基于 STM32 和 FPGA 的声源成像系统设计

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基于 STM32 和 FPGA 的声源成像系统设计。

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系统基于 i Core3 双核心开发板，采用 STM32 和现场可编程门阵列( Field
Programmable Gate Array，FPGA) 芯片，通过对通用串行总线( Universal Serial Bus，
USB) 串口通信、可变静态存储控制器( Flexible Static Memory Controller，FSMC) 接
口、安全数字输入输出卡( Secure Digital Input and Output Card，SDIO) TF 卡以及 Qt
上位机等进行综合设计完成了一个能够实现声源定位和成像功能的系统。系统以
STM32 芯片进行核心控制，采用计算量小、定位精确、能较好的移植在硬件设备中
的基于到达时间差的时延估计的声源定位算法，通过 FSMC 接口在 FPGA 内设计
实现算法中数据量大、耗时长的矩阵自相关运算，并与各个模块通过数据交互进行
核心控制，最终实现声源定位和成像功能。系统结构简单、体积小、质量轻、使用方
便，不仅解决了现有产品的不足，而且测试结果表明该系统在 STM32 和 FPGA 协同工作下运行效率高、
定位准确，相比在单独以 STM32 为核心时处理速度提升了大约 30% ，能够满足用户的实际需求，有一定
的实用价值。

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正确的确定声音位置是实现声音控制的前提，因此声源定位技术应运
而生［1
］
。多年来声源定位是国内外研究的重点课题，
初期的研究主要应用于雷达、声呐等军事系统［1
］
。随
着时代的发展，声源定位技术也逐渐地应用到民用和
工业系统中，比如: 视频电话会议、智能机器人听
觉［2
］
、机器故障诊断、降噪等。随着嵌入式技术的迅
速发展，当前市场上的声源定位类产品，在设计实现上
仍存在一些问题［3
］
，例如，如何降低成本，如何缩小体
积以提高可移动与便携性等［4-5
］
。因此，声源定位的
研究与开发具有较强的实际价值和理论意义。本文以
声源定位算法为核心，设计了一个基于嵌入式平台的
声源定位及成像系统。

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系统的主控制器使用同类产品中性能较高的增强
型 STM32 单片机，其时钟频率达到 168 MHz、功耗低、
具有更快的模数转换速度、更强大的输入/输出端口
( input/output，I/O) 复用功能以及更快的通用同步 /异
步串行接收/发送器 ( Universal Synchronous /
Asynchronous Ｒeceiver / Transmitter，USAＲT) 和串行
外设接口 ( Serial Peripheral Interface，SPI) 通信速
度［6
］
。系统主要包括 FPGA 模块、TF 卡模块、FSMC 接
口、USB 模块和 Qt 上位机等模块。
整体框架如图1所示。TF卡模块负责存储数据USB 模块负责下位机与 Qt 上位机之间的数据通信、Qt
上位机负责将系统得到的声源信息通过图形用户界面
显示出来。综合设计实现了对空间区域内进行声源定
位并通过上位机进行声源成像显示的功能。

只看该作者 · 2018-10-6 17:35

TF 卡模块
由于系统所需数据量大、占用空间多，而 STM32
自身的内存空间有限，大多数情况下需要从外部设备
读取数据再做处理，因此系统需要引入数据存储单元。
针对小型嵌入式系统，大多都使用 SD 卡或 TF 卡。开
发板板载的是 TF 卡接口，STM32 系列芯片上带有
SDIO 控制器［7
］
，i Core3 核心板上将 SDIO 连接到 TF 卡
座上，硬件连接如图 2 所示。

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虽然 STM32 已经有一定的运算速度，但是由于该
系统工程计算量和数据量较大，如果运算速度低，实时
性和工程实现效果将不能得到保证。FPGA 拥有时钟
频率高、内部延迟小、工作效率高、并行运行、存储方式
多样、设计灵活通用和全部的控制逻辑由硬件完成等
优点［8-9
］
。因此系统采用 FPGA 模块实现系统中运算
量比较大的矩阵自相关计算。
综合使用锁相环( Phase Locked Loop，PLL) 倍频、
双口随机存取存储器 ( Ｒandom Access Memory，
ＲAM) 、乘法器等模块，并通过 Verilog HDL 语言编程
实现此功能。FPGA 模块中的整体电路架构如图 3
所示。

只看该作者 · 2018-10-6 17:37

i Core3 开发板的 USB 接口通过调用 STM32 的库
来实现 STM32 的 USB 设备通信，由于 STM32 芯片不
带高速物理层( Physical Layer，PHY) ，这里用 STM32
和 USB330 连接的方式来实现数据的高速传输，硬件
连接示意图如图 4 所示。

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可变静态存储控制器 FSMC 是 STM32 系列采用
一种新型的存储器扩展技术，在外部存储器扩展方面
具有独特的优势，可根据系统的应用需要，方便地进行
不同类型大容量静态存储器的扩展［10
］
。本系统主要
用 FSMC 来实现 STM32 与 FPGA 间高速并行的数据传
输。STM32 自带 FSMC 控制器，本系统为实现 FSMC
与 FPGA 之间的通信，在 FPGA 内部建立一个ＲAM
块，FPGA 桥接 STM32 和ＲAM 块，通过 FSMC 总线从
STM32 向ＲAM 块中写入数据，然后 FPGA 读取ＲAM
中的数据进行运算。FSMC 总线连接的原理图如图 5
所示。

只看该作者 · 2018-10-6 17:38

Qt 上位机本文利用基于 STM32 与 FPGA 搭建的系统来实
现声源定位成像，数据包含声音和图像。上位机主要
是将计算得到的声源位置信息通过图形用户界面显示
出来。本系统采用 Qt 图形界面框架作为上位机显示
软件，设计如图 6 所示的界面，实现如下功能: 上位机
点击连接按钮向下位机发送连接请求，下位机进行连
接，连接成功后，上位机通过向下位机发送命令完成数
据传输，上位机接收数据并进行处理和显示。

只看该作者 · 2018-10-6 17:38

本系统的主程序流程图如图 7 所示，主要由初始
化程序、数据调用程序、声源定位算法、数据传输程序、
均值滤波算法、数据成像程序等几部分组成。系统上
位机为 Qt，下位机主要为 STM32，FPGA 归 STM32 控
制。系统启动后，首先进行初始化。然后由 Qt 发起信
号建立连接，STM32 处于连接检测状态，直至连接成
功。成功后 STM32 将 TF 卡内的声音原始数据按照要
求提取，并将数据做简单处理后送入 FPGA 进行自相
关运算，再经过算法处理后，STM32 将得到的数据做
索引排序后将有用数据保留并写入 TF 卡中。接下来
STM32 将处理完后的结果和图像数据送入上位机。
上位机接收到声音强度数据和图像数据后，先进行均
值滤波再进行成像显示，至此，系统实现了声源定位及
成像显示的全过程。

只看该作者 · 2018-10-6 17:39

在麦克风阵列声源定位方法中，基于到达时间差
( Time Difference of Arrival，TDOA) 的声源定位算法有
着运算原理易于理解、定位精度较高等特点，因此适用
于在嵌入式设备上实现。基于 TDOA 的声源定位算法
实现过程，一般分为延时估计和声源定位两个部分，时
延估计的精确度直接决定了声源定位的精度，所以是
算法的核心部分［11-12
］
。时延估计方法有很多，应用较
为广泛的是基于相关分析的估计方法［13
］
。

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( 1) TDOA 时延估计算法原理。声波在空气中以
一定的速度传播，不同位置的麦克风接收到的声音信
号有不同的相位，利用彼此间的相位差可获取同一个
声源信号到达每个麦克风的时间延迟。在近场模型
中，声源的时延如图 8 所示。Mi、M
j
为两个麦克风，M0
为参考麦克风，Xi( n) 、X
j
( n) 为两个麦克风接收到的
声音信号，d 为两个麦克风之间的距离，t 为信号到达
两麦克风之间的时间延迟，c 为声音在空气中的传播
速度，c·t 为声程差，为任意点声源到达各个麦克风的
距离，为任意点声源到达参考麦克风的距离。

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本文根据声源定位研究现状以及现有声源定位产
品存在的不足，结合嵌入式技术的发展成果，通过分析
现有的定位方法，研究并设计了基于 STM32 和 FPGA
的声源定位和成像系统。利用 STM32 外设丰富、易于
实现，FPGA 并行运行、运行速度快的优势，采用
STM32 作为主控制器，利用 FPGA 实现复杂的矩阵自
相关运算，并在此基础上将声源可视化，完成成像显
示。本文的意义在于应用嵌入式技术，通过 STM32 与
FPGA 的协同设计，在硬件平台上实现了声源定位与
成像系统。此嵌入式声源成像系统有效地提高了系统
的运行速度，增加了声源定位的效率，而且其硬件集成
度高、功耗低，这些都为声源定位系统的小型化和便携
化的开发与设计提供了参考。

1万 · 2018-10-8 16:15

是否需要进行图像处理啊

基于 STM32 和 FPGA 的声源成像系统设计

涓涓之细流