【導(dǎo)讀】自現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)面世以來(lái)，通常瞄準(zhǔn)最大的市場(chǎng)區(qū)間——通信行業(yè)。雖然大多數(shù)FPGA開(kāi)發(fā)人員仍然以通信應(yīng)用為重點(diǎn)，但他們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注存儲(chǔ)和服務(wù)器市場(chǎng)，尤其是日益增長(zhǎng)的音頻處理，通過(guò)結(jié)合音頻處理器的功能和FPGA器件的靈活性，能夠支持許多創(chuàng)新應(yīng)用。
廣泛的工業(yè)市場(chǎng)呢?
通常，廣泛的工業(yè)市場(chǎng)的需求并非像存儲(chǔ)、服務(wù)器或通信應(yīng)用所要求的那么性能導(dǎo)向或復(fù)雜。對(duì)于所有圍繞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)的炒作，我們并不清楚工程師如何利用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其潛能。在工業(yè)市場(chǎng)上可以看見(jiàn)的日益增長(zhǎng)的一個(gè)例子就是音頻的處理。通過(guò)結(jié)合音頻處理器的功能和FPGA器件的靈活性，能夠支持許多創(chuàng)新應(yīng)用。
音頻處理器名副其實(shí)是經(jīng)優(yōu)化處理聲音的處理器。它通常利用基于ARM或RTOS友善的處理器架構(gòu)，具有數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)等硬件、多個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸入、優(yōu)化用于聲譜的硬件加速器，以及I2S或 SPI接口。音頻處理器通常與軟件或固件綁定，經(jīng)設(shè)計(jì)執(zhí)行某些回聲消除或降噪功能。
FPGA器件使用基于柵級(jí)的架構(gòu)，適用于并行模式下的信號(hào)處理。它還具有內(nèi)部存儲(chǔ)器、硬件乘法器和累加器，以及充足的I/O靈活性。某些FPGA器件被視為SoC，因?yàn)樗鼈兙哂兴暮恕級(jí)ARM處理器，但是，當(dāng)FPGA器件與音頻處理器配對(duì)使用時(shí)，這種級(jí)別的性能并非必需。音頻處理器的理想配對(duì)是通用而靈活的FPGA器件，或者集成了ARM Cortex-M3等微控制器的FPGA器件。結(jié)合音頻處理器和這類FPGA器件，無(wú)論是否帶有Cortex-M3，也能夠?qū)崿F(xiàn)理想的分工，用于獨(dú)特的工業(yè)通信和控制應(yīng)用中的許多任務(wù)。
智能攝像頭的音頻監(jiān)聽(tīng)
在使用兩個(gè)麥克風(fēng)時(shí)，音頻處理器能夠執(zhí)行一項(xiàng)有趣的功能，就是音頻檢測(cè)，例如，在音頻處理器中使用合適的固件，該器件便能夠確定與聲音位置相關(guān)的角度信息。如果在器件的前部聽(tīng)到語(yǔ)音或聲音(例如在向北的方向)，這將被處理成“90度”。如果聲音來(lái)自東北方向，音頻處理器則輸出“45度”。此外，固件可以在兩個(gè)麥克風(fēng)的前部虛擬一道光束，并忽略光束以外的噪聲源。通過(guò)利用FPGA器件，光束可以導(dǎo)引在感興趣的聲音源的方向上。
這類監(jiān)控?cái)z像頭包括以下主要組件，如圖1所示：
- 捕獲圖像的圖像傳感器
- 處理視頻數(shù)據(jù)的圖像信號(hào)處理器(ISP)
- 清理聲音路徑和確定音頻源位置的音頻處理器
- 和音頻處理器相連的FPGA執(zhí)行馬達(dá)控制算法將攝像頭轉(zhuǎn)向聲音的方向
這類智能攝像頭能夠更專注聲音起源處的圖像，F(xiàn)PGA器件還可以用于橋接基于PCIe的高速Wi-Fi 模塊以串行方式傳送這些圖像，或者，它可以觸發(fā)某些報(bào)警或警示功能。這種方法還可以用于引導(dǎo)攝像頭和監(jiān)聽(tīng)麥克風(fēng)來(lái)優(yōu)化視頻會(huì)議單元的性能。在這種應(yīng)用中，通過(guò)使用波束來(lái)監(jiān)聽(tīng)誰(shuí)在發(fā)言，音頻處理器用于檢測(cè)聲音的來(lái)源。波束在FPGA器件的控制之下，將會(huì)轉(zhuǎn)向發(fā)言的人，而不是將攝像頭朝向聲音。
工業(yè)IoT 聲音檢測(cè)應(yīng)用
FPGA器件與音頻處理器共同實(shí)現(xiàn)的另一種獨(dú)特工業(yè) IoT應(yīng)用是維修、診斷和故障預(yù)防(圖2)。想像你擁有足夠敏銳的聽(tīng)力，知道馬達(dá)或其它移動(dòng)組件正在變?nèi)醪⒓磳l(fā)生故障。工業(yè)IoT的相關(guān)示例包括電梯馬達(dá)或鉆頭。通過(guò)使用處理器和FPGA器件了解變?nèi)躐R達(dá)或鉆頭的聲音曲線，并且監(jiān)控這種音頻標(biāo)記，可以防止產(chǎn)品故障和停機(jī)時(shí)間。
為了實(shí)施這類解決方案，要把聲音曲線固件插入在音頻處理器中，以監(jiān)控與故障相關(guān)的音頻標(biāo)記。對(duì)于馬達(dá)應(yīng)用，這項(xiàng)標(biāo)記可能是軸承開(kāi)始崩潰的聲音，或者隨著鉆頭變鈍和越來(lái)越吃力地工作，鉆頭的音頻曲線改變至較高水平的聲音。由于聲音曲線駐留在音頻處理器中，然后這款解決方案便可以監(jiān)聽(tīng)并連續(xù)匹配聲音和存儲(chǔ)的故障曲線。同時(shí)，F(xiàn)PGA器件與音頻處理器通話，并與網(wǎng)絡(luò)或某些其它外設(shè)通信，以傳遞這種狀態(tài)。如果FPGA器件包括ARM Cortex-M3，便可運(yùn)行輕量TCP/IP堆棧，并且在以太網(wǎng)上或通過(guò)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送信息。當(dāng)然，它也可以利用其它獨(dú)特的通信功能，比如CAN總線、USB或?qū)Ｓ袇f(xié)議。
當(dāng)音頻處理器檢測(cè)到弱化狀況的聲音曲線特性時(shí)，便向FPGA器件發(fā)送信號(hào)，而后將這個(gè)信息在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)放。通過(guò)在早期捕捉失效狀況，F(xiàn)PGA器件還可以通過(guò)編程，以系統(tǒng)覆蓋(system override)的形式觸發(fā)響應(yīng)。以電梯為示例，F(xiàn)PGA器件可以一直等待，直到確定電梯安全到達(dá)地面層，而且每個(gè)人都走出去了，然后才與中央控制系統(tǒng)通信，使得電梯停止服務(wù)。其它示例包括汽車電動(dòng)馬達(dá)、流量管線，以及其它工業(yè)IoT應(yīng)用。如果聲音曲線被很好地了解，這種方法甚至可用于觸發(fā)維修呼叫，從而顯著縮短停機(jī)時(shí)間。
本地音頻存儲(chǔ)和播放
配對(duì)音頻處理器和FPGA器件的解決方案，還可以用于最適合在本地實(shí)施音頻存儲(chǔ)和回溯的應(yīng)用場(chǎng)合。這包括了保護(hù)加密音頻或家居自動(dòng)化應(yīng)用。
在這些示例中，音頻處理器接收語(yǔ)音或聲音，并且經(jīng)由I2S總線將其傳送至FPGA器件，F(xiàn)PGA器件將數(shù)據(jù)格式化，存儲(chǔ)在SPI快閃或其它非易失性存儲(chǔ)器中。這項(xiàng)設(shè)計(jì)還允許通過(guò)FPGA器件至音頻處理器，從SPI快閃進(jìn)行播放。這類設(shè)計(jì)的其它選項(xiàng)包括用于安全應(yīng)用的加密和解密音頻。FPGA器件能夠推動(dòng)通信以作為替代，使得系統(tǒng)可從遠(yuǎn)程提供音頻。
最近，艾睿電子設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件套件來(lái)演示音頻處理器和ARM Cortex-M3 FPGA能夠提供的靈活性(圖3)。美高森美SmartFusion2+ (SF2+)評(píng)估套件帶有Timberwolf音頻處理器和SmartFusion2 SoC FPGA器件。這款套件具有板載快閃和DDR存儲(chǔ)器，以及USB和以太網(wǎng)接口。此外，通過(guò)利用Arduino盾連接器組和PMOD接口，還可以增添多種外設(shè)選項(xiàng)。
艾睿設(shè)計(jì)了用于這款套件的完整HDL和C代碼參考設(shè)計(jì)，允許儲(chǔ)存多達(dá)四個(gè)不同的音頻記錄，并且支持回放控制。用于Timberwolf音頻處理器和HDL的固件和用于FPGA器件的C代碼為探索結(jié)合音頻處理器和FPGA的解決方案提供了起點(diǎn)。
使用音頻處理器和FPGA器件組合可以理想地實(shí)施多種獨(dú)特和引人注目的應(yīng)用，音頻處理器執(zhí)行檢測(cè)或監(jiān)聽(tīng)事件的任務(wù)，而FPGA器件用于提供定制響應(yīng)。當(dāng)然，附加的FPGA邏輯還允許實(shí)現(xiàn)定制功能或其它邏輯需求，比如橋接、硬件加速或協(xié)議通信，所有這些可以通過(guò)可用的硬件解決方案、參考設(shè)計(jì)和音頻軟件來(lái)探索實(shí)施。
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