【正文】 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，設(shè)計了一種智能監(jiān)控系統(tǒng)，綜合運用了聲音和光的信息實現(xiàn)定位，突破了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍的局限性，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效率。哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)國家級重點實驗室真對水下近場噪聲源的定位，研究了一種矢量陣寬帶MVDR聚焦波束形成法。斯坦福大學(xué)的Bernard Widrow教授發(fā)明了基于麥克風(fēng)陣列的助聽器，這種基于麥克風(fēng)陣列的助聽器與傳統(tǒng)助聽器相比，可以根據(jù)聲源的位置動態(tài)的調(diào)整麥克風(fēng)陣列的聚焦點，增強(qiáng)特定方向的聲音，抑制其他方向的噪聲，比普通的助聽器具有更好的助聽效果。NIST的markⅢ系列，其主要應(yīng)用于大型會場和視頻會議的聲源定位。17—18周：準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。5—8周：硬件電路詳細(xì)設(shè)計，制作13—16周：軟硬件聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。研究工作進(jìn)度1—4周：閱讀文獻(xiàn)資料，選擇設(shè)計方案。通過Keil C編寫單片機(jī)的程序，包括端口與定時器初始化、AD轉(zhuǎn)換控制、核心計算、串口通信。廣義相關(guān)函數(shù)：接收到具有相對時延的兩個聲音信號進(jìn)行放大、采樣后得到兩個離散的聲音信號，兩個離散聲音信號進(jìn)行加權(quán)后的功率譜密度函數(shù)的傅里葉逆變換(根據(jù)環(huán)境的不同，可以選擇不同的加權(quán)函數(shù))[7].(2)聲源定位系統(tǒng)中，進(jìn)行聲源定位需要拾取聲源信號，接收到的信號需要進(jìn)行放大，以達(dá)到A\D采集端能夠采集到的電壓范圍之內(nèi)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換最后通過核心算法進(jìn)行處理，得到聲音信號的相對時延，得出聲源位置。聲源定位系統(tǒng)的目的就是拾取模擬信號，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)字信號處理的方法進(jìn)而確定聲源位置。硬件系統(tǒng)由麥克風(fēng)、音頻放大電路、STM32單片機(jī)以及PC機(jī)組成。此次將采用時延估計法中的廣義互相關(guān)函數(shù)法(GCC)實現(xiàn)聲源方向的定位。利用該方法首先計算出聲源信號到達(dá)兩個不同位置麥克風(fēng)的相對時延，再利用相對時延，通過搜索或幾何知識確定聲源方向。研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題本文介紹如何基于麥克風(fēng)陣列和STM32單片機(jī)實現(xiàn)聲源方向的定位。作為最新一代的嵌入式ARM處理器,它為實現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗,同時提供了卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)許多大學(xué)和研究所也對聲源定位技術(shù)進(jìn)行了研究，例如泛華測控提供的噪聲定位分析系統(tǒng)是輔助設(shè)備廠商進(jìn)行設(shè)備降噪設(shè)計的理想工具。隨著聲源定位技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，更加接近人們的日常生活。基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位技術(shù)是指用一組按照一定幾何位置排列的麥克風(fēng)拾取聲音信號，并用數(shù)字處理方法對其進(jìn)行分析，來確定聲源的幾何位置[2]。對聲音信號的處理研究伴隨著聲學(xué)的研究發(fā)展而進(jìn)行。是這個產(chǎn)品真正的應(yīng)用于生活的方方面面。在將來希望能夠制作出一套電路優(yōu)化的方案，使本系統(tǒng)的應(yīng)用性能得到提升。今后如果條件允許，我仍會對這一門技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究，了解更多的定位方法,更好的早實際環(huán)境中做到精確的定位。 考慮實際環(huán)境中環(huán)境噪聲、多徑反射及混響對聲源定位的影響。研究多種幾何結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，使我對STM32單片機(jī)有了一定的了解，對聲源定位有了一定的了解，更加了解到這項技術(shù)對于實際生活起到了怎樣巨大的作用。在編寫代碼這個環(huán)節(jié)上，應(yīng)用了KeilμVision4MDK編寫程序，同時介紹了該軟件的基本使用方法。 其次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，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，并給出了互相關(guān)函數(shù)C語言程序，利用已連接好的硬件系統(tǒng)配合聲源定位的計算方法，進(jìn)行了聲源定位的仿真。首先介紹了麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,包括麥克風(fēng)陣列選擇、拾取聲源信號的音頻放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，各個模塊的程序設(shè)計，包括定時器程序、A\D轉(zhuǎn)換程序、DMA程序、端口程序?；緝?nèi)容如下：設(shè)計硬件系統(tǒng)由麥克風(fēng)陣列、音頻放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及程序、基于時延估計的定位算法程序等幾部分。測試結(jié)果表明，該硬件采集系統(tǒng)可以正常的工作，并具有一定的精度。圖中，時延上方顯示的電壓值是相關(guān)函數(shù)中，取不同時延時，計算的互相關(guān)函數(shù)值，本次實驗設(shè)計的程序是首先對時延在一定范圍內(nèi)做出假設(shè)，通過相乘求和的方式，求得相應(yīng)數(shù)值并保存，最后取最大值，最大值對應(yīng)的時延就是兩信號時延，如圖65所示。如圖64為硬件系統(tǒng)對聲源信號進(jìn)行采樣頻率為10KHz的雙通道同步采樣，AD轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)，通道1和通道2間隔顯示，通道1和通道2分別采集114次，對于一個通道來說，采集到的電壓具有較明顯的幅度變化；兩個通道采集到的電壓進(jìn)行對比具有較大的差異，說明收集到的兩路信號具有相對時延。整個過程如圖63所示，軟件設(shè)置圖中已經(jīng)給出。如圖61 電路板與測試環(huán)境完成硬件電路的設(shè)計、相關(guān)程序設(shè)計以及相關(guān)調(diào)試以后，對硬件電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試，數(shù)據(jù)采集測試微微三個步驟：(1)在KeilμVision4MDK中完成整個定位程序，包括A/D轉(zhuǎn)換、實驗估計算法后，建立目標(biāo)文件，生成后綴為，HEX的文件如圖62所示。詳細(xì)的程序在附錄中給出。圖53 基本互相關(guān)函數(shù)程序流程圖 本章小結(jié)本章首先介紹了KeilμVision4MDK中工程文件的建立，庫文件如何添加，其次介紹了STM32單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計，并給出了A/D轉(zhuǎn)換程序的流程圖。圖52 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖 基本互相關(guān)函數(shù)計算時延程序設(shè)計本次設(shè)計中采用基于基本互相函數(shù)計算信號時延的方法，采用基本互相關(guān)函數(shù)計算信號時延的詳細(xì)過程已經(jīng)在第三章中詳細(xì)的介紹，在此給出程序的流程圖，如圖53。通過DMA的方式將A\D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從ADC數(shù)據(jù)寄存器中轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，為下一步計算時延做準(zhǔn)備，A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖52所示。對定時器進(jìn)行配置，使其每100181。根據(jù)采樣定理的內(nèi)容我們可以知道當(dāng)信號最高截止頻率為f1（最高截止頻率）時，如果要無失真的恢復(fù)原信號，應(yīng)有采樣頻率f2（采樣頻率），使f2≥2f1。如圖 51 添加庫文件到工程中 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計本次設(shè)計采用時延估計算法來定位聲源位置，由于數(shù)據(jù)采集的同步性直接影響系統(tǒng)的定位精度，所以采用雙ADC同步規(guī)則轉(zhuǎn)換模式。第5章 聲源定位系統(tǒng)程序設(shè)計第5章 聲源定位系統(tǒng)程序設(shè)計 KeilμVision4MDK建立工程文件使用STM32單片機(jī)的軟件開發(fā)工具KeilμVision4MDK進(jìn)行程序編寫首先需要建立工程文件，添加相關(guān)庫文件，由于在本次試驗中用到了GPIO（通用輸入/輸出接口）、RCC（時鐘）、USART（串口）、DMA、ADC和timer（定時器），所以需要添加相關(guān)的庫文件：、除此之外還應(yīng)添加：、system_ 在系統(tǒng)庫文件和相關(guān)元件的庫文件添加完畢后，新建一個以文本，用來編寫主函數(shù)。由ADC和定時器以集成在單片機(jī)中，故沒有在本章作詳細(xì)的介紹。圖410串行通信接口 本章小結(jié)本章對測試系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了闡述,首先介紹了測試系統(tǒng)的微控制器STM32，分析了該芯片的性能特點,最小系統(tǒng)建立方式，并對系統(tǒng)所用的外設(shè)進(jìn)行了特點概述。本系統(tǒng)使用的串口驅(qū)動芯片MAX3232符合RS232標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)TTL電平與RS232C電平之間的轉(zhuǎn)換。上位機(jī)的串口都是RS232C的標(biāo)準(zhǔn)接口,信號都是EIA電平,而微控制器在通信上采用的是TTL電平,電平取值范圍:邏輯“1”,邏輯“0‘。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在串行通信中數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間物理連接線路的電器特性、通信格式和約定,是異步串行通信中應(yīng)用最廣的總線標(biāo)準(zhǔn)。如圖48 啟動模式圖49啟動模式電路 串行通信接口在串行通信時,要求通信雙方都采用標(biāo)準(zhǔn)的接口,使不同的設(shè)備能夠方便地連接起來進(jìn)行通信。BOOT0和BOOT1為兩個啟動選擇引腳，用于選擇復(fù)位后STM32的啟動模式。電池供電電路如圖46和圖47所示。 (2)電源供電電路VBAT引腳連接電池或者其它電源,當(dāng)VDD斷電后可以保存?zhèn)浞菁拇嫫鞯膬?nèi)容和維持RTC的功能。圖45低速外部時鐘電路系統(tǒng)實時時鐘RTC使用外部晶振作為時鐘源,能為實時時鐘RTC提供一個低速但高精度的時鐘源,RTC用于時鐘/日歷或其它需要計時的場合。圖44 高速外部時鐘電路系統(tǒng)實時時鐘RTC使用外部晶振作為時鐘源,能為實時時鐘RTC提供一個低速但高精度的時鐘源,RTC用于時鐘/日歷或其它需要計時的場合。高速外部時鐘信號(HSE)可以由兩種時鐘源產(chǎn)生:HSE外部晶振、陶瓷共鳴器,HSE用戶外部時鐘。接下來，將對這些電路依次介紹，如圖43所示。本系統(tǒng)中設(shè)計的兩級放大電路如圖42所示。模擬運算放大芯片084C為四輸入運算放大器，具有較高的轉(zhuǎn)換率，INn+為同相輸入端，INn為反相輸入端，OUTn為輸出端，該圖中用到兩個084C，可根據(jù)聲音信號的大小決定采用一級放大還是兩級放大。另外，所選擇的模擬運算放大器應(yīng)該具有較高的信噪比，以滿足系統(tǒng)對采集信號的精度要求。整個電路圖采用繪圖軟件Protel99SE設(shè)計，如圖41。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，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)缺點一一作了分析。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。(3)基于低采樣率實現(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現(xiàn)原理簡單，運算量小的特點，比較適合運算能力較差、內(nèi)存小的嵌入式設(shè)備。(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。(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。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，實際工程應(yīng)用中往往很難得到特別精確的時延值。而在實際應(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。 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[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。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)。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。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。不同時延估計方法各有相應(yīng)的優(yōu)點和缺點,實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的具體精度要求和運算復(fù)雜度進(jìn)行選擇。圖31 基于時延估計的聲源定位方法實現(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。本次設(shè)計采用基于到達(dá)時間差的定位算法(TDOA)實現(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。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際環(huán)境，且該算法的實時性優(yōu)于前兩種算法，計算量小，這無疑會降低系統(tǒng)實現(xiàn)的成本和難度。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?；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?；诟叻直媛首V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)。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知識，但是在實際使用中，這些先驗知識很難獲取[]。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，該點即為聲源的方向。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]。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)。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。 (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