關(guān)于基于麥克風(fēng)陣列的聲源被動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(cè)信號(hào)，進(jìn)而確定被監(jiān)測(cè)聲源在聲場(chǎng)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(cāng)庫(kù)、人員不易達(dá)到的惡劣環(huán)境等區(qū)域的聲源監(jiān)測(cè)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。

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?，消除尖刺、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。

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。

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(cè)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。

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(cè)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。

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]。

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(jiǎn)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。

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(cè)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(cè)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(cè)試點(diǎn)聲源位置和3次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值如表1所示。

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(cè)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。