声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
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1目前超大规模集成电路verylargescaleic工艺不断提高作为集成电路一族的fpga芯片其内部已经可以集成上百万个晶体管这使得fpga芯片的功能越来越强甚至能进行系统集成162由于fpga芯片集成度高芯片的性能有生产厂商的测试和保证设计人员只需要完成相关的软硬件设计即可完成最终的功能设计所以使用fpga器件具有投入资金小风险低开发容易周期短的优点
KEY WORDS: data acquisition， usb， fpga，sound source localization， labview
iii
声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................... 1
分类号： U D C：
密级： 编号：
学
位
论
文
声源定位系统中 四通道高速同步采集的设计和实现
郑昀
指导教师姓名：
杨鹏 教 授 河北工业大学 士
学科、专业名称：
申请学位级别：硕
控制工程
论文提交日期： 2013 年 3 月 学位授予单位：
论文答辩日期: 2013 年 3 月
河北工业大学
答辩委员会主席： 评 阅 人：
ii
河北工业大学硕士学位论文
design, through the use of the abundant resources in FPGA, such as phase- locked loop PLL, double port RAM, shift register, etc., the accurate control of the system clock and high speed data transmission with USB interface are implemented. The LabVIEW software is used to write application user interface, the communication between the host and device is completed by the direct call of general USB driver; finally control of the acquisition system in the upper machine is achieved.
i
声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF FOUR CHANNELS HIGH SPEED SYNCHRONOUS SAMPLING IN SOUND SOURCE LOCALIZATION SYSTEM
ABSTRACT
Auditory system is an important part of the human senses. With the rapid development of the digital signal processing technology,electrical technology and intelligent robot technology, sound source localization technology has become important research subjects in the field of robotics research.Sound has diffraction characteristics and can effectively circumvent obstacles to reach the target,so it can make up for the the limitations of visual aspect of robot in positioning . Data acquisition is to convert the analog signal to digital signal for calculation and processing of computer, the scope of its application is more and more widely now.In sound source localization system, the sampling frequency, synchronization and transmission rate of data acquisition have a great influence on the sound sampling, which will affect the positioning precision and accuracy. A high sampling frequency, convenient interface, high transmission speed of the synchronous data acquisition system can effectively improve the precision and accuracy of the positioning system, which also can be applied to other areas. Combined the performance advantages of USB2.0 and FPGA, this paper proposes a design method of four channel high speed synchronous acquisition system. Based on the function requirement of the system, this paper mainly completed the hardware design and software development.Hardware mainly consists of three parts: the analog-to-digital conversion module, FPGA module and USB module. We choose FPGA of Altera Corporation as the control core, the AD9219 AD converter of AD Company, CY7C68013 USB control chip of the Cypress Company to complete hardware design, and use Altium Designer software design and draw the 4 layers PCB. System software development includes the FPGA control logic program, USB firmware development and writing of the application user interface.In sequential digital logic
By Zheng Yun
Supervisor: Prof. Yang Peng
March 2 0 1 3
河北工业大学硕士学位论文
声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
摘 要
听觉系统是人类感官的重要组成部分，随着数字信号处理技术、声电技术以及机器人 智能技术的快速发展，声源定位技术已经成为机器人研究领域的重要研究对象。声音具有 衍射的特性，能有效的绕过障碍物到达目标，所以可以弥补机器人通过视觉方面进行定位 的局限性。 数据采集就是把模拟信号转换成数字信号以供计算机进行计算处理，目前它的应用范 围越来越广泛。在声源定位系统中，数据采集的采样频率、同步性、传输速率都对声音的 采样有很大影响，从而影响定位的精度和准度。研究一种采样频率高、接口通用方便、传 输速度高的同步数据采集系统可以有效的提高定位系统的精度和准确度，同时也可以应用 于其他领域。 结合 USB2.0 和 FPGA 的性能优势，本文提出一种四通道高速同步采集系统的设计方 法。根据系统的功能要求，本文主要完成硬件设计和软件开发。硬件主要由模数转换模块、 FPGA 控制模块和 USB 接口模块三部分组成。选用 Altera 公司的 FPGA 为控制核心、AD 公司的 AD9219 模数转换器、Cypress 公司的 CY7C68013 USB 控制芯片等完成硬件设计， 使用 Altium Designer 软件设计绘制了四层电路板。 软件开发包括 FPGA 控制逻辑编程、 USB 固件开发和用户应用界面编写。在时序数字逻辑设计中，通过使用 FPGA 中丰富的资源， 如锁相环 PLL、双口 RAM、移位寄存器等，完成对系统时钟的精确控制以及实现与 USB 接口的高速数据传输。使用 LabVIEW 软件编写用户应用界面，直接调用通用 USB 驱动程 序完成主机与设备之间的通信，最后实现在上位机中对采集系统的控制。 关键词：数据采集，USB，FPGA，声源定位，LabVIEW
第二章 机器人定位系统及声源定位系统实验平台搭建........................................... 7
2013 年 3 月
Thesis Subm itted to Hebei University of Technology For The Master Degree of Control Engineering
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF FOUR CHANNELS HIGH SPEED SYNCHRONOUS SAMPLING IN SOUND SOURCE LOCALIZATION SYSTEM
§ 1-1 研究背景及意义 ................................................................................................................. 1 § 1-2 国内外的发展现状.............................................................................................................. 1 1-2-1 声源定位发展概况...................................................................................................... 1 1-2-2 数据采集系统发展现况............................................................................................... 3 1-2-3 FPGA 的发展趋势 ........................................................ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.............................................. 4 1-2-4 USB 接口技术的发展概况 ........................................................................................... 5 § 1-3 本文研究内容..................................................................................................................... 6 § 1-4 本章小结............................................................................................................................ 6
KEY WORDS: data acquisition， usb， fpga，sound source localization， labview
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声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................... 1
分类号： U D C：
密级： 编号：
学
位
论
文
声源定位系统中 四通道高速同步采集的设计和实现
郑昀
指导教师姓名：
杨鹏 教 授 河北工业大学 士
学科、专业名称：
申请学位级别：硕
控制工程
论文提交日期： 2013 年 3 月 学位授予单位：
论文答辩日期: 2013 年 3 月
河北工业大学
答辩委员会主席： 评 阅 人：
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河北工业大学硕士学位论文
design, through the use of the abundant resources in FPGA, such as phase- locked loop PLL, double port RAM, shift register, etc., the accurate control of the system clock and high speed data transmission with USB interface are implemented. The LabVIEW software is used to write application user interface, the communication between the host and device is completed by the direct call of general USB driver; finally control of the acquisition system in the upper machine is achieved.
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声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF FOUR CHANNELS HIGH SPEED SYNCHRONOUS SAMPLING IN SOUND SOURCE LOCALIZATION SYSTEM
ABSTRACT
Auditory system is an important part of the human senses. With the rapid development of the digital signal processing technology,electrical technology and intelligent robot technology, sound source localization technology has become important research subjects in the field of robotics research.Sound has diffraction characteristics and can effectively circumvent obstacles to reach the target,so it can make up for the the limitations of visual aspect of robot in positioning . Data acquisition is to convert the analog signal to digital signal for calculation and processing of computer, the scope of its application is more and more widely now.In sound source localization system, the sampling frequency, synchronization and transmission rate of data acquisition have a great influence on the sound sampling, which will affect the positioning precision and accuracy. A high sampling frequency, convenient interface, high transmission speed of the synchronous data acquisition system can effectively improve the precision and accuracy of the positioning system, which also can be applied to other areas. Combined the performance advantages of USB2.0 and FPGA, this paper proposes a design method of four channel high speed synchronous acquisition system. Based on the function requirement of the system, this paper mainly completed the hardware design and software development.Hardware mainly consists of three parts: the analog-to-digital conversion module, FPGA module and USB module. We choose FPGA of Altera Corporation as the control core, the AD9219 AD converter of AD Company, CY7C68013 USB control chip of the Cypress Company to complete hardware design, and use Altium Designer software design and draw the 4 layers PCB. System software development includes the FPGA control logic program, USB firmware development and writing of the application user interface.In sequential digital logic
By Zheng Yun
Supervisor: Prof. Yang Peng
March 2 0 1 3
河北工业大学硕士学位论文
声源定位系统中四通道高速同步采集的设计和实现
摘 要
听觉系统是人类感官的重要组成部分，随着数字信号处理技术、声电技术以及机器人 智能技术的快速发展，声源定位技术已经成为机器人研究领域的重要研究对象。声音具有 衍射的特性，能有效的绕过障碍物到达目标，所以可以弥补机器人通过视觉方面进行定位 的局限性。 数据采集就是把模拟信号转换成数字信号以供计算机进行计算处理，目前它的应用范 围越来越广泛。在声源定位系统中，数据采集的采样频率、同步性、传输速率都对声音的 采样有很大影响，从而影响定位的精度和准度。研究一种采样频率高、接口通用方便、传 输速度高的同步数据采集系统可以有效的提高定位系统的精度和准确度，同时也可以应用 于其他领域。 结合 USB2.0 和 FPGA 的性能优势，本文提出一种四通道高速同步采集系统的设计方 法。根据系统的功能要求，本文主要完成硬件设计和软件开发。硬件主要由模数转换模块、 FPGA 控制模块和 USB 接口模块三部分组成。选用 Altera 公司的 FPGA 为控制核心、AD 公司的 AD9219 模数转换器、Cypress 公司的 CY7C68013 USB 控制芯片等完成硬件设计， 使用 Altium Designer 软件设计绘制了四层电路板。 软件开发包括 FPGA 控制逻辑编程、 USB 固件开发和用户应用界面编写。在时序数字逻辑设计中，通过使用 FPGA 中丰富的资源， 如锁相环 PLL、双口 RAM、移位寄存器等，完成对系统时钟的精确控制以及实现与 USB 接口的高速数据传输。使用 LabVIEW 软件编写用户应用界面，直接调用通用 USB 驱动程 序完成主机与设备之间的通信，最后实现在上位机中对采集系统的控制。 关键词：数据采集，USB，FPGA，声源定位，LabVIEW
第二章 机器人定位系统及声源定位系统实验平台搭建........................................... 7
2013 年 3 月
Thesis Subm itted to Hebei University of Technology For The Master Degree of Control Engineering
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF FOUR CHANNELS HIGH SPEED SYNCHRONOUS SAMPLING IN SOUND SOURCE LOCALIZATION SYSTEM
§ 1-1 研究背景及意义 ................................................................................................................. 1 § 1-2 国内外的发展现状.............................................................................................................. 1 1-2-1 声源定位发展概况...................................................................................................... 1 1-2-2 数据采集系统发展现况............................................................................................... 3 1-2-3 FPGA 的发展趋势 ........................................................ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.............................................. 4 1-2-4 USB 接口技术的发展概况 ........................................................................................... 5 § 1-3 本文研究内容..................................................................................................................... 6 § 1-4 本章小结............................................................................................................................ 6