聲探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

閆安斌1,2　甄成方1,2　劉文怡1,2

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室1，山西 太原　030051；儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室2，山西 太原　030051)

聲探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

閆安斌1,2甄成方1,2劉文怡1,2

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室1，山西 太原030051；儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室2，山西 太原030051)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)劣直接關(guān)系到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期及其傳遞數(shù)據(jù)的可靠性，考慮到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)外界信息感知的要求，設(shè)計(jì)了一種帶通濾波的聲音信號(hào)采集電路。聲信號(hào)經(jīng)模電轉(zhuǎn)換后，濾波、偏置、放大、跟隨和A/D轉(zhuǎn)換，將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)通頻帶中的信號(hào)有良好的傳遞特性，保證不失真和相位偏差最小且穩(wěn)定，對(duì)通頻帶外信號(hào)的抑制效果很明顯。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶通濾波聲音信號(hào)采集A/D轉(zhuǎn)換相位偏差

Abstract：The pros and cons of the wireless sensor network (WSN) nodes is directly related to the life cycle of WSN, and its reliability for transferring data. Considering the demands for information perception outside world of WSN, the sound signal acquisition circuit with band pass filtering is designed. The analog signal is converted into digital signals through filtering, biasing, amplifying, following and A/D converting. The results of test indicate that in signal converting process, the signals in pass band possesses excellent transfer characteristics, no distortion and minimum phase deviation are guaranteed, while the signals outside pass band are eliminated obviously.

Keywords：Wireless sensor networkBand pass filteringSound signal acquisitionA/D conversionPhase deviation

0引言

噪聲是物體在工作中產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)品，被動(dòng)聲探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是利用目標(biāo)的這一特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別、定位以及追蹤[1]。被動(dòng)聲探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有隱蔽性好、不受視線和能見(jiàn)度的限制、不易被干擾、探測(cè)范圍不受限制等幾大優(yōu)點(diǎn)，目前正受到國(guó)內(nèi)外軍事界、工業(yè)界乃至學(xué)術(shù)界人士的廣泛關(guān)注[2]。

本設(shè)計(jì)的主要目的是提供一種以聲音為采集信號(hào)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)電路。設(shè)計(jì)電路中包含信號(hào)調(diào)理電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳聲器采集到的聲音進(jìn)行濾波、偏置、放大與信號(hào)跟隨，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效性和穩(wěn)定性，減少模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的工作量，便于信號(hào)采集。同時(shí)本設(shè)計(jì)中的調(diào)理電路對(duì)幅值小于2 V、頻率小于20 kHz的交流信號(hào)有良好的傳輸特性。

1節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案

傳感器節(jié)點(diǎn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位[3]，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用特性和使用環(huán)境，決定了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)的考慮重點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)在不影響性能的前提下，采用了較少的芯片和封裝更小的同類器件，而且設(shè)計(jì)的PCB板采用多層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得節(jié)點(diǎn)體積盡量小、成本盡量低。電路供電模塊中采用了FPGA控制繼電器通斷的方式，使得節(jié)點(diǎn)的部分芯片在無(wú)數(shù)據(jù)處理的情況下，處于掉電模式，從而達(dá)到低功耗的要求。最后是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，由于能量供應(yīng)模塊采用高容量電池，所以節(jié)點(diǎn)的芯片工作電壓能夠保持穩(wěn)定，不受外界干擾。本次設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　總體電路設(shè)計(jì)示意圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1　供電電路設(shè)計(jì)

供電電路能否提供穩(wěn)定的電壓直接影響著系統(tǒng)是否能夠保證穩(wěn)定高效的運(yùn)行。本系統(tǒng)中由于使用到的芯片種類較多，而且FPGA在使用中對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，所以在本系統(tǒng)中，電源模塊顯得十分重要。本系統(tǒng)中具體的電壓轉(zhuǎn)換示意圖如圖2所示。

圖2　電源模塊電壓轉(zhuǎn)換示意圖

本系統(tǒng)中的電源模塊采用兩個(gè)12 V的移動(dòng)電源串聯(lián)構(gòu)成24 V電壓作為能量供應(yīng)裝置。圖2中，3 mA恒流源是為傳聲器提供能量供應(yīng)。根據(jù)產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)，該傳聲器的正常工作需要提供3 mA的恒流源。本設(shè)計(jì)中的恒流源是通過(guò)采用三端可調(diào)的電流源芯片LM134外接電阻實(shí)現(xiàn)的，其輸出電流的大小，可通過(guò)改變外接電阻的阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用十分靈活方便。該芯片可通過(guò)外接二極管，與電阻搭配，使芯片的溫漂最小化，使得電流輸出相對(duì)穩(wěn)定。這為后續(xù)的傳聲器進(jìn)行信號(hào)采集提供了一個(gè)相對(duì)較好的環(huán)境，使采樣結(jié)果更加可靠。

由圖2可看出，本設(shè)計(jì)中涉及到2.5 V基準(zhǔn)電壓的使用。本設(shè)計(jì)中為使基準(zhǔn)電壓不受電路板上其他芯片的影響，采用24 V轉(zhuǎn)5 V、再轉(zhuǎn)2.5 V的方式。LM136H-5 V是一款穩(wěn)定性十分良好的電壓轉(zhuǎn)換芯片，具有較寬的輸入電壓范圍(6~36 V)，而且其輸出電壓受溫度影響很小。此外該芯片對(duì)外部供電電壓沒(méi)有十分苛刻的要求，只要供電大于6 V，即可輸出穩(wěn)定的5 V電壓，不會(huì)因?yàn)楣╇婋妷旱牟环€(wěn)定而導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。5 V轉(zhuǎn)2.5 V電壓的設(shè)計(jì)是使用OPA234高精度的集成運(yùn)放外接電阻實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)測(cè)試,其實(shí)際輸出電壓為2.49 V，基本滿足后續(xù)電路的設(shè)計(jì)要求。

由于本系統(tǒng)中其余各大模塊均是采用5 V電壓或者經(jīng)5 V轉(zhuǎn)為其他的電壓等級(jí)，功耗相對(duì)較高，因此經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)選用散熱性和允許通過(guò)電流值較大的電壓轉(zhuǎn)換芯片LT1084。其余電壓等級(jí)(3.3 V、1.2 V)采用AMS1117與電源芯片TPS70358實(shí)現(xiàn)。

2.2　調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能主要是采集節(jié)點(diǎn)周邊的聲音信號(hào)，基于聲達(dá)時(shí)間差確定發(fā)聲體的位置，所以信號(hào)采集的精度直接影響著后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，因而也直接影響著整個(gè)節(jié)點(diǎn)的精度。該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊顯得十分關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)采集主要分為信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分。采集模塊利用高精度的傳聲器接收節(jié)點(diǎn)周?chē)穆曇粜盘?hào)，并轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)；模擬電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理之后，傳送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

為達(dá)到信號(hào)衰減最小、相位偏差最小而又不影響調(diào)理電路的基本功能要求，綜合考慮后，在設(shè)計(jì)中采用了較少的芯片，達(dá)到了最佳的效果。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　調(diào)理電路設(shè)計(jì)

從圖3可以看出，本次設(shè)計(jì)的調(diào)理電路包含了濾波、放大、偏置、信號(hào)跟隨的基本功能。

圖1中，典型的壓控式電壓源二階低通濾波電路[4]對(duì)通帶信號(hào)的電壓有放大作用。由于本次試驗(yàn)所采集的聲音模擬信號(hào)為人耳可識(shí)別的聲音，即20 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的聲音信號(hào)，所以該濾波電路選擇低通濾波，將20 kHz以上的信號(hào)濾掉，即截止頻率fH=20 kHz。由于二階低通濾波器的截止頻率fH=0.37f0(f0為濾波電路的特征頻率),因此根據(jù)低通濾波電路的特征頻率計(jì)算公式為：

(1)

從而可以得出:

(2)

電容C的容量一般選擇低于1 μF，本次設(shè)計(jì)中結(jié)合RC的值，采用1 nF電容，則R=2.94 kΩ。根據(jù)貼片電阻的標(biāo)準(zhǔn)阻值，選擇R1=R2=3 kΩ[5]。

該二階壓控式低通濾波電路具有放大作用，它是由R4、R5與集成運(yùn)放共同實(shí)現(xiàn)，其放大倍數(shù)為：

(3)

由于本次使用的傳聲器，其輸出電壓為正負(fù)交變的交流信號(hào)，最大幅值接近2 V，且考慮到集成運(yùn)放的實(shí)際應(yīng)用，其輸出電壓的范圍為0~4.6 V，傳聲器信號(hào)經(jīng)偏置后電壓范圍為0.5~4.5 V，因此，為保證信號(hào)不失真，綜合考慮后，該放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)趨近于1，故本次設(shè)計(jì)選擇R4=10 kΩ，R5=1 MΩ。

本次設(shè)計(jì)的調(diào)理電路還包含電壓偏置作用。偏置電路是通過(guò)給集成運(yùn)放的正向輸入端(即信號(hào)輸入端)串聯(lián)電阻接入2.5 V的直流電壓實(shí)現(xiàn)的。接入2.5 V的直流電壓使得輸入為正負(fù)交錯(cuò)的交流信號(hào)整體偏置2.5 V，便于A/D芯片的采集及隨后的數(shù)據(jù)分析。最后，為使采集到的模擬信號(hào)比較穩(wěn)定，系統(tǒng)特意添加了電壓跟隨電路。

2.3　A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換[6-7]選用了ADS8365芯片。該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)6路同時(shí)采樣，是一種高速、低功耗、同步采樣轉(zhuǎn)換器件，具有16位高速并行接口。每片ADS8365由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 kS/s的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都帶有采樣保持器。3個(gè)ADC可組成3對(duì)模擬輸入，可對(duì)其中的輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持，最大采樣吞吐率可高達(dá)5 MHz。該芯片的輸出信號(hào)為16位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，分辨率可達(dá)1/(216-1)，精度滿足試驗(yàn)需求。此外，該芯片在50 kHz的高噪環(huán)境中，共模抑制比可達(dá)80 dB，特別適用于高噪環(huán)境。A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖4　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)示意圖

3試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的調(diào)理電路。調(diào)試試驗(yàn)主要包括：檢測(cè)采集板電源模塊的各個(gè)電壓等級(jí)是否滿足設(shè)計(jì)試驗(yàn)要求；調(diào)理電路是否能夠保證波形的不失真；波形經(jīng)調(diào)理電路之后輸出電壓的范圍是否合適；A/D采集應(yīng)首先保證其外圍電路工作正常。出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),應(yīng)檢查外接晶振是否起振,外圍電路是否與芯片技術(shù)資料中介紹的工作狀態(tài)一致，信號(hào)接入是否合適等[8]。

試驗(yàn)中，輸入信號(hào)擬采用信號(hào)發(fā)生器給定一個(gè)頻率為1 kHz、幅值為±2.000 V的正弦交流信號(hào)和頻率為50 kHz、幅值為±2.000 V的正弦交流信號(hào)，其中1 kHz信號(hào)屬于通帶頻率信號(hào)，50 kHz信號(hào)為阻帶頻率信號(hào)。經(jīng)試驗(yàn)，該電路對(duì)通帶頻率信號(hào)有良好的傳遞特性，對(duì)阻帶頻率信號(hào)的抑制作用很明顯。

多次試驗(yàn)后，調(diào)理電路對(duì)通帶信號(hào)的滯后延時(shí)Δt均在6 μs左右。由于本次輸入波形的頻率為1 kHz，因此可知該調(diào)理電路的相位差為：

Δα=Δt×360°×f=10×10-6×360×1×103=3.6°

(4)

該相位偏差比較穩(wěn)定，且相位偏差比較小，基本滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。A/D數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及實(shí)際電壓值如表1所示。

表1　A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓值

試驗(yàn)中為檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度，對(duì)A/D采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，輸入信號(hào)為頻率12.5 kHz、幅值2 V的交流正弦波信號(hào)。

由于本次采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片的采樣率為250 kS/s，輸入信號(hào)為12.5 kHz，計(jì)算得出采樣數(shù)據(jù)每20個(gè)數(shù)據(jù)一個(gè)輪回，所以在此只列出其中20個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)。根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，我們可以繪出其對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)曲線，如圖5所示。

圖5　Matlab繪制的二位曲線坐標(biāo)圖

由圖5可以看出，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換之后還原的波形趨近于正弦波。隨著周期采樣個(gè)數(shù)的增加，這條曲線會(huì)變得更加光滑，更加貼近實(shí)際效果。

4結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路，其主要設(shè)計(jì)目的是保證采集到的信號(hào)不會(huì)發(fā)生失真，且信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理、轉(zhuǎn)換后，相位偏差比較小且穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)分析不難得到，設(shè)計(jì)的調(diào)理電路能夠保證以上要求，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

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中圖分類號(hào)：TN925+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502022

國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011AA0404040)。

修改稿收到日期：2014-04-25。

第一作者閆安斌(1989-)，男，現(xiàn)為中北大學(xué)電子與通信工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)聲定位目標(biāo)跟蹤的研究。