FPGA通常是面向通信行業(yè)，盡管其主要開(kāi)發(fā)者仍然專注于通信應(yīng)用, 但他們?cè)絹?lái)越關(guān)注存儲(chǔ)和服務(wù)器市場(chǎng)。

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但是, 廣闊的工業(yè)市場(chǎng)又如何呢？

通常, 工業(yè)市場(chǎng)的要求并不像存儲(chǔ)、服務(wù)器或通信應(yīng)用程序所要求的那樣復(fù)雜。盡管圍繞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)的大肆宣傳, 目前尚不清楚工程師如何利用現(xiàn)有技術(shù)使其潛力成為現(xiàn)實(shí)。有一種技術(shù)在工業(yè)市場(chǎng)日益普及, 那就是音頻處理技術(shù)。通過(guò)將音頻處理器的功能與 FPGA 的靈活性結(jié)合起來(lái), 可以支持許多創(chuàng)新應(yīng)用程序。

音頻處理器正如其名字那樣, 它是一個(gè)優(yōu)化處理聲音的處理器。它經(jīng)常利用基于 ARM 或者 RTOS的處理器架構(gòu), 有硬件, 如數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(AD/DA) , 多個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸入, 為可聽(tīng)頻譜優(yōu)化的硬件加速器, 以及 I2S 或 SPI 接口。音頻處理器常常與軟件或固件捆綁在一起, 這些軟件或固件被設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行某些回音消除或降噪功能。

FPGA 使用一種基于門的體系結(jié)構(gòu), 它是以并行方式處理信號(hào)的理想結(jié)構(gòu)。它還有內(nèi)存、硬件乘法器和累加器, 以及充足的 I / O 靈活性。一些 FPGA 被認(rèn)為是 SoC, 因?yàn)樗鼈冇兴暮薃級(jí) ARM 處理器, 但當(dāng) FPGA 與音頻處理器配對(duì)時(shí), 這種水平的馬力是不必要的。音頻處理器的理想配對(duì)是一個(gè)通用的, 靈活的 FPGA, 或者一個(gè) FPGA包含了 ARM Cortex-M3這樣的微控制器。結(jié)合這種類型的 FPGA 音頻處理器, 無(wú)論是否有 Cortex-M3, 都可以在獨(dú)特的工業(yè)通信和控制應(yīng)用程序中為許多任務(wù)創(chuàng)建了理想的分工。

智能攝像機(jī)的音頻監(jiān)聽(tīng)

音頻處理器可以執(zhí)行的一個(gè)有趣的功能是在使用兩個(gè)麥克風(fēng)時(shí)進(jìn)行音頻檢測(cè)。例如, 在音頻處理器中使用適當(dāng)?shù)墓碳? 設(shè)備可以確定與聲音位置相關(guān)的程度信息。如果在設(shè)備前聽(tīng)到聲音(例如在正北方向) , 這將被處理為"90度" 。如果聲音來(lái)源于東北方位的右側(cè), 音頻處理器將輸出"45度" 此外, 固件可以在兩個(gè)麥克風(fēng)前面創(chuàng)建一個(gè)波束來(lái)減弱波束外的噪音源。利用 FPGA, 波束可以被引導(dǎo)到感興趣的聲源方向。

圖1

如圖1所示，這種類型的監(jiān)視攝像機(jī)包括以下主要部件 :

1.   用來(lái)捕捉圖片的圖像傳感器

2.    Animage signal processor (ISP) to handle the video data 一個(gè)圖像信號(hào)處理器(ISP)來(lái)處理視頻數(shù)據(jù)

3.    一個(gè)音頻處理器來(lái)清理聲音路徑和確定音頻源的位置

4.    一個(gè)FPGA 可以連接到音頻處理器, 并實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)控制算法, 將相機(jī)轉(zhuǎn)向聲音

這種類型的智能相機(jī)可以更密切地關(guān)注聲音來(lái)源的圖像。 FPGA 還可以用來(lái)連接一個(gè)基于 PCI的高速 Wi-Fi 模塊來(lái)傳輸圖像, 或者可以觸發(fā)一些警告或報(bào)警功能。這種方法也可以用來(lái)引導(dǎo)攝像機(jī)和收聽(tīng)麥克風(fēng)來(lái)優(yōu)化視頻會(huì)議的性能。在這個(gè)應(yīng)用程序中, 音頻處理器將被用來(lái)檢測(cè)聲音的發(fā)源地, 通過(guò)使用 beamform來(lái)聽(tīng)誰(shuí)在說(shuō)話。在 FPGA 的控制下, beamform 不會(huì)將攝像頭對(duì)準(zhǔn)聲音, 而是直接對(duì)準(zhǔn)說(shuō)話的人。

工業(yè) IoT 聲音檢測(cè)應(yīng)用

另一個(gè)由 FPGA 啟用的工業(yè) IoT 應(yīng)用是維護(hù)、診斷和故障預(yù)防(圖2)。想象一下, 有足夠敏感的聽(tīng)覺(jué), 能夠知道電動(dòng)機(jī)或其他運(yùn)動(dòng)部件什么時(shí)候會(huì)變得虛弱, 什么時(shí)候會(huì)失敗。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)例子包括電梯發(fā)動(dòng)機(jī)或地面鉆頭。通過(guò)使用音頻處理器和 FPGA 對(duì)弱化電機(jī)或鉆頭的聲音分布和監(jiān)測(cè), 可以防止產(chǎn)品故障和下降時(shí)間。

圖2

為了實(shí)現(xiàn)這種解決方案, 音頻處理器中插入聲音配置固件, 以便監(jiān)視與即將發(fā)生故障有關(guān)的音頻簽名。對(duì)于電動(dòng)機(jī)應(yīng)用程序, 這個(gè)簽名可能是一個(gè)軸承發(fā)出的聲音，例如，開(kāi)始崩潰或者一個(gè)鉆頭的聲音變得更高的音調(diào), 因?yàn)樗兊酶舆t鈍和工作更加努力。通過(guò)音頻處理器中的聲音輪廓, 解決方案接著聽(tīng), 并不斷匹配聲音與存儲(chǔ)的故障配置文件。與此同時(shí), FPGA 與音頻處理器進(jìn)行通信, 并與網(wǎng)絡(luò)或其他外圍設(shè)備進(jìn)行通信, 以繼承這個(gè)狀態(tài)。如果 FPGA 包含 ARM Cortex-M3, 它可以運(yùn)行一個(gè)輕量級(jí) TCP / IP 協(xié)議棧, 并通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送信息。當(dāng)然, 其他的通信功能也可使用， 比如 CAN 總線, USB, 或者專有協(xié)議。

當(dāng)音頻處理器檢測(cè)到弱化條件的聲音輪廓特性時(shí), 它會(huì)向 FPGA 發(fā)出信號(hào), 然后立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞這些信息。通過(guò)早期捕捉失敗的條件, FPGA 也可以被編程, 以觸發(fā)系統(tǒng)覆蓋的響應(yīng)。以電梯為例, FPGA 可以等到確認(rèn)電梯已經(jīng)到達(dá)一樓, 所有人都出去了, 然后通知中央控制系統(tǒng)電梯已經(jīng)停止運(yùn)行。其他可以使用的例子包括汽車電動(dòng)機(jī)、流體管道和其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如果聲音剖面被很好的理解, 這種方法甚至可以用來(lái)觸發(fā)維護(hù)的呼叫, 因此停機(jī)時(shí)間將被大大減少。

本地音頻存儲(chǔ)和播放

配對(duì)音頻處理器和 FPGA 的解決方案對(duì)于最有效地在本地實(shí)現(xiàn)音頻存儲(chǔ)和檢索的應(yīng)用程序也很有用。這包括家庭自動(dòng)化應(yīng)用程序或加密音頻的安全保護(hù)。

在這些例子中, 音頻處理器接收聲音或聲音, 并通過(guò) I2S 總線將其傳遞到 FPGA。然后, FPGA 將數(shù)據(jù)格式化, 存儲(chǔ)在 SPI Flash 或其他存儲(chǔ)中。這個(gè)設(shè)計(jì)也允許從 SPI Flash 通過(guò) FPGA 回放到音頻處理器上。此類設(shè)計(jì)的其他選項(xiàng)包括為安全應(yīng)用程序加密和解密音頻。另外, FPGA 還可以方便通信, 以便遠(yuǎn)程提供音頻。

參考方案

最近, Arrow Electronics公司創(chuàng)建了一個(gè)硬件工具包來(lái)展示音頻處理器和 ARM Cortex-M3 FPGA 所能提供的靈活性(圖3)。 Microsemi SmartFusion2(SF2)評(píng)估工具包有一個(gè)音頻處理器和PGA。該工具包具有機(jī)載閃存和 DDR 存儲(chǔ)器, 以及 USB 和以太網(wǎng)接口。此外, 通過(guò)利用 Arduino 連接器集和 PMOD 接口, 可以添加一些外圍選項(xiàng)。

圖3

這個(gè)工具包創(chuàng)建了一個(gè)完整的 HDL 和 C代碼參考設(shè)計(jì), 允許存儲(chǔ)多達(dá)四種不同的音頻記錄, 并支持播放控制。

有許多獨(dú)特而引人注目的應(yīng)用程序可以通過(guò)音頻處理器和 FPGA 的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。音頻處理器執(zhí)行檢測(cè)或監(jiān)聽(tīng)事件的任務(wù), 而 FPGA 則用于提供自定義響應(yīng)。當(dāng)然, 額外的 FPGA 邏輯還允許定制函數(shù)或者其他邏輯要求, 例如橋接、硬件加速或協(xié)議通信, 所有這些都可以通過(guò)硬件解決方案、參考設(shè)計(jì)和音頻軟件來(lái)探索實(shí)現(xiàn)。

【本文來(lái)自51CTO專欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

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