基于FPGA Xlinx Artix7平臺的聲源定位裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計目的

基于麥克風(fēng)陣列模擬人耳進行三維空間的聲源定位，有著廣泛應(yīng)用前景，可應(yīng)用于大型機械產(chǎn)品的故障檢測以及新生嬰兒先天性心臟病檢測篩查等領(lǐng)域，這些應(yīng)用要求定位精度高，空間定位分辨能力強，而聲源的定位精度與聲音信號的頻率、傳感器陣列的 大小及聲音信號的信噪比等因素密切相關(guān)。傳統(tǒng)的時間差或相位差定位算法，隨著麥克 風(fēng)陣列的增加，計算量急劇增加，為了提高定位精度，本作品在GCC_PHAT 算法基礎(chǔ)上，利用 FPGA 的處理實時性，進行數(shù)字解碼，濾波，解算處理，多陣列可以并行運算， 大幅提高了聲音的空間定位精度。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

本作品應(yīng)用前景廣泛。例如，在交通領(lǐng)域，可以用于鳴笛抓拍中。在麥克風(fēng)陣列研究領(lǐng)域，可以用于波束形成算法的驗證；同時，也可以將其作為一個錄音設(shè)備，配合 Audacity 軟件，實現(xiàn)一些聲音處理功能，具有很好的實用價值。

1.3 適用范圍

本作品適用于需要近場聲源定位以及波束形成的場合，在此類場合中，作品可以完全發(fā)揮優(yōu)勢，具有較高的速度和精度。

二、系統(tǒng)組成及功能說明 /System Construction & Function Description

2.1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)由數(shù)字麥克風(fēng)陣列模塊、FPGA 處理器模塊、攝像模塊共同組成。Xlinx Artix7 FPGA 作為核心，將數(shù)字麥克風(fēng)模塊產(chǎn)生的 PDM 碼轉(zhuǎn)化為 PCM 碼，然后使用 GCC_PHAT 算法對數(shù)據(jù)進行處理，得到時延值由傳給攝像頭，攝像頭再結(jié)合陣列中麥克風(fēng)的幾何關(guān)系， 將具體的聲源位置計算出來，然后將其映射在攝像頭所拍的圖像上，同時，為了更好地調(diào)試， 我們麥克風(fēng)陣列上集成了單片機芯片作為通信接口。

2.2 各模塊介紹

1.數(shù)字麥克風(fēng)陣列模塊

采用性能優(yōu)良的的數(shù)字麥克風(fēng) SPK0833LM4H，性能參數(shù)：100Hz ~ 10kHz 數(shù)字，PDM Microphone MEMS（硅） 1.6V ~ 3.6V 全向 （-26dB ±3dB @ 94dB SPL） 焊盤。兩個數(shù)字麥 克風(fēng)共用一個數(shù)據(jù)線（分別占用左右聲道），然后通過兩路 I2S 送給 FPGA。數(shù)字麥克風(fēng)實物 圖和陣列電路原理圖如下圖所示

2. FPGA 處理器模塊

處理器主要采用 basys3 開發(fā)板，其采用 Xilinx XC7A35T1CPG236C 芯片，含有 5200 個邏輯 Slices，每個包含 4 個 6 輸入 LUT 和 8 個觸發(fā)器，內(nèi)部時鐘頻率達 450MHz，片上 4 自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，含 1800Kbits 的 Block RAM 和 90 個 DSP48E 單元，有 5 個時鐘管理單元。包含多個外設(shè)，資源豐富。FPGA 通過板載的 Pmod 接口與數(shù)字麥克風(fēng)陣列板連接。

3. 攝像模塊

OpenMV 是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊。以 STM32F427CPU 為 核心，集成了 OV7725 攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用 C 語言高效地實現(xiàn)了核心機 器視覺算法，提供 Python 編程接口。完成情況及性能參數(shù) /Final Design & PeRFormance Parameters

本系統(tǒng)由數(shù)字麥克風(fēng)陣列電路、FPGA 核心處理模塊、攝像頭模塊。預(yù)計實現(xiàn)功能：（1）四通道同步錄音功能；（2）聲源定位，可以定位出攝像頭所拍攝到的畫面中發(fā)聲體 6 的位置并在畫面中將其標(biāo)出。目前，兩個功能均已實現(xiàn)，各模塊運作穩(wěn)定，模塊間按功能連接。

3.1 數(shù)字麥克風(fēng)陣列電路

此電路能夠正常的接受來自 FPGA 的時鐘信號并產(chǎn)生對應(yīng)的 PDM 信號。

3.2 FPGA 核心處理模塊

此模塊可以準(zhǔn)確地去除 PDM 信號中的直流分量并將其轉(zhuǎn)化為 PCM 音頻數(shù)據(jù)流，通過 USB 音頻傳輸協(xié)議，可以將其傳輸?shù)?PC 機上，結(jié)合 Audacity 軟件，來實現(xiàn)高品質(zhì)錄音和對聲音進行分析。同時，F(xiàn)PGA 也成功地實現(xiàn)了 GCC-PHAT 定位算法，定位精度高，效果好。

3.3 攝像頭模塊

此模塊圖像可以準(zhǔn)確獲取清晰的獲取圖像，實現(xiàn)照片、視頻等的拍攝，成像穩(wěn)定，質(zhì)量高，且通過 wifi 無線圖傳擴展板，可以通過 WiFi 來獲取它所拍攝到的畫面。

4.1 主要創(chuàng)新點

（1）使用了數(shù)字麥克風(fēng)，數(shù)字麥克風(fēng)的最大優(yōu)點是抗干擾能力強，無需像傳統(tǒng)傳聲器那樣 內(nèi)置高頻濾波電容、濾波器電路。數(shù)字麥克風(fēng)因其固有的特點，不會受到那些來自電腦、 網(wǎng)絡(luò)、射頻即磁場信號源的干擾、影響。（2）使用了麥克風(fēng)陣列來收集聲音信號，相比于單麥克風(fēng)，具有無可比擬的優(yōu)勢。（3）在高速，并行的 FPGA 中實現(xiàn)了 GCC-PHAT 算法，波束形成算法，計算速度快，計算結(jié)果準(zhǔn)確，定位精度好。（4）作品體積小，容易安裝，在各場合具有很強的實用性。

4.2 可擴展之處

（1）可以通過 FPGA 外接 SD 卡模塊，將轉(zhuǎn)化來的 PCM 音頻數(shù)據(jù)流存在 SD 卡中，可以與拍到的圖片相對應(yīng)，便于后期回放與驗證。（2）增加麥克風(fēng)數(shù)量，改變陣列結(jié)構(gòu)，可以近一步地提高聲源定位的速度和精度。