声探测引导系统及信号采集处理电路设计 陈庆霆 武林 沈卫极 吴武飞 （南京航空航天大学，浙江师范大学,湖南大学） 摘要：本文介绍了一种通过固定频率的音频信号实现对可移动声源的引导和控制的方法，分析了音频信号 采集电路的设计思路以及控制算法的实现。设计了对固定频率的音频信号的采集、放大以及滤波处理电路， 并通过无线模块实现了对可移动声源的引导与控制，使其到达指定的区域。 关键词：音频信号处理；声源定位；C8051F330； Design for sound detection system and signal acquisition circuit Chen Qingting Wang Chenghua (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ,Jiangsu Nanjing 210016 ) Abstract: In this paper, we propose a method on realizing guidance and control to mobile acoustic source by frequence-fixed sound signals. It analyses the design procedure of a voice signal circuit and control algorithm. Signal collecting, amplifying and filtering processing circuit is designed. The mobile acoustic source can arrive at the area appointed by guidance and control of a wireless module. Keywords: audio signal processing；sound source localization；C8051F330； 1 引言 声探测是一种采用声学原理、利用音频 信号采集电路来获取声波信息，从而实现对 目标的识别的定位的技术。这项技术早在第 一次世界大战期间就已应用于战场，用于探 测敌方的火炮发射位置[1]。近些年来，由于 强烈的需求牵引，声探测技术在各领域发展 迅速，在军事中，如反狙击手声测定位、 电子哨兵等，在商业领域里[2]，如电话会议、 视频会议等系统中控制摄像头对准正在说 话的人等，都发挥了重要的作用。 C8051F330 来控制，其中音频接收器端的控 制器为主控制器。音频接收器可以接收并处 理可移动声源平台发出的音频信号，在主控 制器的控制下引导可移动声源按指定路线 移动。音频接收器由音频信号采集处理电 路、无线收发模块组成，可移动声源以小车 为平台，由音频功放、发光指示电路、电机 控制和驱动电路等组成。系统框图如图 1、 图 2 所示。 其中音频信号采集与处理是声音引导 系统的核心部分，其稳定性与精度直接影响 到系统的性能。 2 系统设计 2.1 系统概述 本系统以 2009 年全国大学生电子设计 竞赛的声音导引系统为模型设计。系统由一 个可移动声源和三个不同方位的音频接收 器这两个单元组成，各以一块低功耗单片机 图 1 可移动声源系统框图 发光提示C8051F330无线收发模块PWM产生电机驱动音频功放喇叭

差值。实验发现经过放大以后的音频信号幅 值差不明显且与位移不存在线性关系，但是 由于音频信号在不同距离上传播时间不同， 所以在两个不同位置的接收器上会产生一 定的时间差。系统采用测时间差的设计思路 来设计音频信号采集处理电路。 音 频 检 测 整 形 电 路 采 用 的 是 一 片 AD8604，它内部集成了四路运放，带宽增益 为 8M，为轨对轨输出的单电源低功耗的运 放。单个音频信号接收器的音频信号放大整 形电路如图 3 所示。该电路包括三级增益放 大器、两级有源滤波器和一级比较器，测得 电路增益为 52dB，输出 5V 脉冲信号。方便 系统下一步的相位检测。 图 2 音频信号接收器系统框图 2.2 主要硬件模块设计 2.2.1 音频信号采集处理模块[3] 由于各个接收器距离可移动声源的远 近不同，因此在相同音频信号作用下，可将 距离转换为接收器接受信号的强弱和相位 2.2.2 无线通信模块 2.2.4 音频功放模块 图 3 音频信号采集处理电路原理图 无线模块选用 nRF24L01 集成无线收发 模块，该无线模块工作于 2.4GHz 全球开发 ISM 频段。它使用 SPI 接口，而且具有自动 应答和自动再发射功能；内置频率合成器、功 率放大器、调制器等功能模块。其工作电压 为 1.9-3.6V，在发射模式下，工作电流约为 9mA，接收模式下工作电流约为 12mA。该模 块数据传输误码率低，快速，功耗低。 2.2.3 电机控制与驱动模块 驱动采用电机控制芯片 MMC-1 产生 PWM 信号来控制驱动电路。MMC-1 为组委会提供 的多通道两相四线式步进电机/直流电机控 制芯片，通过 UART 或 SPI 串行接口，电机 驱 动 使 用 飞 思 卡 尔 专 用 电 机 驱 动 芯 片 MC33886。该芯片的工作电压为 5-40V，导通 电阻为 100 毫欧姆。具有短路保护、欠压保 护、过温保护等功能。 音频功放电路使用 IR 公司的 IR4427 双道驱动芯片，IR4427 是一款低电压、高速 的场效应管驱动集成电路，最高驱动电路可 达 2A。实验过程种发现将其用于驱动 3W 扬 声器，有良好效果。而且该芯片体积小，质 量轻，有效减轻了移动声源的质量。设计电 路如图 4 所示。 图 4 音频功放模块 3 控制理论和控制算法 控制理论和算法是系统的灵魂，本系统 前置音频放大电路有源滤波器信号放大器整形电路A单元B单元C单元无线收发模块键盘/液晶模块C8051F3301234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:15-Dec-2010Sheet of File:L:\实验室旧电脑\Download\PCB\音频信号.ddbDrawn By:MKVCCVCCR12KR22KR31MR51MR710KR11100KC40.1ufC20.01ufC30.01ufC61ufC51ufC8100pfC7100pfR41MR810KR910KR131KR1010KR121KR141KR1520KR610kVCCOUT+-AD8604+-AD8604+-AD8604+-AD8604

3.2 相位差法[45] 相位差方法可以定位个别特殊的位置， 如 A、B 两点之间的中心线以及整个矩形区 域的中心等，这种方法适合用于某些特殊的 场合。 为了使可移动声源到达 OX 线，采用测 量接收器 A 和接收器 B 接收到音频信号经放 大滤波处理整形后的相位差，如图 6 所示。 根 据 音 频 在 空 气 中 的 传 播 速 度 ， 可 得 340*t2=L2-L3。当到达中心线 OX 时，相位差 为 0,此时 t2=0.同理可实现将声源引导到矩 形的中心位置。本系统采用了此种方法。 图 6 可移动声源示意图 3.3 软件滤波算法 由于噪声、回声等对有用音频信号存在 干扰，系统除了采用硬件电路进行有源滤波 外，还设计了软件滤波算法，增强了对噪声 特别是回声的抗干扰能力。 以到达中心线 OX 为例，主控制器的 PCA 初始为关闭状态，先由主控制器向可移动声 源发出一次发声指令，延时一段时间后（延 时大小为经验值）打开主控制器 PCA，捕捉 音频信号，计算时间差值，计算完毕后关闭 PCA，然后不断重复以上过程，便可计算得 声源处于不同位置时的时间差值。即通过定 时开关 PCA 来增强抗干扰功能，其中主控制 器的发声指令频率即为声源的发声频率。 4 软件设计 系统软件设计基于以上的相位差法和 软件滤波算法，分为两个单元，分别音频接 收器单元和可移动声源单元，分别如图 7、 图 8 所示。 4.1 音频接收器单元程序流程图 设计了两种控制算法。 3.1 余弦定理法 设接收器 A 为坐标原点，AC 为 Y 轴，AB 为 X 轴建立坐标，如图 5 所示的声音引导示 意图。设 L_SC=L1，L_SA=L2，L_SB=L3，L1 与 L2 的差值为 a，L3 与 L2 的差值为 b，根据余 弦定理建立如下方程组(长度单位：m，时间 单位：s)： 图 5 声音引导示意图 其中 t1、t2 分别表示声音到达 A 与 C 和 到达 A 与 B 之间的时间差值，其值可正可负。 与 A 点相比较，当声音先到达 C 点时 t1<0， 先到达 B 点时 t2<0，否则 t1>0、t2>0。联合 (3)、(4)、(5)、(6)、(7)式可得下式： (8) 根据式(8)利用求根公式可求得 L2 的值。再 根据式(3)、(4)、(5)、(6)分别求得 L1、L3、 cos 、sin 的值。最终求得声源坐标为： 该方案可求出可移动声源当前所在位 置，可以使声源到达任意指定的位置，但是 其计算量和数据量均较大，适合在具有较高 处理速度和较大 RAM 的控制器上运行。 接收器A接收器C接收器BL1L2L3声源S0.50.511Y/mX/m）（）（）（）（）（）（）（7 1cossin6 cos215 )90(cos214 b3 a2 *3401 *340222222322221232121LLLLLLLLLLtbta0222444a444422442332222babaLbabLbasincos22LYLXt2AB声源S中心线OXL2L3

图 7 音频接收器单元程序流程图 4.2 可移动声源单元程序流程图 发声频率为 20Hz。 表 2 数据测试 到 Ox 线 到中心点 次 数 平均 速度 (cm/s) 定位 误差 (cm) 次 数 平均 速度 (cm/s) 1 11.1 2 12.0 3 12.1 4 11.4 5 11.5 平均误差 1 2 3 4 5 0.5 11.4 0.8 11.2 0.8 11.5 0.6 11.6 0.7 11.5 0.68 平均误差 定位 误差 (cm) 0.8 0.5 1.2 0.6 0.5 0.72 6 结语 实验结果表明，基于图 3 所示的音频信 号采集处理电路原理图，使用相位差法和软 件滤波法能够提高系统精度的同时，还可以 增强其抗噪声的能力。而且，整个系统在设 计过程中，在机械结构上做了一些改进，在 可移动声源的发生器上罩上一个圆柱形罩 子，产生一个“聚声”效应，提高了发生器 的响度，同时在音频接收器的接收端罩上一 喇叭形状的罩子，可以增强音频接收器的灵 敏度。 同时系统也存在一些不足之处，由于处 理器处理速度的限制，采用的是相位差法， 只能使声源到达某些特殊的位置。为了使可 移动声源能够达到任意指定的位置，可以使 用有更高处理速度和更大 RAM 的控制器，采 用余弦定理法实现。 图 8 可移动声源单元程序流程图 参考文献 5 数据测试 位论文,2007. 测试仪器如表 1 所示。 [2] 郑珍珍,冯华君,沈常宇.基于坐标系变换的三 维 声 源 定 位 算 法 [J]. 浙 江 大 学 学 报 （ 工 学 [1] 季瑞.被动声探测系统及应用研究[D],硕士学 表 1 测试仪器 版）,2008,42(2).341-343. 仪器名称 型号 [3] 王成华,王友仁,胡志忠.现代电子技术基础. 秒表 卷尺 普通秒表 普通 2m 卷尺 模拟部分[M].2005.2. [4] 林志斌,徐柏龄.基于传声器阵列的声源定位 示波器 DS1012 [J]. 电声技术, 2004( 5) : 19-23. 数字万用表 VC1044(1/2） 直流电源 LW3003KD 可移动声源音频信号的频率为 2.8kHz， 开始初始化无线发送发声指令打开PCA中断0,1接收器A、B接收音频信号时间差t2计算t2<设定时间差发送停车指令无线接收到反馈信号无线发送发声指令打开PCA中断0,2接收器A、C接收音频信号时间差t1计算t1<设定时间差发送停车指令结束NYY等待N开始初始化接收到发声指令发声/启动电机接收到停车指令停车发出5s声光指示调用转向判断程序转向90 转向完成发送反馈指令声源到达中心点等待NYYN结束YN