MSP430近場移動聲源定位系統(tǒng)的實現(xiàn)

楊 云，王君波，范中磊

(1.長安大學信息工程學院，陜西西安710064;2.歐比特控制工程股份有限公司，廣東珠海519080)

0 引言

聲源定位技術(shù)快速發(fā)展，并被廣泛應用到民用軍工的各個領(lǐng)域。如移動機器人，通過聲源定位技術(shù)控制攝像頭，使其轉(zhuǎn)向感興趣的方向［1］。直升機和無人機等目標識別，聲源定位技術(shù)可有效彌補雷達探測的盲區(qū)［2］。聲源定位算法的研究可分為三類:基于時延估計的定位方法、基于波束形成的定位方法和基于高分辨率空間譜估計的定位方法［3］。其中基于時延估計的定位方法因其小運算量和低復雜度的優(yōu)點［4］，被嵌入式系統(tǒng)廣泛采用。本文基于TI低功耗單片機MSP430F149，采用修正任意三角形時延估計聲源定位方法，設計并實現(xiàn)了一種有效近場可移動聲源定位系統(tǒng)，在實驗室環(huán)境中對系統(tǒng)進行功能測試，結(jié)果表明了所設計系統(tǒng)和所采用定位算法的正確性。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)主要由移動聲源，聲音接收處理，無線通訊和軟件處理四大部分組成。移動聲源模塊主要以MSP403F149控制的小車為載體，以一片CC1101無線模塊觸發(fā)聲音的開啟和終止，聲音產(chǎn)生由兩片NE555芯片自激振蕩驅(qū)動蜂鳴器，獨立產(chǎn)生周期性的可調(diào)頻率聲音信號。聲音接收處理模塊分為接收電路和處理電路，接收電路由4個麥克風拾音器組成陣列，接收聲音信號并進行放大濾波，再將信號送入MSP430F149單片機處理，處理算法采用基于到達時間差的修正任意三角形雙曲線定位法，基于MSP430的嵌入式C語言編程實現(xiàn)，是否開始接收聲音信號由另一片無線模塊CC1101觸發(fā)。聲源與接收模塊之間采用無線通訊，采用一對CC1101無線模塊實現(xiàn)。軟件處理部分，對送入單片機的信號，計算其中3個麥克風接收聲音信號的時差，基于聲音信號到達不同位置拾音器的時間差，采用修正任意三角形時延估計TDOA的定位方法［4］，分析得到移動聲源的位置，另一個拾音器修正定位誤差，選取最佳定位結(jié)果，并在LCD液晶屏顯示定位結(jié)果坐標值。移動聲源可按照隨機路徑移動，也可由聲音接收模塊經(jīng)無線發(fā)送數(shù)據(jù)和命令，控制移動聲源，移動聲源再做相應調(diào)整，沿設定路徑移動。系統(tǒng)總體設計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計采用美國德州儀器公司16位單片機MSP430F149，其內(nèi)核CPU運行正交RISC指令集，片內(nèi)16個寄存器，ROM和RAM統(tǒng)一編址，可產(chǎn)生ACLK、MCLK和SMCLK這3種不同的時鐘［5］;有P1～P6共48個GPIO端口并可獨立編程，提供WATCHDOG、Timer_A和Timer_B這3個16位時鐘;有USART0與USART1兩個串行通信接口，在P6口提供8通道12位獨立快速模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，采樣速度可到200kbps;中斷源較多，并可任意嵌套，中斷請求喚醒只需6us;FLASH存儲器多達60KB，擦寫次數(shù)可達10萬次;帶7個捕獲/比較寄存器。MSP430F149的工作電壓1.8V～3.6V，具有處理能力強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點［6］。MSP430F149與TI其它MSP430系列微處理器一樣，對所有外圍模塊的控制，均通過特殊寄存器實現(xiàn)，編寫程序較簡單，有專用的編程器，支持C語言和匯編，可用IAR的WORKBENCH IDE和CSPY直接在線編譯和調(diào)試程序，非常靈活［7］。

本設計硬件由三部分組成，一部分為測試用的移動聲源產(chǎn)生模塊，以車載MSP430F149為控制核心，兩片NE555芯片獨立產(chǎn)生可調(diào)頻率聲音，單片機僅控制聲音的開始和終止，從而降低硬件模塊的耦合度。車體移動可按隨機路徑移動，也可在CC1101數(shù)據(jù)控制下按照定位模塊設置預定路線移動。另一部分為定位模塊，以定位MSP430F149為控制核心，聲音采集由麥克風拾音器、前置放大和帶通濾波電路組成，開始和終止聲音采集由CC1101模塊數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果控制，CC1101與MSP430F149通過SPI協(xié)議連接，定位運算基于聲音到達3個麥克風陣列的時差，并采用一個麥克風冗余修正計算誤差，結(jié)果顯示到12864LCD液晶屏。聲源產(chǎn)生和定位模塊之間采用無線通訊，采用一對CC1101實現(xiàn)無線信號的發(fā)送和接收。聲源產(chǎn)生的硬件設計原理如圖2所示。

聲音接收模塊的硬件設計原理如圖3所示。

圖2 聲源模塊

圖3 聲音接收模塊

本設計無線傳輸采用美國德州儀器公司的CC1101模塊實現(xiàn)，CC1101是一種低成本的單片無線收發(fā)器，通信頻率低于1GHz，在CC1100的電路改版基礎上發(fā)展而來，主要面向工業(yè)科學和醫(yī)療 (ISM)和短距離設備 (SRD)的無線連接，頻段范圍為315/433/868/915MHz，編程容易，頻率變更簡便。CC1101芯片具有數(shù)據(jù)包處理，數(shù)據(jù)緩沖，突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，清晰信道評估連接質(zhì)量指示，電磁波激發(fā)和無線電喚醒 (WOR)等功能。CC1101的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收先進先出堆棧 (FIFO)可通過SPI接口控制，片內(nèi)集成頻率合成器，無需外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換，僅需少量外部元件，可容易實現(xiàn)單片UHFRF收發(fā)器［8］。受發(fā)射功率和天線結(jié)構(gòu)約束，CC1101的有效傳輸距離在300～500m范圍內(nèi)，對于本設計為有效距離。

CC1101通過4線的SPI接口實現(xiàn)與MCU的通訊，軟件采用C語言編程，MSP430F149與CC1101的硬件接口原理如圖4所示。

圖4 CC1101與MSP430F149連接原理

3 聲音定位系統(tǒng)算法原理

由于近場環(huán)境混響和噪聲干擾嚴重影響定位結(jié)果，目前定位技術(shù)中適用于近場聲源定位的主要有新提出的MUSIC和傳統(tǒng)的時延估計方法兩種，其中MUSIC定位算法復雜度較高，需要特殊DSP支持［9］，且定位效果不佳，所以傳統(tǒng)的時延估計法還是目前近場聲源定位領(lǐng)域的研究重點［10］。時延估計法的原理是，根據(jù)音頻信號到達不同位置麥克風拾音器的時間差TDOA(time difference of arrival)，計算出移動聲源相對于各個拾音器的位置，從而判斷出移動聲源所處的位置。在基于時延估計的定位算法中，主要有歸一化正方形算法，平面正方形算法，任意三角形算法和修正任意三角形算法。其中歸一化和正方形法，均需要4個拾音器按照正方形排列，取正方形中心為坐標原點，歸一化法取坐標軸分別平行正方形的兩條邊，平面正方形法取坐標軸重疊正方形的對角線，雖然算法簡單，但是拾音器的排列形式固定，所以不適合拾音器任意排列的場合。任意三角形法僅需3個拾音器，構(gòu)成一個平面三角形，選取任意一拾音器位置點作為坐標原點，定義水平方向為極坐標軸，借助三角形函數(shù)關(guān)系可以得到聲源的極坐標值。平面任意三角形定位算法又稱為基于時延估計的雙曲線定位法，其中TDOA雙曲線定位算法原理如圖5所示。

圖5 三陣列TDOA平面定位

三拾音器陣列TDOA定位方程如式 (1)～式 (4)所示

其中c為音頻信號在介質(zhì)中的傳播速度，可選取定值，Δt1為音頻信號到達拾音器1和拾音器2的時間差，Δt2為音頻信號到達拾音器1和拾音器3的時間差，R為聲源到拾音器1的直線距離，r1為聲源到拾音器2的直線距離，r2為聲源到拾音器3的直線距離，D1為拾音器1和拾音器3之間的直線距離，D2為拾音器1和拾音器3之間的直線距離，選取極坐標原點為拾音器1所在位置，極坐標參考線如圖5所示，解方程 (1)～方程 (4)可求得聲源位置坐標的極坐標值為 (R，b)。

修正任意三角形定位算法，是在任意三角形算法的基礎上，增加一個拾音器4，其中修正TDOA雙曲線定位算法原理如圖6所示。

可測得音頻信號到達拾音器1和拾音器4的時間差Δt3，在任意三角形定位算法中音頻信號在介質(zhì)中的傳播速度c為一定值，在修正任意三角形算法中，可假設c有一個變化范圍，即 (c－Δc，c+Δc)，同時選取速度變化的步長為δ，則每個速度c+nδ(n=±1，±2，…)可以由任意三角形算法求得一個聲源位置坐標 (Rn，bn)，可構(gòu)成一個聲源解的集合。真實的聲源位置包含在這組解集中，而且滿足條件

圖6 修正三陣列TDOA平面定位

修正后的任意三角形定位算法，不僅可以確定最佳的聲源位置坐標，而且可以獲得音頻信號在實驗介質(zhì)中的真實傳播速度解。

實驗選取實驗矩形長為L米，寬為W米，固定于矩形4個頂角的拾音器為A、B、C和D，移動聲源為S，聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)聲音定位算法基于任意三角形雙曲線時延估計TDOA的方法，在已知長和寬的矩形4個頂角，部署4個高精度拾音器，實時采集在矩形內(nèi)移動的一個聲源發(fā)出的音頻信號，雖然實驗中不能獲得音頻信號到達的絕對時間，但是可以獲得相對到達的時差。

因為聲音在介質(zhì)中的傳播時間與傳播距離成正比，所以音頻信號到達A，B，C和D這4個拾音器的時間不相同。算法選擇B點為坐標原點，定義A點坐標為 (x1，y1)，B點坐標為 (x2，y2)，聲源S點的坐標為 (x，y)，聲音在空氣中的傳播速度為c=340m/s，音頻信號達到B的時刻為t1，到達A的時刻為t2，到達C的時刻為t3，到達D的時刻為t4，所以可得到方程 (6)～方程 (11)

可選方程 (6)～方程 (8)任兩個求解，以及方程(9)～方程 (11)相應的兩個，構(gòu)成4個方程求解，余下的一個拾音器驗證所得結(jié)果，根據(jù)是否滿足式 (5)的條件，從而剔除任意三角形雙曲線求解定位后的偽點，求得最佳聲源位置。

4 聲音定位系統(tǒng)軟設計

本設計軟件采用交叉編譯的模式，主操作系統(tǒng)為Windows 7 professional(64)，開發(fā)環(huán)境為IAR公司的Embedded Workbench for Msp430(version 5.30.1)，仿真調(diào)試采用SF_BSL430(version1.10)。發(fā)聲模塊的軟件流程如圖8所示。

圖8 聲源模塊軟件流程

接收模塊的軟件流程如圖9所示。

圖9 接收模塊軟件流程

無線模塊CC1101的軟件流程如圖10所示。

定位算法主要源碼清單:

//函數(shù)依次輸入flagfour［0］～ ［3］

void Locat(uint d1，uint d2，uint d3，uint d4)

{uint tmp;long f1，f2，f3，f4;

tmp=d2;d2=tmp－d1;//換算坐標，參考點為

tmp=d3;d3=tmp－d1;//左下角拾音器

圖10 無線模塊軟件流程

tmp=d4;d4=tmp－d1;

f1=d3*(d3－d2);f2=d4*(d4－d2);

f3=c*c*d2*(f1－f2);//c=345m/s空氣中音速

f4=l*w*(d2+d4－d3);//l=500，w=400

x=f3/f4+l; //x坐標值

f1=d2*(d4－d2);f2=d3*(d4－d3);

f3=v*v*d4*(f1－f2);

f4=w＜＜2－w;y=f3/f4+w;//y坐標值}

//MSP430TimerB中斷服務函數(shù)

#pragma vector=TIMERB0_VECTOR

__interrupt void Timer_B(void)

{cnt++;

if(cnt＜5)

{//判斷第一個上升沿到達并返回標志

flag=Flag_FirstUp();

switch(TBIV){//分辨定時器中斷向量

case 0x02://0x02H，捕獲比較1

if(flagfour［0］!=1)

flagfour［0］=TBCCR1;//讀取 CCR1

else

flagfour［0］=0;

break;

case 0x04://0x04H，捕獲比較2

if(flagfour［1］!=1)

flagfour［1］=TBCCR2;//讀取 CCR2

else

flagfour［1］=0;

break;

case 0x06://0x06H，捕獲比較3

if(flagfour［2］!=1)

flagfour［2］=TBCCR3;//讀取 CCR3

else

flagfour［2］=0;

break;

case 0x08://0x08H，捕獲比較4

if(flagfour［3］!=1)

flagfour［3］=TBCCR4;//讀取 CCR4

else

flagfour［3］=0;

break;}//end of switch

}

else

{TBCCTL1=CM_0; //禁止捕獲

TBCCTL2=CM_0;

TBCCTL3=CM_0;

TBCCTL4=CM_0;

Disp12864(); //LCD顯示函數(shù)

}}

5 實驗結(jié)果與分析

實驗取矩形區(qū)域:L=500mm，W=400mm。

設定目標位置坐標，選取有代表性的位置，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，觀察并記錄坐標的顯示數(shù)據(jù)并計算絕對誤差和相對誤差。測試數(shù)據(jù)與結(jié)果見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果

分析以上測試結(jié)果可知，系統(tǒng)總體功能和誤差已達到要求。LCD可實時顯示聲源坐標，聲源系統(tǒng)可控制移動，功耗低，性價比較高。由于聲音在不同的介質(zhì)和環(huán)境中傳播速度存在有一定的偏差的。實驗環(huán)境不同，造成聲音傳播速率有較小誤差。而且聲音信號很容易被噪聲干擾，本系統(tǒng)可提高濾波電路的性能，從而改善系統(tǒng)總體性能。

6 結(jié)束語

可移動聲源平面定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)聲音對機器人等智能移動設備的有效控制，尤其是在受光線制約并且攝像頭無法滿足要求的情形下，聲音移動聲源定位系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯，可作為光和視頻控制的有效補充。經(jīng)實驗驗證，本文所設計系統(tǒng)，能夠完成移動物體的一般定位控制需求，誤差在合理范圍內(nèi)，但是定位算法的精度和系統(tǒng)的抗噪能力還有待進一步提高。本系統(tǒng)設計具有成本低、功耗低、設計簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點，可以方便快捷地應用到聲音智能控制設備中。

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