基于STM32 的聲源檢測系統設計

高宇軒，蔡雨如，喻袁兵，李志明

（南京鐵道職業技術學院，江蘇南京，210031）

0 引言

近年來，隨著自然環境的惡劣變化，自然災害頻發，地理環境的復雜程度加大了自然災害救援的難度，往往被覆蓋物掩埋導致救援目標難以被發現，普通無線通訊設備信號難以傳播，救援隊的搜救工作難以進行。為了讓救援隊對搜救目標進行準確定位，提高救援效率。本文設計了一款基于STM32F103ZET6 的聲源檢測系統的裝置。聲源定位作為一種傳統的偵察手段，近年來通過采用新技術，提高了性能，滿足了現代化的需要，其主要特點是：

(1)便攜式系統。系統由一個小單片機系統外加一個聲音傳感器陣列組成，方便室外救援和作業，并且聲源不受視線限制。該聲源定位系統可以定位障礙物后面的聲源。

(2)造價便宜。聲測系統不受電磁波干擾也不會被無線電測向及定位，工作隱蔽性較強。

(3)系統適應惡劣條件，能全天候工作，不受能見度限制。聲測系統可以在白天，夜晚、霧霾天和雨雪天工作，具有全天候系統正常運行的特點。

1 系統理論方法分析

通過引入一個加權函數，基于廣義互相關函數的時延估計算法可以有效地調整互功率譜密度，從而提升其性能，達到更優的結果。通過改進GCC-PHAT 函數，我們可以實現多種不同的廣義互相關函數，從而提高系統的效率和準確性。根據研究結果，當GCC-PHAT 函數的最大值較大時，麥克風的接收信號更加可靠，從而提升了接收信號的質量。GCC-PHAT 技術具有出色的抑制噪音和抑制振動的能力。

通過分析兩個麥克風之間的相關性，我們可以使用廣義互相關函數來估計它們之間的時延。在聲源定位系統中，麥克風陣列的每個陣元接收到的目標信號都來自同一個聲源。因此，各通道信號之間具有較強的相關性。理想情況下，通過計算每兩路信號之間的相關函數，就可以確定兩個麥克風觀測信號之間的時延。

陣列中兩個麥克風的接收信號為：

其中s(t)為聲源信號，n1(t)和n2(t)為環境產生的噪聲，τ1和τ2是聲源信號到兩個麥克風陣元的傳播時間。相關參數如圖1 所示。

互相關算法經常被用來做時延估計，表示為：

代入信號模型，因為s(t)和n1(t)互不相關，則可以簡化為：

其中τ12=τ1-τ2，假設n1和n2是互不相關的高斯白噪聲，則上式可以進一步簡化為：

2 系統工作原理

本系統主要由STM32F103ZET6 單片機系統板、聲源模塊、變壓模塊、穩壓模塊、精密整流模塊、麥克風傳感器、4×4 矩陣鍵盤、LCD 顯示屏等部分組成。由選手使用矩陣鍵盤發出調試信號，通過麥克風傳感器檢測聲源變化并向單片機發送數據，單片機開始運算分析，最終使得聲源指示控制裝置運行并顯示在LCD 液晶顯示屏和遠程云計算平臺，如圖2 所示。

圖2 聲源定位跟蹤系統框圖

3 核心部件電路設計

■3.1 關鍵器件性能分析

（1)控制單位情況：STM32 是一款采用ARMCortex-M332bit 微控制器、48 路LQFP 封裝的中等密度性能線，它結合了運行頻率可達72MHz 的高性能RISC 核心，以及強化輸入/輸出和外接到兩個APB 總線的高速內嵌存儲器。擁有12 位模數轉換器、計時器、PWM 計時器、標準和高級通信接口等，一套全面的省電模式讓設計人員能夠設計出低功耗的應用程序，系統板件本身也更加小巧。

（2)麥克風傳感器：采用 LM386 芯片，工作電壓4～12V 或 5～18V，傳感器為使外圍元件最少，電壓增益內置為 20。但在1、8 足間加一外接電阻及電容，則電壓增益調至任意值為200即可。輸入端以地為參照物，而輸出端則自動偏置到電源電壓的一半，其靜態功耗只有24mW，處于6V 電源電壓下。

■3.2 核心電路設計

該峰值檢測電路，當Vin>Vout時，就輸出接近正電源軌的電壓；當Vin

圖3 峰值檢測電路原理圖

■3.3 技術方案分析比較

（1)聲源定位原理

方案一：AOA 定位原理，全稱Angle of Arrival 的縮寫。其基本的原理是：設備在AOA 定位角中，節點通過接收來自聲波的接收機發送的信號，運用數據計算節點間對應的角度和方位，然后運用算法就可以得出它的具體坐標。接收節點排列成一定形狀的麥克風陣列，通過響應發射信號的到達來分析出角度等信息。但其有多徑效應帶來的影響，發送的信號因為直射波和反射波的重疊導致的多徑效應引起信號的衰落，對傳感器要求更高，或者對工作環境要求更高，應用成本便會加大。參考應用環境，故不適用。

方案二：基于TDOA 聲源定位原理，接收節點的麥克風模塊檢測在接收到專門的偽噪聲序列信號后，去根據它的聲波信號傳播時間與速度來算出前面發送節點和后面接收節點的間距。通過運算得出它離周邊這些節點的具體距離后，就可以利用三邊測量算法或者極大似然估計算法算出自身的位置。TOA 通過測量它收到的信號在傳輸過程中需要的時間，然后根據信號的特性轉變為距離，去根據距離定位。TOA 定位至少要三個基站的信號，得到互相的距離，才能算出被測設備的位置坐標。大多數聲源定位是基于到達時間差的方法，提高對到達時間差估計的準確程度是這種方法的關鍵。

基于以上分析，選擇方案二，采用基于TDOA 聲源定位原理。

（2)麥克風傳感器

方案一：LM1875，LM1875 是音頻功放電路，內置有多種保護電路。LM1875 采用TO-220 封裝結構，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大、失真小等特點。該集成電路內部設有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護。

方案二：LM386，LM386 是一種音頻集成功率放大器，具有低功耗、內鏈增益可調整、電源電壓可調范圍大、待機電流很小，僅為4mA、外接元件少和總諧波失真小等優點。在 1 腳和 8 腳之間只需要增加一外接電阻和電容，便可進行電壓增益調整（200 以內)。

結合產品需要，LM386 低功耗、外接元器件少，電壓增益可調（200 以內)，所以最終選擇方案二。

（3)顯示模塊

方案一：采用數碼管顯示，數碼管具有其成本低，亮度高，精確度較高等優點，對于單純顯示數字的電路應用較多，但數碼管與單片機連接時，需要外接鎖存器進行數據鎖存，使用三極管進行驅動等，電路連接相對比較復雜。此外，數碼管只能顯示少數的幾個字符，不適合顯示文字與波形，編寫顯示數字程序比較簡單。

方案二：采用LCD 進行顯示，LCD12864B 液晶顯示屏，自帶中文字庫，不但能顯示字符和數字，而且顯示效果較好，容易實現編程。此外LCD 還具有功耗較低、無輻射危險、分辨率高，平面直角顯示以及影像穩定，抗干擾能力較強，顯示內容多且清晰等特點。并且，液晶顯示器與單片機可直接相連，電路設計及連接簡單。

基于以上分析，由于該系統需要顯示文字、數字與字符，采用方案二，選擇液晶LCD12864B 進行顯示。

（4)角度傳感器的選擇

方案一：采用MPU6050 角度傳感器。MPU6050 角度傳感器可準確追蹤快速與慢速動作，集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3 軸MEMS 加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP，測量角度范圍較廣，工作環境穩定。

方案二：采用WOA-B/WOA-C 系列霍爾角度傳感器，無接觸，無噪聲，靈敏度高，但開關量精度不高，高頻響應特性好。

經綜合考慮，最終選擇方案一。

4 系統軟件設計分析

系統上電后進行初始化。調用矩陣按鍵子程序，判斷定位測距模式選擇鍵是否被按下。如果選擇鍵按下，則啟動追蹤定位測距模式，檢測音頻信號，判斷是否接收完音頻信號，如果接收完音頻信號，系統將通過時間差計算聲源的距離、夾角及反應時間，在LCD 上顯示數據。聲源定位跟蹤系統總體工作流程圖，如圖4 所示。

圖4 聲源定位跟蹤系統總體工作流程圖

單片機進行雙曲線交叉定位法判斷出時間差，實時檢測定位聲源的位置信息。雙曲線交叉算法如圖5、圖6 所示。

圖5 雙曲線交叉定位

圖6 雙曲線交叉定位

假設三個傳感器A,B,C 位于同一直線，兩兩間隔0.5m，故以此建立坐標系 A(-50，0)，B（0，0)，C(50，0)，待測聲源位于P(x，y)處。則AP-BP=a，BP-CP=b，當A，B 固定，滿足|AP-BP|為定值的所有P 點的集合為一組雙曲線，P 為兩條雙曲線的支點，可以直接寫出雙曲線表達式：

方程聯立：由①得：

直接求得x=0，求根得出x1 和x2 兩個數值。當a<0，判斷聲源在左側，則x=x1，當b>0，聲源在右側，x=x2，當a ≥0 且b ≤0，聲源位于中間，x 為x1 和x2 中最小值，代回原方程求解出y，從而確定聲源位置。

5 性能測試

當聲源定位跟蹤系統的硬件和軟件設計完成后，需要對系統進行性能測試，繼而判定該系統的設計是否合理?？紤]到該系統的實際運用狀態，故從不同角度和距離進行測試。具體的距離γ 及夾角θ 的聲源性能測試結果，如表1 所示。

表1 聲源距離γ及夾角θ的性能測試數據

由表1 所示的聲源性能測試結果可知，該系統的運行工作狀態良好。整個系統按照控制指令正常運行，且響應速度較快，精度較高，滿足實際運用的需要。綜上所述，該聲源定位跟蹤系統的結構布局比較合理，性能測試結果良好，達到了預期的設計要求。

6 結論

在聲源檢測系統的設計中，以STM32 為主控板，將各模塊合成一個完整的系統。通過對聲源檢測系統軟、硬件的設計、性能測試等階段，驗證了該聲源檢測系統具有良好的定位跟蹤效果，同時也佐證了該控制系統的結構合理性。下一步工作，在此基礎上增加外設模塊，擴展出其他功能，將對該產品開展進一步的優化設計，應用在機械系統的運行狀態監測和故障診斷，一個可靠的機械運行診斷系統，需要在持續不斷工作的機器上，從每個可能出現故障的部件中獲得有用的數據。通常聲源定位技術，作為虛擬傳感工具來測量機械振動聲學信息。滿足更多多元化的用戶需求。