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

0 引言

聲源目標定位主要是利用傳聲器陣列接收被監(jiān)測信號，進而確定被監(jiān)測聲源在聲場中相對于已知位置的角度和距離，即角度估計（Angle Estimating）和距離估計（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)陣列的聲源被動定位系統(tǒng)，旨在獲得定位精度高、體積小、低功耗的聲目標定位系統(tǒng)，對于軍用倉庫、人員不易達到的惡劣環(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

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

信號獲取部分主要包括：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、USB同步傳輸、FPGA控制模塊和電源模塊等。聲源信號在空氣中傳播到達麥克風(fēng)陣列，由模擬接口電路將信號傳輸?shù)阶杩蛊ヅ潆娐?，消除尖刺、抖動現(xiàn)象，使信號穩(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]。因為傳聲器輸出是很微弱的電信號，在前端用增益可調(diào)的電路模塊對其進行可調(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接口實時上傳給上位機處理。系統(tǒng)控制及算法實現(xiàn)部分主要作用是給采集系統(tǒng)下發(fā)命令，對上傳的數(shù)據(jù)根據(jù)到達時間差算法的原理進行計算，實現(xiàn)聲源相對于參考陣元的方位和距離的估計。

2 硬件電路設(shè)計

實際的十字形麥克風(fēng)陣列擺放如圖2所示。圖中，M1，M2，…M5表示十字陣列的5個十字形拓撲的5個陣元，M1為參考陣元。

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

針對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)動容性負載時，會出現(xiàn)相位偏移或減小相位裕量的情況，甚至使運放不能穩(wěn)定工作。對運放的改進設(shè)計中，除了對電源管腳和運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，在不采取任何補償措施的條件下，將一個頻率為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，但輸出信號出現(xiàn)了明顯的振蕩和相位偏移。

對電路進行改進加入反饋電容后，輸入同樣的信號測量輸出，得到圖5所示信號。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

3.1 USB接口電路設(shè)計

本設(shè)計采用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增強型微處理器、片上數(shù)據(jù)RAM、4個可配置端點、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固件程序。上電復(fù)位后，68013A的FX2LP首先通過信號接口自動加載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)的存儲器，假如發(fā)現(xiàn)，就會自動將AT24C64A中的程序內(nèi)容加載進內(nèi)置存儲器中[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)計電路時，不管是否使用E2PROM來存儲固件程序，I2C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻，阻值為2.2 kΩ。

3.2 邏輯時序設(shè)計

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

從圖7中可以看出，時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模塊進行外部存儲器數(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行三維空間聲源數(shù)據(jù)測量。M1作為坐標原點，邊緣4個麥克風(fēng)離原點距離為14 cm，聲源信號為拍手掌聲音“啪啪啪”，不同測試點聲源位置和3次測試數(shù)據(jù)的平均值如表1所示。

由于外界噪聲干擾的隨機性，導(dǎo)致個別實驗結(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確和相對誤差也較小。通過對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，誤差越大。

5 結(jié)論

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