通常，廣泛的工業市場的需求並非像存儲、服務器或通信應用所要求的那麼性能導向或複雜。對於所有圍繞工業物聯網(IoT)shichangdechaozuo，womenbingbuqingchugongchengshiruheliyongxianyoudejishulaishixianqiqianneng。zaigongyeshichangshangkeyikanjianderiyizengchangdeyigelizijiushiyinpindechuli。tongguojieheyinpinchuliqidegongnengheFPGA器件的靈活性

，能夠支持許多創新應用。

 

音頻處理器名副其實是經優化處理聲音的處理器。它通常利用基於ARM或RTOS友善的處理器架構
，具有數字至模擬轉換器(DAC)等硬件、多個數字麥克風輸入、優化用於聲譜的硬件加速器，以及I2S或 SPI接口。音頻處理器通常與軟件或固件綁定，經設計執行某些回聲消除或降噪功能。

 

FPGA器件使用基於柵級的架構
，適用於並行模式下的信號處理。它還具有內部存儲器
、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，因為它們具有四核、A級ARM處理器，但是，當FPGA器件與音頻處理器配對使用時

，這種級別的性能並非必需。音頻處理器的理想配對是通用而靈活的FPGA器件，或者集成了ARM Cortex-M3等微控製器的FPGA器件。結合音頻處理器和這類FPGA器件，無論是否帶有Cortex-M3，也能夠實現理想的分工，用於獨特的工業通信和控製應用中的許多任務。

 

 

在zai使shi用yong兩liang個ge麥mai克ke風feng時shi，音yin頻pin處chu理li器qi能neng夠gou執zhi行xing一yi項xiang有you趣qu的de功gong能neng，就jiu是shi音yin頻pin檢jian測ce，例li如ru
，在zai音yin頻pin處chu理li器qi中zhong使shi用yong合he適shi的de固gu件jian，該gai器qi件jian便bian能neng夠gou確que定ding與yu聲sheng音yin位wei置zhi相xiang關guan的de角jiao度du信xin息xi。如ru果guo在zai器qi件jian的de前qian部bu聽ting到dao語yu音yin或huo聲sheng音yin(例如在向北的方向)
，這將被處理成“90度”。如果聲音來自東北方向
，音頻處理器則輸出“45度”。此外，固件可以在兩個麥克風的前部虛擬一道光束，並忽略光束以外的噪聲源。通過利用FPGA器件

，光束可以導引在感興趣的聲音源的方向上。

 

這類監控攝像頭包括以下主要組件，如圖1所示：

 

 

 

這類智能攝像頭能夠更專注聲音起源處的圖像

，FPGA器件還可以用於橋接基於PCIe的高速Wi-Fi 模(mo)塊(kuai)以(yi)串(chuan)行(xing)方(fang)式(shi)傳(chuan)送(song)這(zhe)些(xie)圖(tu)像(xiang)
，或(huo)者(zhe)，它(ta)可(ke)以(yi)觸(chu)發(fa)某(mou)些(xie)報(bao)警(jing)或(huo)警(jing)示(shi)功(gong)能(neng)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)還(hai)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)引(yin)導(dao)攝(she)像(xiang)頭(tou)和(he)監(jian)聽(ting)麥(mai)克(ke)風(feng)來(lai)優(you)化(hua)視(shi)頻(pin)會(hui)議(yi)單(dan)元(yuan)的(de)性(xing)能(neng)。在(zai)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)波(bo)束(shu)來(lai)監(jian)聽(ting)誰(shui)在(zai)發(fa)言(yan)


，音(yin)頻(pin)處(chu)理(li)器(qi)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)聲(sheng)音(yin)的(de)來(lai)源(yuan)。波(bo)束(shu)在(zai)FPGA器件的控製之下，將會轉向發言的人，而不是將攝像頭朝向聲音。

 

 

FPGA器件與音頻處理器共同實現的另一種獨特工業 IoT應用是維修、診斷和故障預防(圖2)。想像你擁有足夠敏銳的聽力，知道馬達或其它移動組件正在變弱並即將發生故障。工業IoT的相關示例包括電梯馬達或鑽頭。通過使用處理器和FPGA器件了解變弱馬達或鑽頭的聲音曲線，並且監控這種音頻標記
，可以防止產品故障和停機時間。

 

 

為(wei)了(le)實(shi)施(shi)這(zhe)類(lei)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，要(yao)把(ba)聲(sheng)音(yin)曲(qu)線(xian)固(gu)件(jian)插(cha)入(ru)在(zai)音(yin)頻(pin)處(chu)理(li)器(qi)中(zhong)，以(yi)監(jian)控(kong)與(yu)故(gu)障(zhang)相(xiang)關(guan)的(de)音(yin)頻(pin)標(biao)記(ji)。對(dui)於(yu)馬(ma)達(da)應(ying)用(yong)，這(zhe)項(xiang)標(biao)記(ji)可(ke)能(neng)是(shi)軸(zhou)承(cheng)開(kai)始(shi)崩(beng)潰(kui)的(de)聲(sheng)音(yin)，或(huo)者(zhe)隨(sui)著(zhe)鑽(zuan)頭(tou)變(bian)鈍(dun)和(he)越(yue)來(lai)越(yue)吃(chi)力(li)地(di)工(gong)作(zuo)，鑽(zuan)頭(tou)的(de)音(yin)頻(pin)曲(qu)線(xian)改(gai)變(bian)至(zhi)較(jiao)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)聲(sheng)音(yin)。由(you)於(yu)聲(sheng)音(yin)曲(qu)線(xian)駐(zhu)留(liu)在(zai)音(yin)頻(pin)處(chu)理(li)器(qi)中(zhong)，然(ran)後(hou)這(zhe)款(kuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)便(bian)可(ke)以(yi)監(jian)聽(ting)並(bing)連(lian)續(xu)匹(pi)配(pei)聲(sheng)音(yin)和(he)存(cun)儲(chu)的(de)故(gu)障(zhang)曲(qu)線(xian)。同(tong)時(shi)，FPGA器件與音頻處理器通話，並與網絡或某些其它外設通信
，以傳遞這種狀態。如果FPGA器件包括ARM Cortex-M3，便可運行輕量TCP/IP堆棧

，並且在以太網上或通過無線標準發送信息。當然
，它也可以利用其它獨特的通信功能，比如CAN總線
、USB或專有協議。

 

當音頻處理器檢測到弱化狀況的聲音曲線特性時，便向FPGA器件發送信號
，而後將這個信息在網絡上發放。通過在早期捕捉失效狀況
，FPGA器件還可以通過編程
，以係統覆蓋(system override)的形式觸發響應。以電梯為示例
，FPGA器qi件jian可ke以yi一yi直zhi等deng待dai，直zhi到dao確que定ding電dian梯ti安an全quan到dao達da地di麵mian層ceng
，而er且qie每mei個ge人ren都dou走zou出chu去qu了le，然ran後hou才cai與yu中zhong央yang控kong製zhi係xi統tong通tong信xin，使shi得de電dian梯ti停ting止zhi服fu務wu。其qi它ta示shi例li包bao括kuo汽qi車che電dian動dong馬ma達da、流量管線，以及其它工業IoT應用。如果聲音曲線被很好地了解，這種方法甚至可用於觸發維修呼叫，從而顯著縮短停機時間。

 

 

配對音頻處理器和FPGA器件的解決方案
，還可以用於最適合在本地實施音頻存儲和回溯的應用場合。這包括了保護加密音頻或家居自動化應用。

 

在這些示例中，音頻處理器接收語音或聲音
，並且經由I2S總線將其傳送至FPGA器件，FPGA器件將數據格式化，存儲在SPI快閃或其它非易失性存儲器中。這項設計還允許通過FPGA器件至音頻處理器，從SPI快閃進行播放。這類設計的其它選項包括用於安全應用的加密和解密音頻。FPGA器件能夠推動通信以作為替代，使得係統可從遠程提供音頻。

 

最近
，艾睿電子設計了一個硬件套件來演示音頻處理器和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存儲器，以及USB和以太網接口。此外

，通過利用Arduino盾連接器組和PMOD接口，還可以增添多種外設選項。

 

 

艾睿設計了用於這款套件的完整HDL和C代碼參考設計，允許儲存多達四個不同的音頻記錄
，並且支持回放控製。用於Timberwolf音頻處理器和HDL的固件和用於FPGA器件的C代碼為探索結合音頻處理器和FPGA的解決方案提供了起點。

 

使用音頻處理器和FPGA器件組合可以理想地實施多種獨特和引人注目的應用，音頻處理器執行檢測或監聽事件的任務

，而FPGA器件用於提供定製響應。當然，附加的FPGA邏輯還允許實現定製功能或其它邏輯需求，比如橋接、硬件加速或協議通信
，所有這些可以通過可用的硬件解決方案、參考設計和音頻軟件來探索實施。