肖 強(qiáng)

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第717研究所，湖北 武漢430074)

0 引言

定位系統(tǒng)是當(dāng)今很熱門的一個研究課題，國內(nèi)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，GPS定位等，而利用音頻信號實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)也因其低成本，易實(shí)現(xiàn)，精確度也較高等優(yōu)勢而在飛速發(fā)展，在智能控制領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要由移動聲源，聲音接收處理，軟件處理三大部分組成。移動聲源主要以小車為載體由蜂鳴器產(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(jī)。軟件處理部分由送入單片機(jī)的信號做出相應(yīng)判斷并控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給移動聲源，移動聲源再做相應(yīng)調(diào)整。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

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(gòu)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，處理之后得到時間差數(shù)據(jù)，通過無線模塊NRF24L01將數(shù)據(jù)送到聲源做處理。同時鍵盤輸入的目的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)也通過無線模塊傳輸?shù)铰曉础?/p>

1.2 移動聲源部分

聲源載體為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的兩輪小車，利用蜂鳴器發(fā)聲。車上的MSP430控制蜂鳴器發(fā)聲，無線模塊收到來自聲音接收處理端發(fā)過來的數(shù)據(jù)后計算出聲源坐標(biāo)，根據(jù)目的坐標(biāo)點(diǎn)由MSP430輸出相應(yīng)PWM波控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動使小車移動到目的坐標(biāo)點(diǎn)。

1.3 軟件處理部分

聲源發(fā)出周期性的聲音信號，開始發(fā)聲時刻通過無線模塊給接收端一個標(biāo)志，接收端開啟定時器開始計時，出現(xiàn)有效中斷信號后停止計時，即可得到時間差數(shù)據(jù)。聲源部分接收到時間差數(shù)據(jù)后計算出坐標(biāo)控制電機(jī)運(yùn)動。

2 系統(tǒng)硬件模塊電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)可行性分析

聲源端和接收端都采用MSP430F449單片機(jī)，外部晶振8MHz，則：時鐘周期=0.125us.根據(jù)系統(tǒng)算法的設(shè)計,系統(tǒng)核心是測出聲音信號到兩接收點(diǎn)的時間差?，F(xiàn)系統(tǒng)的精度要求為1cm，聲波速度為344m／s，則：時間精度Te=0.01／344=29us。單片機(jī)在一個時間精度能夠執(zhí)行的指令個數(shù)為:Te/Tsck=29/0.125=232。本系統(tǒng)中，由接收端通過無線信號控制移動聲源的停車和移動，所以移動聲源的位置誤差產(chǎn)生主要是來自于接收端和聲源之間的無線通信，而無線通信主要的耗時來自單片機(jī)內(nèi)無線指令的執(zhí)行，而1cm誤差范圍內(nèi)的232條指令時間足夠執(zhí)行無線指令。聲源部分的單片機(jī)主要負(fù)責(zé)和接收點(diǎn)之間的無線通信，控制小車運(yùn)動，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(jī)作為聲源端和接收端控制芯片完全滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2.2 功能模塊電路設(shè)計

2.2.1 差分放大電路設(shè)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(dá)100dB以上，能夠有效的抑制共模噪聲，并且可達(dá)到60dB的放大倍數(shù)，僅需一個外接電阻就可調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)。采用雙麥克風(fēng)差分放大一個重要優(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，其幅度隨聲源在平面坐標(biāo)的不同而隨機(jī)發(fā)生很小范圍的波動（這是由于電路放大的是兩個麥克風(fēng)聲音信號之差，距離遠(yuǎn)聲音信號之差不會變的很小，距離近聲音信號之差也不會很大），這有利于比較器門限的設(shè)定。但由于采用雙麥克風(fēng)差分放大，即使AD620放大倍數(shù)很高，放大后的信號峰峰值仍然不超過100mv，須進(jìn)一步放大。系統(tǒng)后級放大采用的是較高Q值的帶通濾波器，濾波的同時對中心頻率信號也有著很高的放大倍數(shù)。

2.2.2 聲音信號濾波模塊設(shè)計

本系統(tǒng)以蜂鳴器作為聲源，蜂鳴器發(fā)出的聲音信號頻率為3.6kHz。在聲音信號經(jīng)過前置放大電路以后，會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開關(guān)電容濾波器，能取得優(yōu)良的帶通濾波特性，同時較高Q值進(jìn)一步放大信號。MAX264是MAXIM公司的一款通用濾波器，內(nèi)置兩個獨(dú)立2階濾波器，可以通過引腳編程設(shè)置為低通，高通，帶通或陷波濾波器，而且濾波器的Q值可以引腳編程在0.504-90.5之間設(shè)定，中心頻率F0通過外接時鐘和引腳編程設(shè)定。經(jīng)多次測試本系統(tǒng)濾波模塊設(shè)定的Q值為16.0，Q值的選擇較重要，Q值太小或太大都會影響輸出信號的質(zhì)量，必須使濾波輸出信號噪聲小才能保證后級比較器整形的準(zhǔn)確穩(wěn)定。濾波器時鐘為705M，引腳編程設(shè)定中心頻率為3.6K，以達(dá)到最佳濾波效果。由于開關(guān)電容濾波器難以避免有高頻開關(guān)噪聲，因而濾波輸出信號后接一個簡單的RC低通結(jié)，即可有效濾除時鐘信號帶來的高頻噪聲。

2.2.3 后級放大模塊設(shè)計

濾波之后的信號噪聲幅度在20mv以下，為了便于比較器門限的設(shè)定，再跟一級放大以提高比較信號兩相鄰脈沖幅度之差，這有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。選用高CMRR運(yùn)放OPA602。

2.2.4 比較整形模塊設(shè)計

為了能對濾波輸出聲音信號進(jìn)行處理，需要將模擬信號整形成能被單片機(jī)識別的TTL脈沖信號。采用比較器LM311實(shí)現(xiàn)對輸出信號的整形，得到的信號接到MSP430擴(kuò)展的中斷口上，以實(shí)現(xiàn)對時間差的測量。LM311采用單門限比較，門限電平的設(shè)定是很重要的一步，若門限太低則容易將噪聲信號比較出來造成時間差的偏差，若門限太高則穩(wěn)定性不好，時間差測量會隨著聲源位置的變化而隨機(jī)產(chǎn)生偏差，這是由于信號幅值的波動引起的。經(jīng)過多實(shí)驗(yàn)次測試本系統(tǒng)的門限設(shè)定在100mv，系統(tǒng)能穩(wěn)定準(zhǔn)確地工作。

圖2 程序流程圖

2.2.5 無線發(fā)射模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用無線收發(fā)模塊RF24L01進(jìn)行誤差信號的傳輸。該芯片1.9-3.6V供電，功耗小。其內(nèi)置2.4GHz天線，并采用高效的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。這款芯片制成了PCB板，內(nèi)置了專門的穩(wěn)壓電路，使其在各類的電源供電情況下，都有很好的通信效果。該模塊可以通過軟件設(shè)置地址，只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程十分方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

聲源引導(dǎo)部分的軟件設(shè)計包括對可移動聲源發(fā)聲命令的發(fā)送，時間差信號的接收與處理，載體小車上電機(jī)控制命令的發(fā)送以及無線發(fā)射模塊的控制?？梢苿勇曉床糠值膯纹瑱C(jī)主要完成對無線接收模塊上寄存器的查詢，得到聲源引導(dǎo)部分發(fā)出的數(shù)據(jù)命令，并對可移動聲源部分的蜂鳴器和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，軟件設(shè)計流程如圖2所示。

［1］謝自美.電子線路設(shè)計·實(shí)驗(yàn)·測試[M].武昌：華中科技大學(xué)出版社，2000.

［2］黃根春.電子設(shè)計教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［5］馬中梅，籍順心.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［6］戎曉政，劉加.聲源定位中的延時估計方法研究[J].電聲技術(shù)，2010，33（2）:42-46.