【正文】 與信息處理、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下，聲音信號(hào)處理成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。 關(guān)鍵詞 麥 克風(fēng)陣列；實(shí)驗(yàn)估計(jì)； 聲源定位 ； STM32F103RBT6 摘要 III Abstract In recent years, source localization system based on microphone array is being widely used in the videoconference, teleconference, speech enhancement, hearing aids. So it has been received a growing interest and bee a very hot area. In various source location method, time difference of arrival (TDOA)based on the double step method is the most widely used, which has simple principle, low calculated amount, high precision, and can realize realtime in practice. The paper also focuses on this method. Firstly, the hardware design of the source localization system based on microphone array is been presented. Multichannel microphone signal can be sampled at a certain sampling frequency in the same time in this design. Secondly, based on the single chip SingleChip microputer of STM32F103RBT6, standard and advanced munication interfaces. These features make the STM32F103 line microcontroller family suitable for a wide range of applications. The critical section of the system software is the double step sound source location method based on time difference of arrival (TDOA). Finally, do a great amount of experiment test, the experiment all results show that the hardware performance of this is good, and the software localization algorithm has simple implementation, little putation and high accuracy, so it can be used in real time positioning system. Keywords Microphone array。摘要 I 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 基于 STM32 單片機(jī)聲源方向識(shí)別器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 摘要 近年來(lái)，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于電話會(huì)議、視頻會(huì)議、語(yǔ)音增強(qiáng)、助聽(tīng)器等系統(tǒng)中，因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注，已經(jīng)成為一大研究熱點(diǎn)。 最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大量測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件性能良好，軟件算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，精度較高，可適用于實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中。對(duì)聲音信號(hào)的處理研究伴隨著聲學(xué)的研究發(fā)展而進(jìn)行。系統(tǒng)通過(guò)傳聲器陣列接收聲源信息，然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到聲源的位置信息。在人機(jī)交互設(shè)備中，聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)水平的高低已經(jīng)成為智能化水平的重要標(biāo)志之一。 (6)工業(yè)降噪 應(yīng)用聲源定位技術(shù)，我們還可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的不同區(qū)域進(jìn)行降噪處理。但是其設(shè)備本身不具備 對(duì)視頻內(nèi)容的分析判斷能力，需要人工完成。在軍事領(lǐng)域，聲源定位技術(shù)也起著極其重要的作用。聲音給人們帶來(lái)了方便，豐富了人們的生活。 國(guó)外對(duì)聲源定位技術(shù)的研究起步較早，目前的研究成果比也較多。 該方法解決了 “ 左右舷模糊 ”問(wèn)題，提高了處理增益，及對(duì)實(shí)際水聲信號(hào)的適用性 [14]。文獻(xiàn) [19]設(shè)計(jì)了一套以 STM32 芯片為硬件的移動(dòng)聲源實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。 其次介紹了現(xiàn)有的 3 類(lèi)基本聲源定位技術(shù)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 聲源定位系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ) 麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)主要包括四大部分：麥克風(fēng)陣列 部分、 音頻放大 部分、采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換部分以及聲源定位算法處理部分。 本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用的是德州儀器 TL084C，該放大器滿(mǎn)足了系統(tǒng)所要求的增益和帶寬要求，同時(shí)具有較寬的電源電壓工作范圍，保證了放大電路有著很寬的線性工作區(qū)。作為最新一代的嵌入式 ARM 處理器 , 它為實(shí)現(xiàn) MCU 的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗 ,同時(shí)提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。 DMA 控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理 ,避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。如圖 22 為定時(shí)器的框圖，其功能包括： (1)16 位向上、向下、向上 /向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器（ TIMx_CNT）。 ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中，其框圖如圖 23 所示。 STM32 同樣 具有雙 ADC 模式和單 ADC 模式，只有一名稱(chēng) 信號(hào)類(lèi)型 注解 VREF+ 輸入，模擬參考正極 ADC 使用的高端 /正極參 考電壓， ≤ VREF+≤ VDDA VDDA(1) 輸入，模擬電源 等效于 VDD 的模擬電源且： ≤ VDDA≤ VDD () VREF 輸入，模擬參考負(fù)極 ADC 使用的低端 /負(fù)極參考電壓， VREF= VSSA VSSA(1) 輸入，模擬電源地 等效于 VSS的模擬電源地 第 2 章 聲源定位系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ) 13 個(gè) ADC 工作時(shí)，具有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換以及掃描模式三種模式；雙 ADC模式具有同步規(guī)則模式等多 種模式。 DMA 傳輸方式無(wú)需 CPU 直接控制傳輸，也沒(méi)有中斷處理方式那樣保留 現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程，通過(guò)硬件為 RAM 與 I/O 設(shè)備開(kāi)辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，能使 CPU的效率大為提高。其中硬件主 要 包括 STM32F103 開(kāi)發(fā)板 (或用戶(hù)目標(biāo)板 )。 該軟件的突出特性包括： (1)啟動(dòng)代碼和系統(tǒng)硬件結(jié)合緊密 ,必須用匯編語(yǔ)言編寫(xiě) ,因而成為許多工程師難以跨越多門(mén)檻。 (4)Keilμ Vision4MDK 無(wú)需尋求第三方編程軟件與硬件支持 ,通過(guò)JLINK 或類(lèi)似仿真器與 Flash 編程工具一同輕松實(shí)現(xiàn) CPU片內(nèi) Flash、外擴(kuò)Flash燒寫(xiě) ,并支持用戶(hù)自行添加 Flash編程算法；而且能支持 Flash整片刪除、扇區(qū)刪除、編程前自動(dòng)刪除以及編程后自動(dòng)校驗(yàn)等功能 ,輕松方便。 本章小結(jié) 本章首先介紹了麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)主要包括四大部分：麥克風(fēng)陣列部分、音頻放大部分、采樣 和 A/D 轉(zhuǎn)換部分以及聲源定位算法處理部分?；邴溈孙L(fēng)陣列的語(yǔ)音拾取領(lǐng)域多用到了波束形成技術(shù)，用來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音增強(qiáng)，但是該方法在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要進(jìn)行全局搜索，而這種搜索需要極大的運(yùn)算量，影響了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，所以將該方法用于穩(wěn)健有效的聲源定位系統(tǒng)還是比較困難。此外當(dāng)房間內(nèi)的噪聲和混響比較強(qiáng)時(shí)，會(huì)造成時(shí)延值異常點(diǎn)增多。 相關(guān)分析實(shí)際上就足對(duì)兩個(gè)信號(hào)在時(shí)間 域的相似程度上進(jìn)行比較。 其次，基本相關(guān)法所定義的相關(guān)函數(shù)是一種嚴(yán)格數(shù) 學(xué)意義上的統(tǒng)計(jì)平均或在平穩(wěn)遍歷條件下替代統(tǒng)計(jì)平均的無(wú)窮時(shí)間平均。廣義相關(guān)法是指在對(duì)接收到的信號(hào)估算相關(guān)函數(shù)之前，先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波處理，對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行白化處理，增強(qiáng)信號(hào)中信噪比較高的頻率成分，從而到達(dá)抑制噪聲功率的目的，使得相關(guān)函數(shù)取得尖銳的峰值，提高時(shí)延 估計(jì)的精度。本系統(tǒng)的信號(hào)采集部分主要包括信號(hào)傳感器（麥克風(fēng)）、模擬信號(hào)放大器（綜合考慮確定選用 TL084C 模擬運(yùn)算放大器）；其次，硬件電路設(shè)計(jì)以高性能的 STM32微控制器為核心搭建硬件平臺(tái)，具有信號(hào)采集和處理、 RS232 通信等功能。 圖 42 二級(jí)放大電路 STM32 外圍電路 聲源方向識(shí)別系統(tǒng)選用的微控制器為增強(qiáng)型 STM32F103RBT6，其外圍電路 以 STM32 單片機(jī)為核心周?chē)車(chē)?lián)接電阻、電容、 LED 等器件構(gòu)成的外圍電路 ,包括時(shí)鐘電路、電源供電電路、啟動(dòng)配置電路、對(duì)這些電路做了詳細(xì)的介紹，并且給出電路的連接方式。外接陶瓷電容器選用 20pF,LSE 外部晶振電路同樣需要盡可能近地連接到 OSC_IN 和 OSC_OUT引腳 ,如圖 45 所示。 EIARS232C 是目前最常用的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) ,燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 它是在 1970 年由 美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的一種串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。 而后依次詳細(xì)的介紹了硬件電路中的音頻放大電路、STM32 外圍電路、電源電路、啟動(dòng)模式以及串行通信接口 最后對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口 電路，給出了各個(gè)模塊的電路原理圖。所以對(duì)聲源信號(hào)的采樣率應(yīng)達(dá)到 10KHz，由于 ADC 本身不能提供如此低的采樣頻率，所以選擇使用定時(shí)器觸發(fā) ADC 的方式進(jìn)行采樣。最后介紹了基本互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)延程序的設(shè)計(jì)，同樣的，給出了基本互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)延程序的流程圖。 詳細(xì)程序在附錄中給出。 如圖 51。微控制器與上位機(jī)之間無(wú)法直接相連 ,需要對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖 46 電源供電電路 圖 47 電源供電電路 (3)啟動(dòng)配置電路 STM32 系列微控制器通過(guò) BooT[1:0]引腳選擇三種不同的啟動(dòng)模式 ,具體啟動(dòng)模式如 圖 48 所示。本系統(tǒng)采用 8MHz 外部晶振產(chǎn)生非常精確的主時(shí)鐘 ,晶振并聯(lián)一個(gè) 1M電阻用于起振 ,外接陶瓷電容器選用 20pF,HSE外部晶振電路盡可能近地連接到 OSC_IN 和 OSC_OUT 引腳 ,從而減少輸出失真和啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間 ,如圖 44 所示。 本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用的是德州儀器 TL084C，該放大器滿(mǎn)足了系統(tǒng)所要求的增益和帶寬要求，同時(shí)具有較寬的電源電壓工作范圍，保證了放大電路有著很寬的線性工作區(qū)。基于這一事實(shí)，提出了一種基于低采樣率 實(shí)現(xiàn)高精度的 TDOA 聲源定位算法。 對(duì)時(shí)延估計(jì)算法的改進(jìn) 上一節(jié)對(duì)運(yùn)用基本互相關(guān)函數(shù)計(jì)算相對(duì)時(shí)延產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行了分析，由于在實(shí)際環(huán)境中，基本互相關(guān)函數(shù)計(jì)算出的相對(duì)時(shí)延不能達(dá)到特別精確，仍舊存在一些缺點(diǎn)，于是許多對(duì)時(shí)延估計(jì)算法的改進(jìn)算法就被提了出來(lái)。 兩個(gè)傳聲器接收信號(hào) )(1nx 和 )(2nx 的互相關(guān)函數(shù)可表示為： (33) 將式（ 32）代入（ 53）得： (34) 由于 )(ns 、 )(1nn 、 )(2nn 信號(hào)之間兩兩互不相關(guān)，即后三項(xiàng)均為 0，則式 34 可以變?yōu)椋? (35) ? ?)()()( 2112 ?? ?? nnE xxR? ? ? ?)()()()()( 211112 ??? ??? ??????? nnsEnsnsE nR? ? ? ?)()()()( 2112 ??? ???? nnEnnsE nnn?? ? ))(()()()( 211112 ???? ??? ??????? RR xnsnsE燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 由自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)知，當(dāng) 0)( 21 ??? ??? 時(shí)， )(12?R取得最大值。