На плате акустического датчика установлен стабилизатор напряжения на 2,3 В, от которого питаются все активные элементы. В среднем, в рабочем режиме устройство потребляет не более 5 мА.
Потребление акустического датчика в рабочем режиме зависит от громкости звука на входе микрофона. В таблице 1 показано типичное потребление платы акустического датчика в зависимости от уровня внешнего звукового давления (SPL).
Таблица 2. Зависимость потребления платы акустического датчика от уровня внешнего звукового давления
|
SPL, дБ |
45-50 |
55 |
60 |
75 |
85 |
|
|
Среднее потребление платы, мА |
4,1…4,2 |
4,2…4,3 |
4,3…4,4 |
4,4…4,5 |
5,2…5,7 |
Основной вклад в энергопотребление акустического датчика вносит микроконтроллер STM32, который осуществляет сжатие речевого сигнала. Сжатие речи осуществляется программным образом отрезками (кадрами) по 20 мс. Процедура сжатия требует выполнения определенного количества операций микроконтроллера, которое не зависит от его тактовой частоты. Однако при уменьшении частоты работы микроконтроллера можно уменьшить напряжение питания и, тем самым, уменьшить его потребление. На разработанной плате напряжение питания микроконтроллера составляет 2,3 В, что близко к минимуму при работе на частоте 4 МГц. Время работы алгоритма сжатия 20-мс кадра - около 13 мс, что оставляет достаточно времени как для дальнейшей обработки сжатых речевых данных (например, шифрования), так и для передачи их на приемное устройство.
Как говорилось выше, каждые 20 мс акустический датчик оцифровывает и сжимает фрагмент звукового сигнала, в результате чего получается блок данных размером 160 байт, к которому добавляются биты данных о начальных условиях, далее этот пакет передаётся по интерфейсу UART с платы акустического датчика на плату передатчика кодированного звукового сигнала.
Логика работы микроконтроллера
При разработке алгоритма ПАДИКМ для датчика за основу была взята версия алгоритма АДИКМ, предложенная ассоциацией IMA (Interactive Multimedia Association) [4]. Особенностью этой версии является то, что она предназначена для маломощных устройств, оснащенных недорогими микропроцессорами, таких, как переносные гаджеты, различные мультимедийные устройства, игрушки и т.д. Данная версия АДИКМ при достаточно высоком качестве кодирования речи отличается простотой и невысокими требованиями к вычислительным ресурсам.
Рис. 5. Цикл работы акустического датчика, осуществляющего сжатие аудиоданных по алгоритму ПАДИКМ.
Временная диаграмма работы алгоритма ПАДИКМ на микроконтроллере STM32 приведена на рис. 5. Обработка речевого сигнала на разработанной плате акустического датчика осуществляется следующим образом.
Съем звуковых данных происходит через интерфейс SPI с АЦП. Считывание данных c АЦП в микроконтроллер запускается по срабатыванию таймера каждые 62.5 мкс (16 кГц).
Используемому АЦП необходимо минимум 22 такта для 16-битового преобразования напряжения на микрофоне. По этой причине снятие одного значения АЦП осуществляется путем получения 3 байт данных (24 такта). Запись снятых аудиоданных происходит в циклический буфер.
Обработка речи осуществляется 20-мс фреймами (кадрами). Объем данных при этом составляет: 0,02 с ? 16 кГц = 320 отсчетов, объем фрейма 16-битных данных - 640 байт. Сжатие методом ПАДИКМ уменьшает объем данных для передачи в 4 раза до 640/4 = 160 байт.
Сохранение сжатых данных происходит в циклический буфер отправки, куда так же добавляются 3 байта, содержащие начальные условия для декодера.
Цикличность аудио-буфера и буфера отправки реализована двумя (для каждого буфера) переменными-указателями записи и чтения.
Отправка сжатых данных из циклического буфера отправки в буфер микроконтроллера приемопередатчика осуществляется побайтно со скоростью 250 кбит/с по универсальному порту UART.
Выводы
В работе предложено и реализовано программно-аппаратное решение для акустического датчика с низким энергопотреблением, работающего в составе беспроводной сенсорной сети на основе СШП хаотических радиоимпульсов.
Низкое энергопотребление датчика обеспечивается за счет использования малопотребляющих электронных компонентов и нового метода сжатия звука ПАДИКМ, устойчивого к потере блоков данных при пакетной передаче информации в беспроводных сетях.
Литература
1. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Панас А.И., Старков С.О. // РЭ. 2001. Т. 46. №2. С. 224.
2. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В. и др. // РЭ. 2008. Т. 53. №10. С. 1278.
3. [Электронный ресурс]: сайт Международного союза электросвязи. URL: http://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.722.1-200505-I!!SOFT-ZST-E&type=items
4. Recommended Practices for Enchancing Digital Audio Compatibility in Audio Systrms. // [Электронный ресурс] . URL: http://www.phatcode.net/res/222/files/ima_adpcm.pdf
5. Голуб В.С. Сигма-дельта-модуляторы и АЦП // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №4, 2003, с. 35.
6. Финнеран М.Ф. // Электронные компоненты. 2008. №11. С.83.