【文章內(nèi)容簡介】 它集成了強(qiáng)大而且現(xiàn)代化的編輯器、程管理器和make工具,幾乎集成了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的全部工具: C/C++編譯器、匯編器、鏈接/定位器、HEX文件生成器等。該軟件提供了兩種工作模式:編譯和調(diào)試模式。在編譯模式中,開發(fā)者可以創(chuàng)建工程、選擇目標(biāo)器件、新建文件、輸入源代碼、生成可執(zhí)行文件。調(diào)試模式中,開發(fā)者可以利用其強(qiáng)大的集成調(diào)試器對應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試,如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等, 方便了程序錯誤的查找和修改。作為ARM嵌入式開發(fā)的主流工具,MDK也是目前為數(shù)不多的完全支持CortexM3處理器的開發(fā)工具,并內(nèi)含STM32F10x系列處理器片上外圍接口固件庫和完整的數(shù)據(jù)手冊。MDK盡管是針對16位和32位處理器的,但仍然使用中國工程師非常熟悉的開發(fā)環(huán)境,當(dāng)面對有更高性能需求的MCU開發(fā)時,開發(fā)人員可以利用原有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)輕松地實(shí)現(xiàn)過渡。該軟件的突出特性包括：(1)啟動代碼和系統(tǒng)硬件結(jié)合緊密,必須用匯編語言編寫,因而成為許多工程師難以跨越多門檻。MDK開發(fā)工具可以自動生成完善的啟動代碼,并提供圖形化的窗口,輕松完成修改。無論對于初學(xué)者還是有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)工程師,都能大大節(jié)省時間,提高開發(fā)效率。(2) KeilμVision4MDK的設(shè)備模擬器可以仿真整個目標(biāo)硬件,包括快速指令集仿真、外部信號和1/0口仿真、中斷過程仿真、片內(nèi)所有外圍設(shè)備仿真等。開發(fā)工程師在無硬件的情況下即可開始軟件開發(fā)和調(diào)試,使軟硬件開發(fā)同步進(jìn)行,大大縮短開發(fā)周期。而一般的ARM開發(fā)工具僅提供指令集模擬器,只能支持ARM內(nèi)核模擬調(diào)試。(3) KeilμVision4MDK的性能分析器好比哈雷望遠(yuǎn)鏡,能讓開發(fā)工程師看得更遠(yuǎn)和更準(zhǔn),輔助查看代碼覆蓋情況,程序運(yùn)行時間,函數(shù)調(diào)用次數(shù)等高端控制功能,輕松完成代碼的優(yōu)化,成為嵌入式開發(fā)高手。通常這些功能只有價值數(shù)千美元的昂貴的Trace工具才能提供。(4)KeilμVision4MDK無需尋求第三方編程軟件與硬件支持,通過JLINK或類似仿真器與Flash編程工具一同輕松實(shí)現(xiàn)CPU片內(nèi)Flash、外擴(kuò)Flash燒寫,并支持用戶自行添加Flash編程算法；而且能支持Flash整片刪除、扇區(qū)刪除、編程前自動刪除以及編程后自動校驗(yàn)等功能,輕松方便。(5)KeilμVision4MDK中國版的用戶將享受到專業(yè)的本地化的技術(shù)支持和服務(wù),包括電話、Email、論壇、中文技術(shù)文檔等,這將為國內(nèi)工程師們開發(fā)出更有競爭力的產(chǎn)品提供更多的助力。 ISP下載器KeilμVision4MDK進(jìn)行整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計，代碼編寫完成以后，對程序進(jìn)行編譯，系統(tǒng)自動生成HEX類型的文件,使用MCUISP（ISP下載器），將加載HEX文件到單片機(jī)中。ISP是在系統(tǒng)編程的英文縮寫（InSystem Programming）。簡單的說，可以不用插拔芯片，也不需要編程器，就可以在你的目標(biāo)應(yīng)用板（有單片機(jī)的電路板）上直接編程，作程序改動調(diào)試。 在系統(tǒng)可編程技術(shù)與傳統(tǒng)邏輯電路設(shè)計比較，其優(yōu)點(diǎn)在于： (1)實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)編程的調(diào)試，縮短了產(chǎn)品上市時間，降低了生產(chǎn)成本。 (2)無需使用專門的編程器，已編程器件無須倉庫保管，避免了復(fù)雜的制造流程，降低了現(xiàn)場升級成本。 (3)使用ISP器件，不僅能夠在已有硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)自己的系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)硬件電路的“軟件化”，將器件編程和調(diào)試集中到生產(chǎn)最終電路板的測試階段，使系統(tǒng)調(diào)試數(shù)字系統(tǒng)硬件現(xiàn)場升級變得容易而且便宜。 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。其次介紹了STM32單片機(jī)的主要性能，著重介紹了A/D轉(zhuǎn)換器，通用定時器和單片機(jī)的DMA功能。軟件方面文章介紹了STM32單片機(jī)的軟件編程工具以及后面用到的下載工具。通過對以上內(nèi)容的介紹，為接下來的畢業(yè)設(shè)計提供了充足的預(yù)備知識，更加深入的理解單片機(jī)的工作方式，并且為程序的編寫和下載打下了基礎(chǔ)。 第3章 聲源定位算法研究第3章 聲源定位算法研究 聲源定位算法概述麥克風(fēng)陣列是指一組擺放成特定幾何結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)，利用特定算法對麥克風(fēng)陣列拾取的聲音信號進(jìn)行處理，計算得出聲源的具體位置。目前應(yīng)用于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法大致可以分為三類[20]：(1)基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)(2)基于高分辨率譜估計技術(shù)(3)基于到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位技術(shù)基于最大輸出功率可控波束的聲源定位算法[21]，最早是由 William 和 Steven 在 1973 年提出的[22]。1983 年，Mati Wax 和 Thomas Kailath 將該方法由單聲源定位擴(kuò)展到多聲源定位[23]。這種算法的基本思想[]是通過對各陣元輸出加權(quán)求和來得到波束，通過調(diào)整權(quán)值使波束的輸出功率最大，以搜索的方式來尋找功率最大的點(diǎn)，該點(diǎn)即為聲源的方向?；邴溈孙L(fēng)陣列的語音拾取領(lǐng)域多用到了波束形成技術(shù)，用來進(jìn)行語音增強(qiáng)，但是該方法在實(shí)現(xiàn)的過程中需要進(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。并且，可控波束定位技術(shù)依賴于背景噪聲和聲源信號的頻譜特性的先驗(yàn)知識，但是在實(shí)際使用中，這些先驗(yàn)知識很難獲取[]。因此將該方法應(yīng)用在實(shí)際系統(tǒng)中性能差異大，計算復(fù)雜度高，其應(yīng)用范圍受到了很大的限制[28]。基于高分辨率譜估計技術(shù)的聲源定位方法 空間譜估計技術(shù)具有超高的空間信號的分辨能力，能突破并進(jìn)一步改善一個波束寬帶內(nèi)的的空間不同來向的信號分辨能力[29]，所以又稱為高分辨率譜估計技術(shù)。在實(shí)際的運(yùn)用中，該方法要求信號是平穩(wěn)的，以便利用時間平均估計陣元的相關(guān)矩陣，但聲音信號是一個短時平穩(wěn)過程,并不滿足此條件，從而導(dǎo)致該方法的定位效果并不好；此外該方法適用于遠(yuǎn)場信號的處理，應(yīng)用到近場聲源定位中距離分辨率較低，準(zhǔn)確性也不高[30]；而且該方法主要對窄帶信號有效，對于像語音信號這樣的寬帶信號，可采用頻率聚焦技術(shù)[31],但這樣會使算法運(yùn)算量增加，不利于實(shí)時實(shí)現(xiàn)?；跁r間延遲估計(Time Delay Estimation, TDE)的聲源定位方法 此方法由兩步完成，第一步計算同一陣列中不同的麥克風(fēng)接收信號之間的時間差，第二步就是利用這些時間參數(shù)根據(jù)不同的定位算法進(jìn)行定位。該方法原理簡單，計算量小，實(shí)時性強(qiáng)，適用于單聲源的定位，應(yīng)用廣泛[32]。但是該方法由于分兩步完成，第二步利用的是過去時延值參數(shù)，因此只是一個次最優(yōu)估計，而且第一步中的時延值誤差會對第二步的估計結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，造成誤差累積。此外當(dāng)房間內(nèi)的噪聲和混響比較強(qiáng)時，會造成時延值異常點(diǎn)增多。盡管如此，該算法在經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)后仍能更好的適用于實(shí)際環(huán)境，且該算法的實(shí)時性優(yōu)于前兩種算法，計算量小，這無疑會降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和難度?；?TDOA 的聲源定位算法與前兩種定位方法相比，算法更為簡單,且運(yùn)算量遠(yuǎn)小于基于最大輸出功率的可控波束形成算法和高分辨率譜估計算法，比較適合實(shí)時性要求高的應(yīng)用，但如何提高時延估計的精確度是該算法中的難點(diǎn)。本次設(shè)計采用基于到達(dá)時間差的定位算法(TDOA)實(shí)現(xiàn)聲源方向的定位,故著重介紹,前兩種算法不做詳細(xì)說明。 時延估計算法 通過對幾種聲源定位算法的綜合比較，本文主要介紹如何運(yùn)用基于時延估計的聲源定位方法來進(jìn)行聲源定位該方法的主要部分是分為時延估計和定位2 個部分，實(shí)現(xiàn)過程如圖31。圖31 基于時延估計的聲源定位方法實(shí)現(xiàn)框圖在基于時間延遲估計(TDOA)的聲源定位方法中，互相關(guān)方法是最基本的時延估計方法，計算原理如下：在聲源定位系統(tǒng)中，在沒有噪聲和混響影響的理想情況下,現(xiàn)想數(shù)學(xué)模型如式(31): (31)在式(31)中和分別為兩傳聲器的接收信號,為傳聲器接收到聲源信號,和分別是兩個傳聲器接收到的高斯噪聲,是聲波的相對衰減系數(shù),d為兩傳聲器之間的相對時延,其中、和為互不相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)過程。于放置在不同位置的傳聲器所接收到的目標(biāo)聲源信號所需要的時間不同，因此時延估計技術(shù)實(shí)際上就是通過信號處理的方法求時延d的一個問題。不同時延估計方法各有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的具體精度要求和運(yùn)算復(fù)雜度進(jìn)行選擇。相關(guān)分析實(shí)際上就足對兩個信號在時間域的相似程度上進(jìn)行比較。本論文中假設(shè)兩個傳聲器接收信號的離散時間信號模型為: (32)其中，為接收的聲源信號，和為兩個高斯白噪聲。和是聲波從聲源到達(dá)傳聲器1和傳聲器2的時間，則：=就是聲波到達(dá)傳聲器1和傳聲器2間的時間延遲。本模型的理論基礎(chǔ)為假設(shè)、信號為互不相關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)變化過程。兩個傳聲器接收信號和的互相關(guān)函數(shù)可表示為： (33)將式（32）代入（53）得： (34) 由于、信號之間兩兩互不相關(guān)，即后三項(xiàng)均為0，則式34可以變?yōu)椋? (35)由自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)知，當(dāng)時，取得最大值。因此兩個傳聲器之間的時間延遲就是這個求得的的最大值對應(yīng)。由以上分析可知求兩不同位置傳聲器之間的時延估計值就是求互相關(guān)函數(shù)的極大值。 對時延估計算法誤差的分析以上分析了基本相關(guān)法用于時延估計的基本理論，從中可以看出基本相關(guān)法非常的簡單，但基本相關(guān)法用于時延估計有三個缺點(diǎn)[33]：首先該方法假定了信號和噪聲及噪聲和噪聲之間均不相關(guān)，這在有些情況下不一定能得到滿足。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)計平均或在平穩(wěn)遍歷條件下替代統(tǒng)計平均的無窮時間平均。而在實(shí)際應(yīng)用中，嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的統(tǒng)計平均或無窮平均是不可能做到的，而只能用有限的時間平均來替代無窮或統(tǒng)計平均，即用相關(guān)函數(shù)的估計值來替代理論值。最后，基于時延估計的聲源定位方法計算時延分2步進(jìn)行[34]，估計方位的時候用的時延值是過去值，使得該方法只能得到一個次最優(yōu)的定位結(jié)果，而且時延估計的精度直接影響定位的精度，時延誤差將在第 2 步的方位估計中進(jìn)一步積累，最終使定位結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。且時延估計對信號采樣率要求比較高，受房間混響和信噪比的影響較大，實(shí)際工程應(yīng)用中往往很難得到特別精確的時延值。 對時延估計算法的改進(jìn)上一節(jié)對運(yùn)用基本互相關(guān)函數(shù)計算相對時延產(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)計算出的相對時延不能達(dá)到特別精確，仍舊存在一些缺點(diǎn)，于是許多對時延估計算法的改進(jìn)算法就被提了出來。(1)最小均方（LMS）自適應(yīng)濾波時間延遲估計方法 基于相關(guān)分析的時延估計方法可以有效的抑制隨機(jī)噪聲的影響，但是對于相關(guān)性極強(qiáng)的周期干擾，其抑制效果較差，另外基于相關(guān)分析的方法對平穩(wěn)和非時變的隨機(jī)信號有較好的時延估計效果，但對于非平穩(wěn)和時變的信號，估計效果并不理想。與相關(guān)分析法相比，基于自適應(yīng)濾波的時間估計方法不僅能夠在一定程度上抑制隨機(jī)噪聲的影響，而且可以有效地消除接收信號中的周期性干擾，在較強(qiáng)的干擾下得到較好的時延估計。(2)廣義相關(guān)法 為了減弱或消除噪聲對相關(guān)法時延估計的影響，產(chǎn)生了各種不同的加權(quán)方法，稱為廣義相關(guān)法。廣義相關(guān)法是指在對接收到的信號估算相關(guān)函數(shù)之前，先對接收到的信號進(jìn)行預(yù)濾波處理，對信號和噪聲進(jìn)行白化處理，增強(qiáng)信號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，提高時延估計的精度。(3)基于低采樣率實(shí)現(xiàn)高精度的TDOA聲源定位算法 基于 TDOA 的聲源定位算法由于其實(shí)現(xiàn)原理簡單，運(yùn)算量小的特點(diǎn)，比較適合運(yùn)算能力較差、內(nèi)存小的嵌入式設(shè)備。但如果需要提高定位的精度，必須要有很高的系統(tǒng)采樣率，這對嵌入式設(shè)備來說是不現(xiàn)實(shí)的。由于嵌入式設(shè)備硬件和功耗的限制，只能提供非常有限的采樣率，限制了系統(tǒng)聲源定位精度的提高。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。 本章小結(jié)本章主要介紹了幾種常用的聲源定位方法，分別列出了各種定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本章主要研究了基于TDOA的聲源定位算法，在基于TDOA的聲源定位算法中，又主要介紹了基于互相關(guān)函數(shù)計算信號相對時延的方法，最后又對基本相關(guān)法用于計算時延算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，又提出了幾種比較主流的改進(jìn)方法，并對幾種改進(jìn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)一一作了分析。第4章 麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)整體硬件設(shè)計第4章 麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)整體硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)電路圖設(shè)計本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計主要包括信號采集電路的設(shè)計和STM32外圍電路設(shè)計，硬件設(shè)計主要完成信號的輸入、輸出操作,是各種功能設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想,便于調(diào)試、移動和功能擴(kuò)展。本系統(tǒng)的信號采集部分主要包括信號傳感器（麥克風(fēng)）、模擬信號放大器（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)計以高性能的STM32微控制器為核心搭建硬件平臺，具有信號采集和處理、RS232通信等功能。整個電路圖采用繪圖軟件Protel99SE設(shè)計，如圖41。圖41 系統(tǒng)硬件電路圖 音頻放大電路本系統(tǒng)中麥克風(fēng)輸出的電信號為毫伏級，因此設(shè)計的放大電路要有足夠的增益；由于所選擇的麥克風(fēng)頻率范圍為20～16KHz，為保證放大電路在麥克風(fēng)的頻率范圍內(nèi)都能正常工作，所選擇的運(yùn)算放大器應(yīng)有足夠?qū)挼膸?。另外，所選擇的模擬運(yùn)