基于麥克風陣列的聲源定位產品設計

郭志文 孫燕斌 余方能 張梅林 楊鯨會 黃裕滿

摘? 要：基于麥克風陣列的聲源定位產品以STC89C52為核心處理器，通過麥克風陣列模塊獲取聲源信號，通過放大、濾波和整形導入處理模塊，最終通過TDOA定位法計算出聲源空間位置，控制攝像頭拍攝并通過1602LCD顯示聲源位置。

關鍵字：麥克風陣列;TDOA定位算法

引言：隨著科技的發展，智能化設備已經廣泛的用于災區搜救、違章鳴笛抓拍和考場監考之中。但是目前國內沒有任何一款產品可以同時一次性解決這三類問題，而我們團隊自主研發的智能聲源定位產品就可以輕易的達到這個目的。本文以自主研發的聲源定位產品為對象，基于TDOA定位算法算出聲源空間位置，實現該產品實時拍攝與實時定位的功能。

一、系統整體設計方案

系統使用MAX9814高性能麥克風組成的麥克風矩陣獲取聲源信號，這些聲源信號通過放大、濾波、整形等步驟處理后傳給單片機STC89C52。單片機經過相關計算與TDOA定位算法，得出聲源的空間位置，隨后根據該位置控制攝像頭轉動并通過1602LCD顯示聲源的位置坐標。

二、系統硬件設計

1.電源模塊

電源由穩壓部分、濾波部分、變壓部分構成。提供給整個系統±12V或者±5V的電壓，保證電路的工作正常。由于電路較為簡單，采用三端穩壓管即可實現，故不做過多概述。

2.攝像頭模塊

攝像頭模塊選用RISYM攝像頭。根據本產品的需求，我們使用的攝像頭模塊須具備以下兩點功能：其一是具有能夠靈活運動的舵機，來應對各種工作環境下的工作視角;其二是具備可添加識別等模塊的功能，因為本項目的設計初衷需要攝像模塊具備識別、跟蹤、定位等多項功能。而該種類攝像頭正是具備上述兩點功能。

3.顯示模塊

選用1602LCD作為顯示模塊，它是一種應用于數字、字母、符號等顯示的點陣型晶體模塊。可以顯示兩行，每行可顯示16個字，具備本產品顯示功能的基本需求，保證了坐標的完整顯示。

4.信息處理模塊

選用單片機STC89C52作為信息處理模塊。STC89C52是一種功耗低、性能強的CMOS8位微控制器，具有8字節的系統可編程Flash存儲器，STC89C52雖然使用經典的MCS-51內核，但是卻在其基礎之上做了許多改進，例如在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash。STC89C52具有的標準功能有：256字節RAM，8k字節Flash，32位的I/O口線，三位16位的定時器、計數器，全雙工串口，時鐘電路及片內晶振等等。另外在STC89C52進行靜態邏輯操作時，有空閑和掉電保護這兩種模式。在第一個模式中，CPU停止工作，允許定時器/計數器、串口、RAM、中斷繼續工作，而在第二種模式之中，振蕩器被停止，RAM被保存，直到硬件復位或下一個中斷復位為止，單片機停止一切工作。保證了數據的接收、處理與發送等功能的正常運作。

5.麥克風陣列技術

選用全向麥克風作為信息收集模塊。所謂的全向麥克風就是一種采集聲音的裝置，該裝置運用多個麥克風的特定排列與相應算法的應用，就可以采集在不同空間方向上傳播的聲音。與單向、雙向、心型麥克風相比，全向麥克風可以在一定范圍內接收來自空間中任意方向上的聲音，完美的契合了本產品在相關應用場景中的需求。

三、系統軟件設計

TDOA定位算法

基于麥克風陣列的到達時間差技術，該方法首先利用數據處理模塊接收并處理來自麥克風陣列所收集的聲源信號，根據定時器的定時功能得到聲源信號到達空間不同位置麥克風的時間，再利用該時間差求得聲源信號達到不同位置麥克風的距離差，最后用再利用相關算法確定聲源信號的空間位置。

基于時間差的定位原理

三、結語

本文介紹了一種基于麥克風陣列的聲源定位產品。改產品通過放大、濾波、整形等步驟處理后傳給單片機STC89C52。單片機經過相關計算與TDOA定位算法，得出聲源的空間位置，隨后根據該位置控制攝像頭轉動并通過1602LCD顯示聲源的位置坐標。最終實現災區搜救、違章鳴笛抓拍和考場監考這三個問題的解決。

參考文獻

[1]屈順彪，俞華，蘆竹茂，申沖，韓鈺，王晨光.面向聲源定位的改進廣義互相關時延估計方法[J].導航定位與授時，2021，8（06）：118-124.

[2]張源.面向聲學照相的陣列信號參數估計算法研究[D].導師：武岳.四川大學，2021.