基于MSP430的聲音定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：聲源定位在當(dāng)今日益智能化的社會(huì)中有著諸多方面的應(yīng)用，特別是在智能控制，軍事等領(lǐng)域。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為控制核心，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車作為移動(dòng)聲源載體，設(shè)計(jì)兩個(gè)間距固定的麥克風(fēng)作為接收設(shè)備，測(cè)量聲源發(fā)聲到麥克風(fēng)接收到聲音的時(shí)間差數(shù)據(jù)，聲源通過無線模塊接收到數(shù)據(jù)從而計(jì)算出聲源的坐標(biāo)，然后控制聲源小車運(yùn)行到指定坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位控制。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能精確的控制小車到達(dá)指定坐標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：聲音定位；MsP430；無線控制；步進(jìn)電機(jī)

    定位系統(tǒng)是當(dāng)今很熱門的一個(gè)研究課題，國(guó)內(nèi)外測(cè)距定位技術(shù)常用到的有激光測(cè)距定位，超聲波測(cè)距定位，CPS定位等，而利用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)也兇其低成本，易實(shí)現(xiàn)，精確度較高等優(yōu)勢(shì)而在飛速發(fā)展，存智能控制領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要南移動(dòng)聲源，聲音接收處理，軟件處理三大部分組成如圖1所示。移動(dòng)聲源主要以小車為載體由蜂鳴器產(chǎn)生周期性的聲音信號(hào)。聲音接收處理由麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波等，直至將信號(hào)送入單片機(jī)。軟件處理部分由送入單片機(jī)的信號(hào)做出相應(yīng)判斷并控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給移動(dòng)聲源，移動(dòng)聲源再做相應(yīng)調(diào)整。

1．1 聲音接收處理部分
    采用差分放大器AD620放大接收到的微弱的聲音信號(hào)，后級(jí)利用MAX264構(gòu)成Q值較高的帶通濾波器，濾波之后的信號(hào)跟一級(jí)放大以提高相鄰兩脈沖幅度差，放大之后信號(hào)再經(jīng)比較器LM311整形得到脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)送入MSP430處理，處理之后得到時(shí)間差數(shù)據(jù)，通過無線模塊NRF24L01將數(shù)據(jù)送到聲源做處理。同時(shí)鍵盤輸入的目的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)也通過無線模塊傳輸?shù)铰曉础?br /> 1．2 移動(dòng)聲源部分
    聲源載體為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩輪小車，利用蜂鳴器發(fā)聲。車上的MSP430控制蜂鳴器發(fā)聲，無線模塊收到來自聲音接收處理端發(fā)過來的數(shù)據(jù)后計(jì)算出聲源坐標(biāo)，根據(jù)目的坐標(biāo)點(diǎn)由MSP430輸出相應(yīng)PWM波控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使小車移動(dòng)到目的坐標(biāo)點(diǎn)。
1．3 軟件處理部分
    聲源發(fā)出周期性的聲音信號(hào)，開始發(fā)聲時(shí)刻通過無線模塊給接收端一個(gè)標(biāo)志，接收端開啟定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，出現(xiàn)有效中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，即可得到時(shí)間差數(shù)據(jù)。聲源部分接收到時(shí)間差數(shù)據(jù)后計(jì)算出坐標(biāo)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件模塊電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)可行性分析
    聲源端和接收端都采用MSP430F449單片機(jī)，外部品振8 MHz，則：時(shí)鐘周期=0．125μs。根據(jù)系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)核心是測(cè)出聲音信號(hào)到兩接收點(diǎn)的時(shí)間差。現(xiàn)系統(tǒng)的精度要求為1 cm，聲波速度為344 m／s則：時(shí)間精度Te=0．01／344=29μs。單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間精度能夠執(zhí)行的指令個(gè)數(shù)為：Te／Tsck=29／0．125=232。本系統(tǒng)中，由接收端通過無線信號(hào)控制移動(dòng)聲源的停車和移動(dòng)，所以移動(dòng)聲源的位置誤差產(chǎn)生主要是來自于接收端和聲源之間的無線通信，而無線通信主要的耗時(shí)來自單片機(jī)內(nèi)無線指令的執(zhí)行，而1 cm誤差范圍內(nèi)的232條指令時(shí)間足夠執(zhí)行無線指令。聲源部分的單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接收點(diǎn)之間的無線通信，控制小車運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生周期性聲波等操作，對(duì)精度要求不高。綜上所述，采用MSP430F449單片機(jī)作為聲源端和接收端控制芯片完全滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
2．2 功能模塊電路設(shè)計(jì)
    (1)差分放大電路設(shè)計(jì)
    采用雙麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)，能大大減小環(huán)境噪聲干擾，提高共模抑制比。采用儀表放大器AD620進(jìn)行差分放大，AD620共模抑制比可達(dá)100dB以上，能夠有效的抑制共模噪聲，并且可達(dá)到60 dB的放大倍數(shù)，僅需一個(gè)外接電阻就可調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)。采用雙麥克風(fēng)差分放大的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于：放大輸出信號(hào)的幅度不再是與聲源和麥克風(fēng)之間的距離成反比，而是其幅度隨聲源在平面坐標(biāo)的不同而隨機(jī)發(fā)生很小范圍的波動(dòng)(這是由于電路放大的是兩個(gè)麥克風(fēng)聲音信號(hào)之差，距離遠(yuǎn)聲音信號(hào)之差不會(huì)變的很小，距離近聲音信號(hào)之差也不會(huì)很大)，這有利于比較器門限的設(shè)定。但由于采用雙麥克風(fēng)差分放大，即使AD620放大倍數(shù)很高，放大后的信號(hào)峰值仍然不超過100 mV，須進(jìn)一步放大。系統(tǒng)后級(jí)放大采用的是較高Q值的帶通濾波器，濾波的同時(shí)對(duì)中心頻率信號(hào)也有著很高的放大倍數(shù)。
    (2)聲音信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)以蜂嗚器作為聲源，蜂鳴器發(fā)出的聲音信號(hào)頻率為3．6 kHz。在聲音信號(hào)經(jīng)過前置放大電路以后，會(huì)引入高頻噪聲和低頻噪聲，因而必須在后級(jí)處理模塊中接入Q值較高的帶通濾波電路，濾波采用MAX264開關(guān)電容濾波器，能取得優(yōu)良的帶通濾波特性，同時(shí)較高Q值進(jìn)一步放大信號(hào)。由于開關(guān)電容濾波器難以避免有高頻開關(guān)噪聲，因而濾波輸出信號(hào)后接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通結(jié)，即可有效濾除時(shí)鐘信號(hào)帶來的高頻噪聲。
    (3)后級(jí)放大模塊設(shè)計(jì)
    濾波之后的信號(hào)噪聲幅度在20 mV以下，為了便于比較器門限的設(shè)定，再跟一級(jí)放大以提高比較信號(hào)兩相鄰脈沖幅度之差，這有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定丁作。選用高CMRR運(yùn)放OPA602。
    (4)比較整形模塊設(shè)計(jì)
    為了能對(duì)濾波輸出聲音信號(hào)進(jìn)行處理，需要將模擬信號(hào)整形成能被單片機(jī)識(shí)別的TTL脈沖信號(hào)。采用比較器LM311實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的整形，得到的信號(hào)接到MSP430擴(kuò)展的中斷口上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間差的測(cè)量。
    (5)無線發(fā)射模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用無線收發(fā)模塊RF24L01進(jìn)行誤差信號(hào)的傳輸。該芯片1．9～3．6 V供電，功耗小。其內(nèi)置2．4GHz天線，并采用高效的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。這款芯片制成了PCB板，內(nèi)置專門的穩(wěn)壓電路，使其在各類的電源供電情況下，都有很好的通信效果。該模塊可以通過軟件設(shè)置地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接與各種單片機(jī)連接使用，軟件編程十分方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    聲源引導(dǎo)部分的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)可移動(dòng)聲源發(fā)聲命令的發(fā)送，時(shí)間差信號(hào)的接收與處理，載體小車上電機(jī)控制命令的發(fā)送以及無線發(fā)射模塊的控制?？梢苿?dòng)聲源部分的單片機(jī)主要完成對(duì)無線接收模塊上寄存器的查詢，得到聲源引導(dǎo)部分發(fā)出的數(shù)據(jù)命令，并對(duì)可移動(dòng)聲源部分的蜂鳴器和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作一聲音定位系統(tǒng)，小車作為聲源載體可以移動(dòng)。A，B兩個(gè)麥克風(fēng)之間距離固定為1 m，小車起始位置為直線AB上方平面的任意點(diǎn)，但須保證車頭方向與AB中垂線Ox垂直。鍵盤輸入目的坐標(biāo)點(diǎn)，小車應(yīng)能精確快速到達(dá)指定點(diǎn)。
4．1 測(cè)試數(shù)據(jù)
    數(shù)據(jù)如表1所示。

4．2 測(cè)試結(jié)果分析
    從測(cè)得數(shù)據(jù)來看，精確度比較可靠，測(cè)得坐標(biāo)誤差最大為0．8 mm，控制小車運(yùn)動(dòng)到指定位置的誤差最大為1．0 cm，這可能是由于小車在啟動(dòng)和轉(zhuǎn)彎過程中帶來的，也可能是由于前面測(cè)坐標(biāo)的誤差放大帶來的。