基于飛思卡爾單片機的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計

張茂云　陳風(fēng)龍　唐晨

【摘 要】聲音導(dǎo)引系統(tǒng)可以由聲音實現(xiàn)對機器的智能控制，在產(chǎn)業(yè)、民用等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。本文基于飛思卡爾單片機，設(shè)計了聲音引導(dǎo)系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)和移動聲源系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)采用C語言集成開發(fā)環(huán)境編寫人性化的操作界面，利用高效簡潔的算法優(yōu)化運動軌跡，實現(xiàn)了智能控制。系統(tǒng)低功耗，性價比高，經(jīng)調(diào)試和測試，系統(tǒng)各項性能運行穩(wěn)定，可以有效的實現(xiàn)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的精確控制。

【關(guān)鍵詞】聲音導(dǎo)引；無線收發(fā)；飛思卡爾；DG128 Atmega8

1 系統(tǒng)設(shè)計方案論證

1.1 設(shè)計方案簡介

AB與AC垂直，Ox是AB的中垂線，O'y是AC的中垂線，W是Ox和O'y的交點。若移動聲源與A、B、C的間距較小，會加大誤差。為保證數(shù)據(jù)有效，聲源可運動的范圍應(yīng)保持在ox右側(cè)。當(dāng)可移動聲源到達ox后，應(yīng)該有燈光和聲音信號提示超過最有效的運動范圍。在其運動過程中如若進入ox左側(cè)區(qū)域，超出范圍應(yīng)盡量保持在2cm以內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)有效。聲源向ox運動且到達ox停止停止后得到聲源與ox間距，ox與聲源的間距即為定位誤差。定位誤差范圍應(yīng)保持在1cm以內(nèi)。對于聲源，應(yīng)該確保發(fā)出周期性音頻脈沖信號，音頻信號頻率、脈沖周期根據(jù)下文分析選定位正常聲波，頻率在20Hz-20000Hz之間，周期在5×10-5-5×10-2之間。

平均速度=■（1）

響應(yīng)的平均速度計算方法由公式（1）明確給出，響應(yīng)時間即為聲源發(fā)出音頻信號等待反饋信號，在接收到反饋信號后開始產(chǎn)生位移，在到達ox所在位置時停止運動，此次整體運動過程所花費的時間。將其得到的值利用公式（1）計算得出結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

聲源的聲波選擇可以選用超聲波、正常聲波、次聲波。超聲波易檢測，且處理簡單控制精度高，但由于是不符合要求的音頻信號，因此排除在外。正常聲源定位，聲波符合音頻信號范圍。但是由于其頻率低，易于受到外界干擾而不利于處理芯片采集，因此在電路設(shè)計時應(yīng)先將音頻信號采集出來，然后經(jīng)過選頻濾波電路處理，得到易于處理器分析的正確頻率信號。綜合以上內(nèi)容及電路設(shè)計，最終本文介紹利用正常聲源定位。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

該系統(tǒng)中有涵蓋了智能控制系統(tǒng)、發(fā)聲系統(tǒng)、動力與轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)四大模塊的移動聲源系統(tǒng)模塊和包含接收器和主要智能控制系統(tǒng)的接收器主機系統(tǒng)模塊。這兩大模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，基本涵蓋了所有的功能。

2.1 移動聲源部分

（1）智能控制系統(tǒng)

ATmega8是以增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達 1MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)為核心的最小系統(tǒng)板為移動聲源發(fā)聲、無線通信提供了靈活而低成本的解決方案。另外， ATmega8具有三通道PWM，此工能可以方便地控制舵機、驅(qū)動電機。

需要注意的是，由于機器需要長時間工作，盡量避免頻繁更換電池，所以必須是低功耗、節(jié)能設(shè)計。Atmega8在4Mhz且工作電壓為3.3V（25°C）時的工作電流為3.6mA，空閑模式電流為1.0mA，最大程度上減少功耗。

（2）發(fā)聲系統(tǒng)

本設(shè)計采用直流供電電壓6V～24V的SFM-27連續(xù)型有源蜂鳴器，產(chǎn)生頻率為3KHZ的音頻信號，與聲源接收系統(tǒng)組成整個引導(dǎo)體系的發(fā)送與接收，從而使機器移動。

（3）動力與轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

由上文中提到的響應(yīng)的平均速度計算方式可以計算出響應(yīng)速度的均值，在平均速度大于10cm/s的前提下，想要不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，動力系統(tǒng)響應(yīng)速度也是非常重要的環(huán)節(jié)。

本文中采用的是Lm298芯片作為驅(qū)動器，這是一款高壓、大電流雙全橋式的驅(qū)動器，它的可以接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載，且為使電子元件不受輸入信號影響該芯片應(yīng)用兩抑制輸入來避免。Lm298芯片還能通過軟件開發(fā)得方式簡化和減輕主控芯片的負擔(dān)。另外通過光電耦合可極大地減小對主控芯片的干擾。通過ATmega8的I/O口驅(qū)動，能夠方便地操控步進電機實現(xiàn)精確移動和轉(zhuǎn)向。

（4）電源管理系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件設(shè)計中不可或缺的管理單元即為電源管理單元，它在整個電源系統(tǒng)中扮演著重要的角色。系統(tǒng)采用12V電源供電。系統(tǒng)各個單元正常工作狀態(tài)下所需電壓不同，大致需要3.3V、5V、12V三種電壓，所以電源系統(tǒng)需將電壓值分為三個段位輸出。三個電壓檔的具體實現(xiàn)如下： LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，LM1117-3.3可將輸出電壓固定在3.3V。本系統(tǒng)選用LM1117是因為它能夠為系統(tǒng)限制電流同時有熱保護功能并且具有1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以達到為系統(tǒng)供給電壓的精度控制在±1%。

2.2 接收器主機部分

（1）接收器

系統(tǒng)設(shè)計由3個接收器實現(xiàn)定位，接收器由微音器與放大電路組成，并通過主機供電，接收器之間為有線連接。微音器的接收范圍為300～3400HZ，放大器采用LM386。

根據(jù)聲音傳輸時的衰減因數(shù)和接收端對信號的幅度要求，以及后續(xù)音頻處理芯片的處理能力，預(yù)計將音頻信號放大4000倍。放大器通過LC串聯(lián)諧振選頻電路得到中心頻率為3K的音頻信號，再經(jīng)兩片LM386級聯(lián)的放大的級聯(lián)電路放大，其中一級放大倍數(shù)為200，二級放大倍數(shù)為20倍，這可以讓信號快速進入飽和區(qū)。

（2）接收主機智能芯片

接收主機采用飛思卡爾單片機。該系統(tǒng)的核心控制采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位HCSl2系列單片機MC9S12DGl28。其主要特點是高度的功能集成，易于擴展，低電壓檢測復(fù)位功能，看門狗計數(shù)器，低電壓低功耗，自帶輸入捕捉功能可以用來檢測聲音信號。

3 系統(tǒng)算法設(shè)計

3.1 誤差信號產(chǎn)生

誤差信號的產(chǎn)生是由于聲源發(fā)出的信號頻率很低，接收端受到外界音頻信號干擾較大，濾波網(wǎng)絡(luò)難以對聲音提純。其次音頻信號的放大器搭載了兩級lm386，對噪聲也進行了放大作用。同時在軟件編程上還存在一定的誤差。通過優(yōu)化算法設(shè)計可以盡量減小誤差。

3.2 控制量設(shè)計計算

控制量是通過產(chǎn)生的誤差信號產(chǎn)生的，假設(shè)可移動聲源在允許范圍內(nèi)任一點放置。將移動聲源與A的誤差信號設(shè)為Tas， 將移動聲源與B的誤差信號設(shè)為Tbs，將移動聲源與C的誤差信號設(shè)為Tcs。

首先使移動源到達Ox線，當(dāng)Tas>Tbs時移動聲源位于Ox線右側(cè)；當(dāng)Tas

其次使移動源到達W點，當(dāng)Tas>Tcs時移動聲源位于W點上方；當(dāng)Tas

4 測試結(jié)果分析

分別用計時器、米尺測量出移動聲源運動過程中的各項參數(shù)，確定起始位到OX線距離，確定定位誤差、響應(yīng)時間、左偏移量并算出可移動聲源的平均速度。

測試結(jié)果分析可知在不同起始位置出發(fā)時，小車的平均速度均幾乎可達10cm/s，滿足指標(biāo)要求，同時定位誤差及偏移誤差均達到題目要求標(biāo)準(zhǔn)。在聲源旋轉(zhuǎn)180度后仍可達到上述指標(biāo)。本聲源引導(dǎo)系統(tǒng)是完全符合指標(biāo)的聲源控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

根據(jù)多次測試結(jié)果顯示該聲音引導(dǎo)系統(tǒng)工作性能、穩(wěn)定性良好，經(jīng)過多次測試證明還系統(tǒng)具定位精度高，相應(yīng)時間短，測量誤差低等特點。實驗的同時還發(fā)現(xiàn)算法還具有較大的改進空間，其一、可以在移動端增加反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)變速運動、降低相應(yīng)時間；其二可以在移動端增加轉(zhuǎn)動系統(tǒng)實現(xiàn)360度的定位。另外，該系統(tǒng)功耗低，性價比高，具有的潛在開發(fā)價值。