一種低成本聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊遠(yuǎn)文，張子煜，李勁柯，劉會(huì)衡（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

在日常生活中，對(duì)于聲源的利用已經(jīng)十分普遍，在某些專業(yè)領(lǐng)域已有了十分廣泛的應(yīng)用。例如，“吃雞”游戲通過(guò)游玩者對(duì)敵方腳步聲音的判斷來(lái)識(shí)別敵方所位于的方向以及距離；唐朝著名詩(shī)人賀知章筆下膾炙人口的詩(shī)句：“少小離家老大回，鄉(xiāng)音無(wú)改鬢毛衰。”這些都是人們對(duì)聲源信號(hào)信息的相關(guān)利用。如今，利用帶有聲源定位系統(tǒng)的電子設(shè)備以及相關(guān)的聲音采集裝置，可以增強(qiáng)目標(biāo)源的聲源質(zhì)量，削減非目標(biāo)源以及環(huán)境噪聲，可以達(dá)到傳統(tǒng)濾波法難以達(dá)到的濾波效果，可以實(shí)現(xiàn)高保真語(yǔ)音通訊。目前，市面上的成熟的關(guān)于聲源定位的解決方案主要依靠于十分復(fù)雜的算法和高性能的CPU或是昂貴的DSP實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于精度要求相對(duì)較低，成本限制的解決方案寥寥無(wú)幾。基于此，設(shè)計(jì)了一款低成本的聲源定位系統(tǒng)。

1 聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)以基于Cotex-m4內(nèi)核的STM32F4系列單片機(jī)為核心控制單元，連接著輸入，顯示，輸出等各個(gè)模塊。利用STM32F4單片機(jī)16bit高精度ADC實(shí)時(shí)采集目標(biāo)源的原始聲源信號(hào)，再利用內(nèi)部高速DMA通道傳輸 ，開啟FPU后計(jì)算目標(biāo)聲源的方位以及距離，得到的結(jié)果實(shí)時(shí)的顯示在彩色屏幕上讓用戶對(duì)當(dāng)前方位一目了然，同時(shí)配合特定的通訊協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)儀器與PC機(jī)或是其他一些單片機(jī)或處理器進(jìn)行有效通訊。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 核心處理器電路

核心處理器電路如圖2所示，它由STM32F4及其外圍電路組成。STM32F4單片機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 系統(tǒng)框圖

(1)主頻高達(dá)168MHz，能夠很容易且快速的計(jì)算出結(jié)果；

(2)擁有大容量存儲(chǔ)空間，能夠存儲(chǔ)豐富的數(shù)據(jù)量；

(3)擁有豐富的外設(shè)資源如IIC總線，DMA，16bit高精度ADC等；

(4)成本低廉，相對(duì)于CPU和DSP成本極為低廉；

(5)I/O豐富，支持拓展許多外設(shè)模塊。

選擇使用STM32F4系列單片機(jī)，在不僅價(jià)格上十分低廉，有利于將該模塊應(yīng)用到對(duì)成本敏感的產(chǎn)品上。而且，片上集成的Cotex-m4內(nèi)核和FPU高精度計(jì)算單元對(duì)數(shù)據(jù)的處理及時(shí)且有效。所以，本系統(tǒng)使用STM32F4單片機(jī)的性價(jià)比是非常高的，既能夠滿足數(shù)據(jù)采集的需求，又可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速處理，對(duì)于控制成本是十分有利的。

圖2 核心處理器電路

■2.2 麥克風(fēng)模塊

麥克風(fēng)模塊如圖3所示，選用的是MAX9814芯片。MAX9814包含低噪聲放大器、輸出放大器、麥克風(fēng)偏置電壓發(fā)生器和自動(dòng)增益控制(AGC)等內(nèi)部電路。麥克風(fēng)放大器的總增益可選擇40dB、50dB或60dB而無(wú)壓縮。MAX9814利用壓縮/限幅電路將麥克風(fēng)輸出限制為設(shè)定電壓。

圖3 麥克風(fēng)模塊

該模塊具有以下特點(diǎn)：

(1)自動(dòng)增益控制(AGC)；

(2)3種增益設(shè)置(40dB、50dB、60dB)；

(3)低THD：0.04% (典型值可編程動(dòng)作和釋放時(shí)間比；

(4)2.7V至5.5V電源電壓范圍；

(5)低輸入噪聲密度30nV/。

使用MAX9814相比于常規(guī)的晶體管放大電路而言，在價(jià)格上并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是其帶來(lái)的性能提升是常規(guī)晶體管放大電路無(wú)法比擬的，對(duì)于微弱且不穩(wěn)定的聲源信號(hào)，采用包含低噪聲放大器、輸出放大器、麥克風(fēng)偏置電壓發(fā)生器和自動(dòng)增益控制的IC是十分有必要的。

■2.3 顯示模塊

顯示模塊電路如圖4所示，本設(shè)計(jì)使用中景園所生產(chǎn)的0.96寸160×80分辨率TFT彩屏，該顯示屏顏色豐富細(xì)膩，分辨率高，顯示字體清晰，價(jià)格低廉。

圖4 顯示模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。程序執(zhí)行的流程主要分為三部分，第一部分是單片機(jī)片上外設(shè)的初始化，第二部分是對(duì)采集的信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理，第三部分是結(jié)果顯示以及數(shù)值的輸出。

圖5 程序流程圖

主要工作流程如下：初始化單片機(jī)ADC外設(shè)，使其以固定的速率采集聲源信號(hào)；開啟初始化單片機(jī)DMA外設(shè)，使其工作在循環(huán)模式；初始化單片機(jī)SPI外設(shè)，使其工作在主機(jī)模式，初始化TFT彩屏模塊，顯示初始化界面；ADC啟動(dòng)采集信號(hào)樣本通過(guò)高速DMA搬運(yùn)至待處理區(qū)，處理器接收到DMA完成標(biāo)志后，啟動(dòng)聲源信號(hào)處理函數(shù)對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行處理，完成后在屏幕上顯示并將結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。

其中，單片機(jī)片上外設(shè)初始化代碼部分如下：

ADC_HandleTypeDef hadc1;

ADC_HandleTypeDef hadc2;

DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;

SPI_HandleTypeDef hspi1;

extern float voice[522];

void SystemClock_Config(void);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

HAL_Init();//hal庫(kù)初始化

SystemClock_Config();

//系統(tǒng)時(shí)鐘初始化168M

//多通道ADC初始化

hadc1.Instance = ADC1;

hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;

hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;

hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;

hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;

hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;

hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;

hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;

hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;

hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;

hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;

hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;

HAL_ADC_Init(&hadc1);//設(shè)置DMA通道

Config.Channel = ADC_CHANNEL_0;

sConfig.Rank = 1;

sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;

HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream0_IRQn, 0, 0);

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本聲源定位系統(tǒng)，能夠以較低成本完成聲源方位的確認(rèn)。用戶使用操作簡(jiǎn)單，效果明顯。配合相關(guān)協(xié)議，用戶可以輕松的集成到相關(guān)項(xiàng)目中，具有很好的兼容性和二次開發(fā)性。本設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)復(fù)雜昂貴的現(xiàn)狀，將會(huì)有很大的市場(chǎng)前景。