数量有限而限制adc的大规模应用的问题。

本发明提供一种音频采集系统，其包括：

soc芯片以及多个相互形成级联连接且分别与所述soc芯片连接的adc串联队列，多个所述adc串联队列分别用于采集音频数字信号，所述soc芯片用于编码处理所述音频数字信号；

每一所述adc串联队列包括依次串联连接的n个adc芯片，每一所述adc芯片包括分别用于采集所述音频数字信号的l个adc通道、第一音频接口以及第二音频接口，l个所述adc通道和所述第二音频接口分别连接至所述第一音频接口，其中，n，l均为大于1的自然数；

每一所述adc芯片的所述第二音频接口与下一级所述adc芯片的所述第一音频接口连接；

每一所述adc芯片的第二音频接口用于接收下一级所述adc芯片采集的所述音频数字信号，每一所述adc芯片的所述第一音频接口用于将该adc芯片采集的所述音频数字信号以及下一级所述adc芯片采集的所述音频数字信号传输至上一级所述adc芯片的所述第二音频接口；

位于所述adc串联队列首端的adc芯片定义为该adc串联队列的主芯片，所述主芯片还包括分别串行外设接口，所述串行外设接口与该主芯片的l个所述adc通道以及其所述第二音频接口连接，所述主芯片通过其所述第二音频接口和其所述串行外设接口分别与所述soc芯片连接，每一所述adc串联队列通过所述主芯片的所述第二音频接口或所述主芯片的所述串行外设接口将所述音频数字信号传输至所述soc芯片。

优选的，每一所述adc通道包括麦克风以及分别与所述麦克风和所述第一音频接口连接的模数转换器，所述麦克风用于采集外部的声音信号，并将该声音信号转化为音频模拟信号，所述模数转换器用于将所述音频模拟信号处理转化为所述音频数字信号，且所述主芯片的模数转换器还连接至所述串行外设接口。

优选的，每一所述adc芯片还包括用于接收同步信号的同步模块；同一所述adc串联队列中，所述主芯片的同步模块与所述soc芯片连接且同时与下一级所述adc芯片的所述同步模块连接，所述主芯片的同步模块用于接收所述soc芯片的同步信号且向下一级所述adc芯片的所述同步模块传输。

优选的，每一所述adc芯片还包括同步串行接口，所述同步串行接口用于根据所述同步信号配置各所述adc芯片在不同模式下工作。

本发明还提供一种基于本发明所述的音频采集系统的设计方法，该方法包括如下步骤：

根据所述soc芯片的i2s接口或spi接口的数量，确定所述adc串联队列的数量m以及每一所述adc串联队列的adc芯片的数量n；

通过所述同步串行接口将位于所述adc串联队列首端的adc芯片配置为所述主芯片，将位于所述主芯片后级的所述adc芯片配置为从芯片；

通过所述同步串行接口配置所述主芯片选择所述第二音频接口或所述串行外设接口将所述音频数字信号传输至所述soc芯片；

配置所述adc串联队列的ad采样速率、ad采样精度、用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量、所述主芯片的所述第二音频接口或所述串行外设接口的传输模式、以及所述音频数字信号的传输速率；

配置所述adc串联队列的工作时钟频率；

通过所述同步串行接口控制所述adc串联队列的所述adc芯片采集音频数字信号。

优选的，在所述adc串联队列的步骤中，所述音频数字信号的传输速率≥用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量×ad采样精度×ad采样速率。

优选的，在所述adc串联队列的步骤中，所述adc串联队列的工作时钟频率≥2×ad采样速率×ad采样精度。

与相关技术相比，本发明的音频采集系统，将单个adc芯片具有多个adc通道，将多个adc芯片依次串联连接以形成一个adc串联队列，多个adc串联队列相互形成级联连接并分别连接至soc芯片，各adc串联队列可通过第一音频接口与soc芯片的数字音频接口连接，各adc串联队列也可通过串行外设接口与soc芯片的串行外设接口连接，即adc串联队列与soc芯片之间的连接方式增加了，在实际应用中，能够根据soc芯片选型的不同，按照soc芯片的数字音频接口以及串行外设接口的数量，灵活组合不同的adc串联队列的级联数量以及每一adc串联队列的adc芯片的数量串联数量，有效地保证用于采集声音的adc通道的数量，有利于根据不同的应用场景制订不同的应用方案，拓宽了应用领域，减少了单芯片多余通道的浪费，降低了应用成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明音频采集系统的结构示意图；

图2为本发明单个adc串联队列与soc芯片连接的结构示意图；

图3为本发明单个adc芯片的结构示意图；

图4为本发明基于本发明音频采集系统的设计方法的流程示意图；

图5为本发明采用1×fs模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过i2s接口传输音频数据的原理示意图；

图6为本发明采用k×fs模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过i2s接口传输音频数据的原理示意图；

图7为本发明采用scph＝0、scpol＝0模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理示意图；

图8为本发明采用scph＝0、scpol＝1模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理示意图；

图9为本发明采用scph＝1、scpol＝0模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理示意图；

图10为本发明采用scph＝1、scpol＝1模式时，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，本发明提供了一种音频采集系统100，其包括adc串联队列1以及soc芯片2。

所述adc串联队列1包括多个相互形成级联连接且并分别与所述soc芯片2连接，多个所述adc串联队列1分别用于采集音频数字信号并传输至所述soc芯片2。

在本实施方式中，每一所述adc串联队列1包括依次串联连接的n个adc芯片11(analog-to-digitalconverter，中文称模数转换器)；每一所述adc芯片11包括分别用于采集所述音频数字信号的l个adc通道111、第一音频接口112、第二音频接口113、同步模块114以及同步串行接口115；其中，n，l均为大于1的自然数。

更具体的，在同一个所述adc芯片11中：

l个所述adc通道111分别连接至所述第一音频接口112，每一所述adc通道111包括麦克风以及分别与所述麦克风和所述第一音频接口112连接的模数转换器，所述麦克风用于采集外部声音信号，并将该声音信号转化为音频模拟信号，所述模数转换器用于将所述音频模拟信号处理转化为所述音频数字信号。

所述第一音频接口112和所述第二音频接口113均为用于音频数据传输的i2s接口(inter-icsound，中文称集成电路内置音频)，所述第二音频接口113连接至所述第一音频接口112，所述第二音频接口113可将音频数据传输至所述第一音频接口112。

所述同步模块114为用于接收sync同步信号的sync信号接收模块，所述同步串行接口115即为i2c接口(inter-integratedcircuit)，所述同步模块114连接至所述同步串行接口115，在实际工作过程中，该同步模块114接收sync同步信号并传输至所述同步串行接口115，所述同步串行接口115接收sync同步信号并根据该sync同步信号以配置各所述adc芯片11在不同模式下工作。

而在同一个的所述adc串联队列1的n个adc芯片11中：

位于所述adc串联队列1首端的adc芯片11定义为该adc串联队列1的主芯片，即主芯片作为所述adc串联队列1的第一个adc芯片与所述soc芯片连接，而该adc串联队列1其他的n-1个所述adc芯片11作为该adc串联队列1的从芯片，即从芯片作为主芯片的下级芯片。

所述主芯片还包括分别与该主芯片的l个所述adc通道111以及其所述第二音频接口113连接的串行外设接口116，该串行外设接口116即spi接口(serialperipheralinterface)，所述主芯片通过其所述第二音频接口113和其所述串行外设接口116分别与所述soc芯片2连接，每一所述adc串联队列1通过所述主芯片的所述第二音频接口113或所述主芯片的所述串行外设接口115将音频数字信号传输至所述soc芯片2，且所述主芯片的模数转换器还连接至所述串行外设接口116。

每一所述adc芯片11的第二音频接口113与下一级所述adc芯片的第一音频接口112连接，每一所述adc芯片11的第二音频接口用于接收下一级所述adc芯片11的音频数字信号，每一所述adc芯片的第一音频接口112用于将该adc芯片11采集的音频数字信号以及下一级所述adc芯片11的音频数字信号传输至上一级所述adc芯片的第二音频接口113；所述主芯片的同步模块114与所述soc芯片连接且同时与下一级的所述adc芯片的同步模块连接，所述主芯片的同步模块114用于接收所述soc芯片的同步信号且向下一级的所述adc芯片的同步模块114传输。

所述soc芯片2(system-on-a-chip，中文称系统级芯片)用于编码处理所述音频数字信号，所述soc芯片2通过其上的i2s接口分别与各所述主芯片的第一音频接口112连接，或者通过其上的spi接口分别与各所述主芯片的串行外设接口116连接。

如图4所示，本发明还提供一种基于本发明所述的音频采集系统的设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤s1，根据所述soc芯片的i2s接口或spi接口的数量，确定所述adc串联队列的数量m以及每一所述adc串联队列的adc芯片的数量n。

步骤s2，通过所述同步串行接口将位于所述adc串联队列首端的adc芯片配置为所述主芯片，将位于所述主芯片后级的所述adc芯片配置为从芯片。其中，所述soc芯片通过所述主芯片将sync同步信号发送至各所述从芯片，以确保所有所述从芯片跟所述主芯片同步采集音频数据，且确保所述从芯片的音频数据同步传输至所述主芯片。

步骤s3，通过所述同步串行接口配置所述主芯片选择所述第二音频接口或所述串行外设接口将所述音频数字信号传输至所述soc芯片；

步骤s4，配置所述adc串联队列的ad采样速率、ad采样精度、用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量、所述主芯片的所述第二音频接口或所述串行外设接口的传输模式、以及所述音频数字信号的传输速率。

具体的，ad采样速率、ad采样精度和用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量可以根据实际应用的需求来进行具体的设置的，比如，对于cd音频的采样速率为44.1khz，即以每秒44100次的频率来采样声音信息，原则上采样速率越高，声音的质量越好；ad采样精度包括但不限于8bit、16bit和24bit等，ad采样精度越大，对音频数据的解析度就越高，录制和回放的声音就越真实(声音越细腻)；用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量是根据算法需求来定，比如，需要音源定位时，用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量越多，多adc通道阵列算法的结果就越精确，当仅需要简单的声音采集时；所述主芯片的所述第二音频接口或所述串行外设接口的传输模式是可以随意选取的，其可以根据各所述adc串联队列实际通过第二音频接口和串行外设接口中的哪一个与所述soc芯片对接，以确定该述adc串联队列支持哪种传输模式；进一步的，所述音频数字信号的传输速率≥用于采集所述音频数字信号的adc通道的数量×ad采样精度×ad采样速率，通过上述数值关系的设置以确保传输不丢数据。

步骤s5，配置所述adc串联队列的工作时钟频率；其中，所述adc串联队列的工作时钟频率≥2×ad采样速率×ad采样精度。

步骤s6，通过所述同步串行接口控制所述adc串联队列的所述adc芯片采集音频数字信号。

当所述adc串联队列通过i2s接口与所述soc芯片之间进行音频数据传输时：

单个所述adc芯片的adc通道数为l个，每条adc通道采集到的音频数据记为ch#0～l-1，各adc串联队列包括n个adc芯片，将第i个芯片记为chip#i，其中，0≤i≤n-1，n为大于1的正整数，i为正整数。

若选用的所述soc芯片的i2s接口的数量大于或等于n*l，则可以采用1xfs模式，如图5所示：

1xfs为1个adc采样周期，在此周期内，chip#i共传送(i+1)*l条adc通道数据，其中，ch#0～ch#i*l-1为输入的chip#0～chip#i-1的adc通道采集的音频数据，ch#i*l～ch#(i+1)*l-1为chip#i本身的adc通道的音频数据。

若选用的所述soc芯片的i2s接口的数量小于n*l，则只能采用kxfs模式，如图6所示：

kxfs为1个adc采样周期，在此周期内，chip#i共传送(i+1)*l条adc通道数据，其中，ch#0～ch#i*l-1为输入的chip#0～chip#i-1的adc通道采集的音频数据，ch#i*l～ch#(i+1)*l-1为chip#i本身的adc通道的音频数据。

当所述adc串联队列通过spi接口与所述soc芯片之间进行音频数据传输时，则该音频采集系统可支持spi协议的scph和scpol四种组合模式，所述soc芯片的各个spi接口的有效周期的间隔可选0、0.5或1个sck，ch#0～ch#n*l-1为将串联的n个dc芯片的n*l条通道数据，其中：

根据图7可知，所述音频采集系统在scph＝0、scpol＝0模式下，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理。

根据图8可知，所述音频采集系统在scph＝0、scpol＝1模式下，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理。

根据图9可知，所述音频采集系统在scph＝1、scpol＝0模式下，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理。

根据图10可知，所述音频采集系统在scph＝1、scpol＝1模式下，soc芯片与adc串联队列之间通过spi接口传输音频数据的原理。

与相关技术相比，本发明的音频采集系统，将单个adc芯片具有多个adc通道，将多个adc芯片依次串联连接以形成一个adc串联队列，多个adc串联队列相互形成级联连接并分别连接至soc芯片，各adc串联队列可通过第一音频接口与soc芯片的数字音频接口连接，各adc串联队列也可通过串行外设接口与soc芯片的串行外设接口连接，即adc串联队列与soc芯片之间的连接方式增加了，在实际应用中，能够根据soc芯片选型的不同，按照soc芯片的数字音频接口以及串行外设接口的数量，灵活组合不同的adc串联队列的级联数量以及每一adc串联队列的adc芯片的数量串联数量，有效地保证用于采集声音的adc通道的数量，有利于根据不同的应用场景制订不同的应用方案，拓宽了应用领域，减少了单芯片多余通道的浪费，降低了应用成本。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。