声音导引系统及信号采集处理电路设计
2009年参加了全国大学生电子竞赛，经过全队三人的努力，最终荣获全国一等奖（当年浙江省本科组全国一等奖好像一共5个队伍），在这里特别感谢武林老师，是他为我们创造了这么好的条件，才能够在电子竞赛的道路上走的更加顺畅。我也是在今天整理资料的时候忽然发现了这篇文章，这是我很久之前写的，本来想拿出来发表的，但是研究生导师说没有什么理论深度。我个人认为对于大多数本科生来说还有一定的参考价值。
声音导引系统及信号采集处理电路设计
陈庆霆 武林 沈卫极 吴武飞
摘要：本文介绍了一种通过固定频率的音频信号实现对可移动声源的引导和控制的方法，分析了音频信号采集电路的设计思路以及控制算法的实现。设计了对固定频率的音频信号的采集、放大以及滤波处理电路，并通过无线模块实现了对可移动声源的引导与控制，使其到达指定的区域。
关键词：音频信号处理；声源定位；C8051F330；
Design for sound detection system and signal acquisition circuit
Chen Qingting,Wu Lin,Shen Weiji,Wu Wufei
Abstract: In this paper, we propose a method onrealizing guidance and control to mobile acoustic source by frequence-fixedsound signals. It analyses the design procedure of a voice signal circuit andcontrol algorithm. Signal collecting, amplifying and filtering processingcircuit is designed. The mobile acoustic source can arrive at the areaappointed by guidance and control of a wireless module.
Keywords: audio signal processing；sound source localization；C8051F330；
1 引言
声探测是一种采用声学原理、利用音频信号采集电路来获取声波信息，从而实现对目标的识别的定位的技术。这项技术早在第一次世界大战期间就已应用于战场，用于探测敌方的火炮发射位置[1]。近些年来，由于强烈的需求牵引，声探测技术在各领域发展迅速，在军事中，如反狙击手声测定位、电子哨兵等，在商业领域里[2]，如电话会议、视频会议等系统中控制摄像头对准正在说话的人等，都发挥了重要的作用。
2 系统设计
2.1系统概述
本系统以2009年全国大学生电子设计竞赛的声音导引系统为模型设计。系统由一个可移动声源和三个不同方位的音频接收器这两个单元组成，各以一块低功耗单片机C8051F330来控制，其中音频接收器端的控制器为主控制器。音频接收器可以接收并处理可移动声源平台发出的音频信号，在主控制器的控制下引导可移动声源按指定路线移动。音频接收器由音频信号采集处理电路、无线收发模块组成，可移动声源以小车为平台，由音频功放、发光指示电路、电机控制和驱动电路等组成。系统框图如图1、图2所示。
其中音频信号采集与处理是声音引导系统的核心部分，其稳定性与精度直接影响到系统的性能。
图1 可移动声源系统框图
图2 音频信号接收器系统框图
2.2 主要硬件模块设计
2.2.1 音频信号采集处理模块[3]
由于各个接收器距离可移动声源的远近不同，因此在相同音频信号作用下，可将距离转换为接收器接受信号的强弱和相位差值。实验发现经过放大以后的音频信号幅值差不明显且与位移不存在线性关系，但是由于音频信号在不同距离上传播时间不同，所以在两个不同位置的接收器上会产生一定的时间差。系统采用测时间差的设计思路来设计音频信号采集处理电路。
音频检测整形电路采用的是一片 AD8604，它内部集成了四路运放，带宽增益为8M，为轨对轨输出的单电源低功耗的运放。单个音频信号接收器的音频信号放大整形电路如图3所示。该电路包括三级增益放大器、两级有源滤波器和一级比较器，测得电路增益为52dB，输出5V脉冲信号。方便系统下一步的相位检测。
图3 音频信号采集处理电路原理图
2.2.2 无线通信模块
无线模块选用nRF24L01集成无线收发模块，该无线模块工作于2.4GHz全球开发ISM频段。它使用SPI接口，而且具有自动应答和自动再发射功能；内置频率合成器、功率放大器、调制器等功能模块。其工作电压为1.9-3.6V，在发射模式下，工作电流约为9mA，接收模式下工作电流约为12mA。该模块数据传输误码率低，快速，功耗低。
2.2.3 电机控制与驱动模块
驱动采用电机控制芯片MMC-1产生PWM 信号来控制驱动电路。MMC-1为组委会提供的多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，通过UART或SPI串行接口，电机驱动使用飞思卡尔专用电机驱动芯片 MC33886。该芯片的工作电压为5-40V，导通电阻为100毫欧姆。具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。
2.2.4 音频功放模块
音频功放电路使用IR公司的IR4427双道驱动芯片，IR4427是一款低电压、高速的场效应管驱动集成电路，最高驱动电路可达2A。实验过程种发现将其用于驱动3W扬声器，有良好效果。而且该芯片体积小，质量轻，有效减轻了移动声源的质量。设计电路如图4所示。
图4 音频功放模块
3 控制理论和控制算法
控制理论和算法是系统的灵魂，本系统设计了两种控制算法。
3.1 余弦定理法
设接收器A为坐标原点，AC为Y轴，AB 为X轴建立坐标，如图5所示的声音引导示意图。设L_SC=L1，L_SA=L2，L_SB=L3，L1与L2的差值为a，L3与L2的差值为b，根据余弦定理建立如下方程组(长度单位：m，时间单位：s)：
图 5 声音引导示意图
其中t1、t2分别表示声音到达A与C和到达A与B之间的时间差值，其值可正可负。与A点相比较，当声音先到达C点时t1<0，先到达B点时t2<0，否则t1>0、t2>0。联合(3)、(4)、(5)、(6)、(7)式可得下式：
(8)
根据式(8)利用求根公式可求得L2的值。再根据式(3)、(4)、(5)、(6)分别求得L1、L3、cos、sin的值。最终求得声源坐标为：
该方案可求出可移动声源当前所在位置，可以使声源到达任意指定的位置，但是其计算量和数据量均较大，适合在具有较高处理速度和较大RAM的控制器上运行。
3.2 相位差法[45]
相位差方法可以定位个别特殊的位置，如A、B两点之间的中心线以及整个矩形区域的中心等，这种方法适合用于某些特殊的场合。
为了使可移动声源到达OX线，采用测量接收器A和接收器B接收到音频信号经放大滤波处理整形后的相位差，如图6所示。根据音频在空气中的传播速度，可得340*t2=L2-L3。当到达中心线OX时，相位差为0,此时t2=0.同理可实现将声源引导到矩形的中心位置。本系统采用了此种方法。
图 6 可移动声源示意图
3.3 软件滤波算法
由于噪声、回声等对有用音频信号存在干扰，系统除了采用硬件电路进行有源滤波外，还设计了软件滤波算法，增强了对噪声特别是回声的抗干扰能力。
以到达中心线OX为例，主控制器的PCA初始为关闭状态，先由主控制器向可移动声源发出一次发声指令，延时一段时间后（延时大小为经验值）打开主控制器PCA，捕捉音频信号，计算时间差值，计算完毕后关闭PCA，然后不断重复以上过程，便可计算得声源处于不同位置时的时间差值。即通过定时开关PCA来增强抗干扰功能，其中主控制器的发声指令频率即为声源的发声频率。
4 软件设计
系统软件设计基于以上的相位差法和软件滤波算法，分为两个单元，分别音频接收器单元和可移动声源单元，分别如图7、图8所示。
4.1 音频接收器单元程序流程图
图7 音频接收器单元程序流程图
4.2 可移动声源单元程序流程图
图 8可移动声源单元程序流程图
5 数据测试
测试仪器如表1所示。
表 1 测试仪器
|
仪器名称 |
型号 |
|
秒表 |
普通秒表 |
|
卷尺 |
普通2m卷尺 |
|
示波器 |
DS1012 |
|
数字万用表 |
VC1044(1/2） |
|
直流电源 |
LW3003KD |
可移动声源音频信号的频率为2.8kHz，发声频率为20Hz。
表2 数据测试
|
到Ox线 |
到中心点 |
||||
|
次
数 |
平均 速度(cm/s) |
定位 误差(cm) |
次
数 |
平均 速度(cm/s) |
定位 误差(cm) |
|
1 |
11.1 |
0.5 |
1 |
11.4 |
0.8 |
|
2 |
12.0 |
0.8 |
2 |
11.2 |
0.5 |
|
3 |
12.1 |
0.8 |
3 |
11.5 |
1.2 |
|
4 |
11.4 |
0.6 |
4 |
11.6 |
0.6 |
|
5 |
11.5 |
0.7 |
5 |
11.5 |
0.5 |
|
平均误差 |
0.68 |
平均误差 |
0.72 |
||
6结语
实验结果表明，基于图3所示的音频信号采集处理电路原理图，使用相位差法和软件滤波法能够提高系统精度的同时，还可以增强其抗噪声的能力。而且，整个系统在设计过程中，在机械结构上做了一些改进，在可移动声源的发生器上罩上一个圆柱形罩子，产生一个“聚声”效应，提高了发生器的响度，同时在音频接收器的接收端罩上一喇叭形状的罩子，可以增强音频接收器的灵敏度。
同时系统也存在一些不足之处，由于处理器处理速度的限制，采用的是相位差法，只能使声源到达某些特殊的位置。为了使可移动声源能够达到任意指定的位置，可以使用有更高处理速度和更大RAM的控制器，采用余弦定理法实现。
参考文献
[1] 季瑞.被动声探测系统及应用研究[D],硕士学位论文,2007.
[2] 郑珍珍,冯华君,沈常宇.基于坐标系变换的三维声源定位算法[J].浙江大学学报（工学版）,2008,42(2).341-343.
[3] 王成华,王友仁,胡志忠.现代电子技术基础.模拟部分[M].2005.2.
[4] 林志斌,徐柏龄.基于传声器阵列的声源定位[J]. 电声技术, 2004( 5) : 19-23.
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