《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
韓文革,蘇淑靖,薛彥杰
中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051
摘要: 為了優(yōu)化聲源被動(dòng)定位技術(shù),以及降低功耗、提高精度、增強(qiáng)對(duì)人員不易到達(dá)的惡劣環(huán)境等區(qū)域的聲源監(jiān)測能力,設(shè)計(jì)了一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng)。以五元十字形為麥克風(fēng)陣列模型,以FPGA為核心,采用VHDL編寫邏輯控制程序?qū)?shù)據(jù)采集、讀取過程進(jìn)行控制, 通過USB接口與上位機(jī)通信,主要設(shè)計(jì)了放大和接口電路模塊。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)定位距離準(zhǔn)確,相對(duì)誤差較小,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
中圖分類號(hào): TN912
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171954
中文引用格式: 韓文革,蘇淑靖,薛彥杰. 基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(12):61-64.
英文引用格式: Han Wenge,Su Shujing,Xue Yanjie. Design of passive location system based on microphone array[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):61-64.
Design of passive location system based on microphone array
Han Wenge,Su Shujing,Xue Yanjie
National Key Laboratory of the Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China
Abstract: A acoustic source passive localization system based on microphone array is designed in order to optimize the passive acoustic localization, reduce power consumption and improve the accuracy and enhance the sound source monitoring ability that personnel is not easy to reach the area of the harsh environment. The model of microphone array with five element cross shaped, the system takes FPGA as the core , the use of the VHDL logic control program to control the data acquisition and the read process , communicate with the upper machine through the USB interface, the amplifier and interface circuit module are mainly designed. The test results show that the system is accurate in positioning distance and relatively small in error which satisfies the requirement of system design.
Key words : five element cross shaped;FPGA;data acquisition;USB interface

0 引言

    聲源目標(biāo)定位主要是利用傳聲器陣列接收被監(jiān)測信號(hào),進(jìn)而確定被監(jiān)測聲源在聲場中相對(duì)于已知位置的角度和距離,即角度估計(jì)(Angle Estimating)和距離估計(jì)(Range Estimating)[1]。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度、分辨率提高及小型化、低功耗等性能的提高,聲源定位系統(tǒng)的性能也在不斷提高[2]。本文提出的基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng),旨在獲得定位精度高、體積小、低功耗的聲目標(biāo)定位系統(tǒng),對(duì)于軍用倉庫、人員不易達(dá)到的惡劣環(huán)境等區(qū)域的聲源監(jiān)測具有重要的使用意義。

1 方案設(shè)計(jì)

    麥克風(fēng)陣列被動(dòng)聲源定位系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成,分別是信號(hào)獲取的硬件部分和系統(tǒng)控制及算法實(shí)現(xiàn)的軟件部分。

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    信號(hào)獲取部分主要包括:端麥克風(fēng)陣列、阻抗匹配電路、抗混疊濾波電路、增益可調(diào)電路、ADC同步采樣電路、Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、USB同步傳輸、FPGA控制模塊和電源模塊等。聲源信號(hào)在空氣中傳播到達(dá)麥克風(fēng)陣列,由模擬接口電路將信號(hào)傳輸?shù)阶杩蛊ヅ潆娐罚獯?、抖?dòng)現(xiàn)象,使信號(hào)穩(wěn)定。然后經(jīng)過四階抗混疊濾波電路,濾除掉其中的無用噪聲,提高信噪比[3]。因?yàn)閭髀暺鬏敵鍪呛芪⑷醯碾娦盘?hào),在前端用增益可調(diào)的電路模塊對(duì)其進(jìn)行可調(diào)性放大。放大之后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換把模擬量變成數(shù)字量,F(xiàn)PGA控制數(shù)據(jù)通過USB接口實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)處理。系統(tǒng)控制及算法實(shí)現(xiàn)部分主要作用是給采集系統(tǒng)下發(fā)命令,對(duì)上傳的數(shù)據(jù)根據(jù)到達(dá)時(shí)間差算法的原理進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)聲源相對(duì)于參考陣元的方位和距離的估計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    實(shí)際的十字形麥克風(fēng)陣列擺放如圖2所示。圖中,M1,M2,…M5表示十字陣列的5個(gè)十字形拓?fù)涞?個(gè)陣元,M1為參考陣元。

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    經(jīng)過濾波電路后信號(hào)中的高頻噪聲被濾除,麥克風(fēng)的輸出信號(hào)是微弱信號(hào),所以需要在A/D采樣電路前設(shè)計(jì)前置放大電路,將信號(hào)放大到的采樣保持在電路的電壓量程中。

    針對(duì)前置放大器通頻帶較寬、信噪比較高、增益可調(diào)的性能要求,本聲源定位系統(tǒng)采用集成運(yùn)算放大器 OPA4228 擔(dān)當(dāng)其前置放大電路的核心部件[4]。放大電路如圖3所示。

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    使用OPA4228驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí),會(huì)出現(xiàn)相位偏移或減小相位裕量的情況,甚至使運(yùn)放不能穩(wěn)定工作。對(duì)運(yùn)放的改進(jìn)設(shè)計(jì)中,除了對(duì)電源管腳和運(yùn)放供電管腳使用旁路電容外,在反饋電阻兩端并聯(lián)了反饋電容,如圖3所示,反饋電容C1與反饋電阻R1并聯(lián)。如圖4所示,在不采取任何補(bǔ)償措施的條件下,將一個(gè)頻率為10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大電路的輸入端,測量其輸出得到圖中的波形。從圖中可知,輸入信號(hào)經(jīng)過放大電路后,雖然得到了100倍的放大結(jié)果,但輸出信號(hào)出現(xiàn)了明顯的振蕩和相位偏移。

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    對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)加入反饋電容后,輸入同樣的信號(hào)測量輸出,得到圖5所示信號(hào)。比較圖4和圖5可知,反饋電容起到了明顯的效果。

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3 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

3.1 USB接口電路設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A芯片。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖中可以看出,內(nèi)部包括數(shù)據(jù)接收發(fā)送單元、SIE智能串行接口引擎、8051增強(qiáng)型微處理器、片上數(shù)據(jù)RAM、4個(gè)可配置端點(diǎn)、可選緩沖區(qū)大小和8 bit/8 bit外部數(shù)據(jù)接口等,能夠?qū)崿F(xiàn)USB2.0的高速數(shù)據(jù)通信協(xié)議[5]。 

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    外部配置芯片AT24C64A是ATMEL公司生產(chǎn)的,主要功能是用來存儲(chǔ)固件程序。上電復(fù)位后,68013A的FX2LP首先通過信號(hào)接口自動(dòng)加載VIN/PIN/DIN等配置信息;然后邏輯模塊檢查I2C引腳上是否串接有0xC0或0xC2為首字節(jié)的存儲(chǔ)器,假如發(fā)現(xiàn),就會(huì)自動(dòng)將AT24C64A中的程序內(nèi)容加載進(jìn)內(nèi)置存儲(chǔ)器中[6]。

    該模塊電路采用總線的供電方式。USB總線上電壓是+5 V,經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片MAX1658調(diào)整為3.3 V電壓。在設(shè)計(jì)電路時(shí),不管是否使用E2PROM來存儲(chǔ)固件程序,I2C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻,阻值為2.2 kΩ。

3.2 邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)

    為了直觀明了、簡單方便地進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì),采用了自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行。圖7為硬件電路邏輯時(shí)序頂層示意圖。

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    從圖7中可以看出,時(shí)序邏輯部分主要由通信接口模塊、AD7606模塊、Flash模塊、復(fù)位控制模塊、參數(shù)和命令分析模塊、時(shí)鐘分配與管理模塊以及Fifo模塊等部分組成。通信接口模塊是系統(tǒng)軟件與硬件之間數(shù)據(jù)交換的橋梁,接收信號(hào)參數(shù)、數(shù)據(jù)和地址等參數(shù);參數(shù)和命令模塊將接收到的參數(shù)和命令作識(shí)別并觸發(fā)相關(guān)操作;AD7606模塊完成五路通道的同步采樣;Flash模塊進(jìn)行外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的擦除、寫、讀控制;FiFo模塊完成不同模塊之間數(shù)據(jù)的緩存[7]。

4 定位性能測試

    將本文應(yīng)用的五元十字形陣列分別在不同位置進(jìn)行三維空間聲源數(shù)據(jù)測量。M1作為坐標(biāo)原點(diǎn),邊緣4個(gè)麥克風(fēng)離原點(diǎn)距離為14 cm,聲源信號(hào)為拍手掌聲音“啪啪啪”,不同測試點(diǎn)聲源位置和3次測試數(shù)據(jù)的平均值如表1所示。

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    由于外界噪聲干擾的隨機(jī)性,導(dǎo)致個(gè)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想,但從表1中可以看出,在多數(shù)情況下,五元十字形陣列定位距離準(zhǔn)確和相對(duì)誤差也較小。通過對(duì)五元十字形陣列的數(shù)據(jù)分析可知,距離定位誤差和聲源離傳聲器陣列的距離成正比的關(guān)系,距離越遠(yuǎn),誤差越大。 

5 結(jié)論

    本文介紹了一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng),主要以五元十次型麥克風(fēng)陣列為模型進(jìn)行研究,對(duì)硬件設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。測試結(jié)果表明,模塊定位距離準(zhǔn)確,相對(duì)誤差較小,在聲源定位技術(shù)應(yīng)用中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值。 

參考文獻(xiàn)

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[5] 徐燕子.面向麥克風(fēng)陣列應(yīng)用的聲源定位算法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[6] 殷作亮.基于麥克風(fēng)陣列的MUSIC聲源定位算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[7] 李致金,喬杰.基于TMS320DM642麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2011(1):35-38.



作者信息:

韓文革,蘇淑靖,薛彥杰

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051)

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