基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位產(chǎn)品設(shè)計(jì)

郭志文 孫燕斌 余方能 張梅林 楊鯨會(huì) 黃裕滿

摘? 要：基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位產(chǎn)品以STC89C52為核心處理器，通過麥克風(fēng)陣列模塊獲取聲源信號(hào)，通過放大、濾波和整形導(dǎo)入處理模塊，最終通過TDOA定位法計(jì)算出聲源空間位置，控制攝像頭拍攝并通過1602LCD顯示聲源位置。

關(guān)鍵字：麥克風(fēng)陣列;TDOA定位算法

引言：隨著科技的發(fā)展，智能化設(shè)備已經(jīng)廣泛的用于災(zāi)區(qū)搜救、違章鳴笛抓拍和考場(chǎng)監(jiān)考之中。但是目前國(guó)內(nèi)沒有任何一款產(chǎn)品可以同時(shí)一次性解決這三類問題，而我們團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的智能聲源定位產(chǎn)品就可以輕易的達(dá)到這個(gè)目的。本文以自主研發(fā)的聲源定位產(chǎn)品為對(duì)象，基于TDOA定位算法算出聲源空間位置，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品實(shí)時(shí)拍攝與實(shí)時(shí)定位的功能。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)使用MAX9814高性能麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)矩陣獲取聲源信號(hào)，這些聲源信號(hào)通過放大、濾波、整形等步驟處理后傳給單片機(jī)STC89C52。單片機(jī)經(jīng)過相關(guān)計(jì)算與TDOA定位算法，得出聲源的空間位置，隨后根據(jù)該位置控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)并通過1602LCD顯示聲源的位置坐標(biāo)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.電源模塊

電源由穩(wěn)壓部分、濾波部分、變壓部分構(gòu)成。提供給整個(gè)系統(tǒng)±12V或者±5V的電壓，保證電路的工作正常。由于電路較為簡(jiǎn)單，采用三端穩(wěn)壓管即可實(shí)現(xiàn)，故不做過多概述。

2.攝像頭模塊

攝像頭模塊選用RISYM攝像頭。根據(jù)本產(chǎn)品的需求，我們使用的攝像頭模塊須具備以下兩點(diǎn)功能：其一是具有能夠靈活運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)，來應(yīng)對(duì)各種工作環(huán)境下的工作視角;其二是具備可添加識(shí)別等模塊的功能，因?yàn)楸卷?xiàng)目的設(shè)計(jì)初衷需要攝像模塊具備識(shí)別、跟蹤、定位等多項(xiàng)功能。而該種類攝像頭正是具備上述兩點(diǎn)功能。

3.顯示模塊

選用1602LCD作為顯示模塊，它是一種應(yīng)用于數(shù)字、字母、符號(hào)等顯示的點(diǎn)陣型晶體模塊?？梢燥@示兩行，每行可顯示16個(gè)字，具備本產(chǎn)品顯示功能的基本需求，保證了坐標(biāo)的完整顯示。

4.信息處理模塊

選用單片機(jī)STC89C52作為信息處理模塊。STC89C52是一種功耗低、性能強(qiáng)的CMOS8位微控制器，具有8字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，STC89C52雖然使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是卻在其基礎(chǔ)之上做了許多改進(jìn)，例如在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash。STC89C52具有的標(biāo)準(zhǔn)功能有：256字節(jié)RAM，8k字節(jié)Flash，32位的I/O口線，三位16位的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，全雙工串口，時(shí)鐘電路及片內(nèi)晶振等等。另外在STC89C52進(jìn)行靜態(tài)邏輯操作時(shí)，有空閑和掉電保護(hù)這兩種模式。在第一個(gè)模式中，CPU停止工作，允許定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、RAM、中斷繼續(xù)工作，而在第二種模式之中，振蕩器被停止，RAM被保存，直到硬件復(fù)位或下一個(gè)中斷復(fù)位為止，單片機(jī)停止一切工作。保證了數(shù)據(jù)的接收、處理與發(fā)送等功能的正常運(yùn)作。

5.麥克風(fēng)陣列技術(shù)

選用全向麥克風(fēng)作為信息收集模塊。所謂的全向麥克風(fēng)就是一種采集聲音的裝置，該裝置運(yùn)用多個(gè)麥克風(fēng)的特定排列與相應(yīng)算法的應(yīng)用，就可以采集在不同空間方向上傳播的聲音。與單向、雙向、心型麥克風(fēng)相比，全向麥克風(fēng)可以在一定范圍內(nèi)接收來自空間中任意方向上的聲音，完美的契合了本產(chǎn)品在相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景中的需求。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TDOA定位算法

基于麥克風(fēng)陣列的到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，該方法首先利用數(shù)據(jù)處理模塊接收并處理來自麥克風(fēng)陣列所收集的聲源信號(hào)，根據(jù)定時(shí)器的定時(shí)功能得到聲源信號(hào)到達(dá)空間不同位置麥克風(fēng)的時(shí)間，再利用該時(shí)間差求得聲源信號(hào)達(dá)到不同位置麥克風(fēng)的距離差，最后用再利用相關(guān)算法確定聲源信號(hào)的空間位置。

基于時(shí)間差的定位原理

三、結(jié)語

本文介紹了一種基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位產(chǎn)品。改產(chǎn)品通過放大、濾波、整形等步驟處理后傳給單片機(jī)STC89C52。單片機(jī)經(jīng)過相關(guān)計(jì)算與TDOA定位算法，得出聲源的空間位置，隨后根據(jù)該位置控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)并通過1602LCD顯示聲源的位置坐標(biāo)。最終實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)搜救、違章鳴笛抓拍和考場(chǎng)監(jiān)考這三個(gè)問題的解決。

參考文獻(xiàn)

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