關于基于麥克風陣列的聲源被動定位系統的設計

0 引言

聲源目標定位主要是利用傳聲器陣列接收被監測信號，進而確定被監測聲源在聲場中相對于已知位置的角度和距離，即角度估計（Angle Estimating）和距離估計（Range Estimating）[1]。隨著數據采集系統速度、分辨率提高及小型化、低功耗等性能的提高，聲源定位系統的性能也在不斷提高[2]。本文提出的基于麥克風陣列的聲源被動定位系統，旨在獲得定位精度高、體積小、低功耗的聲目標定位系統，對于軍用倉庫、人員不易達到的惡劣環境等區域的聲源監測具有重要的使用意義。

1 方案設計

麥克風陣列被動聲源定位系統的整體方案如圖1所示。系統由兩大部分構成，分別是信號獲取的硬件部分和系統控制及算法實現的軟件部分。

信號獲取部分主要包括：端麥克風陣列、阻抗匹配電路、抗混疊濾波電路、增益可調電路、ADC同步采樣電路、Flash數據存儲、USB同步傳輸、FPGA控制模塊和電源模塊等。聲源信號在空氣中傳播到達麥克風陣列，由模擬接口電路將信號傳輸到阻抗匹配電路，消除尖刺、抖動現象，使信號穩定。然后經過四階抗混疊濾波電路，濾除掉其中的無用噪聲，提高信噪比[3]。因為傳聲器輸出是很微弱的電信號，在前端用增益可調的電路模塊對其進行可調性放大。放大之后經過A/D轉換把模擬量變成數字量，FPGA控制數據通過USB接口實時上傳給上位機處理。系統控制及算法實現部分主要作用是給采集系統下發命令，對上傳的數據根據到達時間差算法的原理進行計算，實現聲源相對于參考陣元的方位和距離的估計。

2 硬件電路設計

實際的十字形麥克風陣列擺放如圖2所示。圖中，M1，M2，…M5表示十字陣列的5個十字形拓撲的5個陣元，M1為參考陣元。

經過濾波電路后信號中的高頻噪聲被濾除，麥克風的輸出信號是微弱信號，所以需要在A/D采樣電路前設計前置放大電路，將信號放大到的采樣保持在電路的電壓量程中。

針對前置放大器通頻帶較寬、信噪比較高、增益可調的性能要求，本聲源定位系統采用集成運算放大器 OPA4228 擔當其前置放大電路的核心部件[4]。放大電路如圖3所示。

使用OPA4228驅動容性負載時，會出現相位偏移或減小相位裕量的情況，甚至使運放不能穩定工作。對運放的改進設計中，除了對電源管腳和運放供電管腳使用旁路電容外，在反饋電阻兩端并聯了反饋電容，如圖3所示，反饋電容C1與反饋電阻R1并聯。如圖4所示，在不采取任何補償措施的條件下，將一個頻率為10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大電路的輸入端，測量其輸出得到圖中的波形。從圖中可知，輸入信號經過放大電路后，雖然得到了100倍的放大結果，但輸出信號出現了明顯的振蕩和相位偏移。

對電路進行改進加入反饋電容后，輸入同樣的信號測量輸出，得到圖5所示信號。比較圖4和圖5可知，反饋電容起到了明顯的效果。

3 數據通信接口設計

3.1 USB接口電路設計

本設計采用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A芯片。它的內部結構如圖6所示。從圖中可以看出，內部包括數據接收發送單元、SIE智能串行接口引擎、8051增強型微處理器、片上數據RAM、4個可配置端點、可選緩沖區大小和8 bit/8 bit外部數據接口等，能夠實現USB2.0的高速數據通信協議[5]。

外部配置芯片AT24C64A是ATMEL公司生產的，主要功能是用來存儲固件程序。上電復位后，68013A的FX2LP首先通過信號接口自動加載VIN/PIN/DIN等配置信息；然后邏輯模塊檢查I2C引腳上是否串接有0xC0或0xC2為首字節的存儲器，假如發現，就會自動將AT24C64A中的程序內容加載進內置存儲器中[6]。

該模塊電路采用總線的供電方式。USB總線上電壓是+5 V，經過線性穩壓芯片MAX1658調整為3.3 V電壓。在設計電路時，不管是否使用E2PROM來存儲固件程序，I2C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻，阻值為2.2 kΩ。

3.2 邏輯時序設計

為了直觀明了、簡單方便地進行邏輯設計，采用了自頂向下的模塊化設計方法來進行。圖7為硬件電路邏輯時序頂層示意圖。

從圖7中可以看出，時序邏輯部分主要由通信接口模塊、AD7606模塊、Flash模塊、復位控制模塊、參數和命令分析模塊、時鐘分配與管理模塊以及Fifo模塊等部分組成。通信接口模塊是系統軟件與硬件之間數據交換的橋梁，接收信號參數、數據和地址等參數；參數和命令模塊將接收到的參數和命令作識別并觸發相關操作；AD7606模塊完成五路通道的同步采樣；Flash模塊進行外部存儲器數據的擦除、寫、讀控制；FiFo模塊完成不同模塊之間數據的緩存[7]。

4 定位性能測試

將本文應用的五元十字形陣列分別在不同位置進行三維空間聲源數據測量。M1作為坐標原點，邊緣4個麥克風離原點距離為14 cm，聲源信號為拍手掌聲音“啪啪啪”，不同測試點聲源位置和3次測試數據的平均值如表1所示。

由于外界噪聲干擾的隨機性，導致個別實驗結果不理想，但從表1中可以看出，在多數情況下，五元十字形陣列定位距離準確和相對誤差也較小。通過對五元十字形陣列的數據分析可知，距離定位誤差和聲源離傳聲器陣列的距離成正比的關系，距離越遠，誤差越大。

5 結論

本文介紹了一種基于麥克風陣列的聲源被動定位系統，主要以五元十次型麥克風陣列為模型進行研究，對硬件設計、控制邏輯設計進行了詳細論述。測試結果表明，模塊定位距離準確，相對誤差較小，在聲源定位技術應用中具有很高的應用價值和參考價值。