高秀林

（山西国营大众机械厂， 山西 太原 030000）

引言

随着音频技术发展得越来越成熟，市面上出现了各种各样的音频采集分析设备，一般的音频信号采集都使用8位、16位的A/D转换器，对于微弱的音频信号来说，采样精度不够，为后续的信号分析带来了很大的困难。

本文针对客户提出的微弱音频信号和长时间数据采集存储的要求，设计了多路音频记录系统，此系统采用24位A/D转换器，将采集的音频信号无压缩，按照特定的数据格式、文件结构将数据存储在SATA盘中。在系统空闲的情况下，可通过网口将数据导出，上位机可根据实际需求对数据解析成音频文件（wave格式），并完成时域或频域分析，用于科研分析。

1 多路音频记录系统硬件结构设计

多路音频记录系统结构框图如图1所示。

图1 多路音频记录系统框图

多路音频记录系统硬件设计主要由六部分组成。

1）系统控制模块。主要负责整个系统电源控制、按键功能处理、显示屏数据显示，采用STM32来实现。

2）音频信号采集器。主要用于分通道采集音频模拟信号。

3）调理电路。主要对采集到的模拟音频信号进行滤波、放大。

4）A/D转换器。将滤波和放大后的模拟信号转换为数字音频信号，采用24位A/D转换器，A/D采样频率48 kbit/s。

5）FPGA模块。主要根据A/D转换后的数据进行放大倍数的调整，并按照通道、放大倍数、音频信号整理数据按照特定的协议发送给音频数据记录模块记录、发送给系统控制软件进行显示屏显示、发送给PC机进行监控（如果需要监控的情况）。根据A/D采集频率、采样位数和通道数计算，音频记录系统每秒需要记录数据约2 MB，网络模块采用百兆网芯片，此芯片理论上最大的传输速度为5 MB/s，可完全满足系统要求。

6）音频数据记录/管理模块。此模块对FPGA处理后的数据进行存储，并在结束采样后，PC机可通过网络将存储的数据进行导出、删除。由于音频数据记录系统需要长时间工作在记录的模式下，需要大容量的快速磁盘[1]，因此采用了1TB大小的SATA电子盘。本模块软件的运行IMX6开发板上，此开发板带有WinCE系统，带有千兆网络，且有SATA电子盘接口，可完全满足系统数据存储、导出速度要求。

2 多路音频记录系统软件功能及架构设计

根据多路音频记录系统的功能需求和硬件平台，其配套软件可划分为系统控制软件、音频信号采集软件、记录和管理软件。软件结构框图如图2所示。

图2 软件结构框图

2.1 系统控制软件

系统控制软件驻留在STM32的Flash中。主要功能包括：显示系统工作状态和故障信息；扫描按键，根据按下的按键，通告FPGA开始记录、停止记录；根据IMX6通告的时间，实时在显示屏上刷新时间；对FPGA实时发送的音频数据进行分通道显示。

2.2 音频信号采集软件

音频信号采集软件驻留在FPGA的RAM中。主要功能如下。

1）根据当前采集到的音频信号大小调整放大倍数。

2）向STM32实时发送音频数据。

3）响应STM32的控制指令，数据开始记录后，向IMX6发送音频数据。

2.3 音频信号存储/管理软件

音频信号存储/管理软件主要功能如下。

1）向STM32通告当前时间、文件写入、系统状态。

2）音频数据记录期间，接收FPGA按照数据头+序列号+多路音频数据+数据尾格式发送的数据，存储到SATA盘中。根据客户要求，音频数据在记录期间不能丢失数据，因此音频数据记录软件采用了多线程[2]、双缓存和文件映射技术[3]。

3）软件设计中主线程负责通过网口异步接收数据并写入缓存，缓存写满后通告子线程将数据写入文件中，同时主线程又接收到的数据写入另外一块缓存中，避免了因此写入文件占时过长导致丢失数据的情况。由于系统需要长时间工作，为了避免写入磁盘次数过多导致磁盘碎片的产生，因此采用了文件映射技术，按照2 GB的大小分配连续的空间，不仅避免了碎片的产生，还提高了文件写入速度。

图3 音频文件存储结构

4）为了便于区分每次的采样和文件保存的先后顺序，SATA盘中音频文件的存储按照图3所示结构进行保存。

5）采样日期使用年月日（例20180715），采样时间使用年月日时分秒（例20180715140505），音频文件采用二进制文件，文件名称按照年月日时分秒命名（例 20180715140505.dat）[4]。

3 结论

本文根据用户需求，设计了多通道音频记录设备，此设备经过长时间运行测试，工作稳定，数据记录准确，数据导出通过测试可达到27 MB/s的速度，可快速导出文件（每个文件约2 GB），此系统可广泛应用于各种需要记录多通道音频信号的场景，用于后续的科研分析。