基于MSP430的聲音定位系統的設計

摘要：聲源定位在當今日益智能化的社會(huì )中有著(zhù)諸多方面的應用，特別是在智能控制，軍事等領(lǐng)域。文中設計的系統以MSP430F449單片機為控制核心，步進(jìn)電機驅動(dòng)的小車(chē)作為移動(dòng)聲源載體，設計兩個(gè)間距固定的麥克風(fēng)作為接收設備，測量聲源發(fā)聲到麥克風(fēng)接收到聲音的時(shí)間差數據，聲源通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊接收到數據從而計算出聲源的坐標，然后控制聲源小車(chē)運行到指定坐標實(shí)現定位控制。經(jīng)測試，本系統能精確的控制小車(chē)到達指定坐標點(diǎn)，系統工作穩定。
關(guān)鍵詞：聲音定位；MsP430；無(wú)線(xiàn)控制；步進(jìn)電機

定位系統是當今很熱門(mén)的一個(gè)研究課題，國內外測距定位技術(shù)常用到的有激光測距定位，超聲波測距定位，CPS定位等，而利用音頻信號實(shí)現定位的技術(shù)也兇其低成本，易實(shí)現，精確度較高等優(yōu)勢而在飛速發(fā)展，存智能控制領(lǐng)域有著(zhù)較廣泛的應用。

1 系統整體設計
系統主要南移動(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(chē)為載體由蜂鳴器產(chǎn)生周期性的聲音信號。聲音接收處理由麥克風(fēng)接收聲音信號并對信號進(jìn)行放大濾波等，直至將信號送入單片機。軟件處理部分由送入單片機的信號做出相應判斷并控制無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數據和命令給移動(dòng)聲源，移動(dòng)聲源再做相應調整。

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，后級利用MAX264構成Q值較高的帶通濾波器，濾波之后的信號跟一級放大以提高相鄰兩脈沖幅度差，放大之后信號再經(jīng)比較器LM311整形得到脈沖信號作為中斷信號送入MSP430處理，處理之后得到時(shí)間差數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊NRF24L01將數據送到聲源做處理。同時(shí)鍵盤(pán)輸入的目的坐標點(diǎn)數據也通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸到聲源。
1．2 移動(dòng)聲源部分
聲源載體為步進(jìn)電機驅動(dòng)的兩輪小車(chē)，利用蜂鳴器發(fā)聲。車(chē)上的MSP430控制蜂鳴器發(fā)聲，無(wú)線(xiàn)模塊收到來(lái)自聲音接收處理端發(fā)過(guò)來(lái)的數據后計算出聲源坐標，根據目的坐標點(diǎn)由MSP430輸出相應PWM波控制步進(jìn)電機轉動(dòng)使小車(chē)移動(dòng)到目的坐標點(diǎn)。
1．3 軟件處理部分
聲源發(fā)出周期性的聲音信號，開(kāi)始發(fā)聲時(shí)刻通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊給接收端一個(gè)標志，接收端開(kāi)啟定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，出現有效中斷信號后停止計時(shí)，即可得到時(shí)間差數據。聲源部分接收到時(shí)間差數據后計算出坐標控制電機運動(dòng)。

2 系統硬件模塊電路設計
2．1 系統可行性分析
聲源端和接收端都采用MSP430F449單片機，外部品振8 MHz，則：時(shí)鐘周期=0．125μs。根據系統算法的設計，系統核心是測出聲音信號到兩接收點(diǎn)的時(shí)間差?，F系統的精度要求為1 cm，聲波速度為344 m／s則：時(shí)間精度Te=0．01／344=29μs。單片機在一個(gè)時(shí)間精度能夠執行的指令個(gè)數為：Te／Tsck=29／0．125=232。本系統中，由接收端通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號控制移動(dòng)聲源的停車(chē)和移動(dòng)，所以移動(dòng)聲源的位置誤差產(chǎn)生主要是來(lái)自于接收端和聲源之間的無(wú)線(xiàn)通信，而無(wú)線(xiàn)通信主要的耗時(shí)來(lái)自單片機內無(wú)線(xiàn)指令的執行，而1 cm誤差范圍內的232條指令時(shí)間足夠執行無(wú)線(xiàn)指令。聲源部分的單片機主要負責接收點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信，控制小車(chē)運動(dòng)，產(chǎn)生周期性聲波等操作，對精度要求不高。綜上所述，采用MSP430F449單片機作為聲源端和接收端控制芯片完全滿(mǎn)足系統的性能指標。
2．2 功能模塊電路設計
(1)差分放大電路設計
采用雙麥克風(fēng)接收聲音信號，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100dB以上，能夠有效的抑制共模噪聲，并且可達到60 dB的放大倍數，僅需一個(gè)外接電阻就可調節其放大倍數。采用雙麥克風(fēng)差分放大的一個(gè)重要優(yōu)勢在于：放大輸出信號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的不同而隨機發(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)聲音信號之差，距離遠聲音信號之差不會(huì )變的很小，距離近聲音信號之差也不會(huì )很大)，這有利于比較器門(mén)限的設定。但由于采用雙麥克風(fēng)差分放大，即使AD620放大倍數很高，放大后的信號峰值仍然不超過(guò)100 mV，須進(jìn)一步放大。系統后級放大采用的是較高Q值的帶通濾波器，濾波的同時(shí)對中心頻率信號也有著(zhù)很高的放大倍數。
(2)聲音信號濾波模塊設計
本系統以蜂嗚器作為聲源，蜂鳴器發(fā)出的聲音信號頻率為3．6 kHz。在聲音信號經(jīng)過(guò)前置放大電路以后，會(huì )引入高頻噪聲和低頻噪聲，因而必須在后級處理模塊中接入Q值較高的帶通濾波電路，濾波采用MAX264開(kāi)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。由于開(kāi)關(guān)電容濾波器難以避免有高頻開(kāi)關(guān)噪聲，因而濾波輸出信號后接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通結，即可有效濾除時(shí)鐘信號帶來(lái)的高頻噪聲。