李彥瑭，沈 一，潘欣裕,2，孫云飛，夏文浩，郭笑非，陸家欣，周 岑

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué) 蘇州智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009）

0 引 言

當(dāng)前麥克風(fēng)陣列在許多實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如高背景噪聲情況下探測(cè)航空器的噪聲源[1]、在較遠(yuǎn)距離識(shí)別聲音[2]、在聲環(huán)境中查詢(xún)鑒別出不同尋常的聲音[3]、用智能聲源定位的方式追蹤人類(lèi)[4]、在高噪聲環(huán)境下對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行探測(cè)和分類(lèi)[5]等。語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域也引入了陣列信號(hào)處理的概念，并且根據(jù)聲音傳播的特點(diǎn)發(fā)展出了一些獨(dú)特的方法，如到達(dá)時(shí)間差估計(jì)（TDOA）[6]等。語(yǔ)音定位系統(tǒng)的主要目標(biāo)是識(shí)別聲音的方向，一般使用TDOA算法測(cè)得目標(biāo)發(fā)出的聲音到達(dá)麥克風(fēng)單元的時(shí)間差，測(cè)得目標(biāo)聲音的特征參數(shù)，利用時(shí)間差來(lái)確定目標(biāo)聲音點(diǎn)與陣列的角度。本文采用在功耗控制、可擴(kuò)展性、集成度、性能等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)的高性能STM32H743聲源定位系統(tǒng)，完成基于STM32H743的聲源定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 聲源定位硬件系統(tǒng)

1.1 整體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由5個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，負(fù)責(zé)聲音信號(hào)的采集和放大；MCU負(fù)責(zé)聲音信號(hào)的處理和定位運(yùn)算；LCD屏提供人機(jī)交互界面，顯示相關(guān)信息。其中，每個(gè)麥克風(fēng)都連接一個(gè)前置放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大以便于適配ADC采集。

圖1 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件系統(tǒng)各主要功能模塊

（1）麥克風(fēng)聲音采集模塊

實(shí)現(xiàn)聲源定位，必須使用麥克風(fēng)陣列以測(cè)量聲波場(chǎng)并提取有關(guān)信息。系統(tǒng)采用CUI公司出品的CMA-4554PF-W型高靈敏度全向麥克風(fēng)。麥克風(fēng)得到的聲信號(hào)所轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)不僅微弱，還有正、負(fù)之分，但STM32H7內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器只能對(duì)正電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此需要在麥克風(fēng)后連接前置放大器，并且設(shè)置直流偏置電壓，才能讓內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器正確將接收的聲音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。MAX4466EXK-T芯片支持寬電壓（2.4～5 V），STM32H743的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3 V，可直供給放大電路，因此將MAX4466EXK-T作為麥克風(fēng)單元前置放大電路中的放大芯片。圖2所示為麥克風(fēng)單元及前置放大電路。

圖2 麥克風(fēng)單元及前置放大電路

（2）麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)

麥克風(fēng)陣列中，最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是麥克風(fēng)線(xiàn)性陣列，即麥克風(fēng)單元線(xiàn)性排列。這種結(jié)構(gòu)計(jì)算量最少，但僅能定位半個(gè)平面，因此本設(shè)計(jì)選用十字型分布[7]方法，為線(xiàn)性陣列加上2個(gè)輔助定位的麥克風(fēng)單元。此設(shè)計(jì)可以在保留普通線(xiàn)性麥克風(fēng)陣列計(jì)算量相對(duì)較少的條件下，提高線(xiàn)性麥克風(fēng)陣列的定位角度，如二維平面360°定位角度。十字型分布的麥克風(fēng)陣列中，3個(gè)麥克風(fēng)單元構(gòu)成線(xiàn)性陣列，用于聲源定位，前后2個(gè)麥克風(fēng)單元輔助定位、比較功率譜、判斷聲音處于線(xiàn)性陣列的前方或后方。麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到麥克風(fēng)單元的間距太小會(huì)導(dǎo)致耦合度增加，且噪聲對(duì)麥克風(fēng)陣列的影響增大，從而影響聲音定位的精確性；但麥克風(fēng)單元的間距也不能過(guò)大，陣列設(shè)計(jì)中通常選擇麥克風(fēng)單元的距離小于接收聲波的半個(gè)波長(zhǎng)。一般人正常說(shuō)話(huà)的頻率范圍為100～1 200 Hz，而聲速一般為340 m/s，因此間距d＜14.17 cm。同時(shí)考慮麥克風(fēng)單元體積的限制，故將麥克風(fēng)陣列中麥克風(fēng)單元的間距定為12 cm。麥克風(fēng)陣列分布示意如圖3所示。

圖3 麥克風(fēng)陣列分布示意圖

（3）MCU最小系統(tǒng)

該研究中的聲音定位系統(tǒng)需要充分考慮MCU的功耗、性能、拓展性和實(shí)時(shí)性等，所以選擇STM32H743VI完成A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、聲音源定位、信息傳輸?shù)热蝿?wù)。STM32H743VI核心板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 STM32H743VI核心板結(jié)構(gòu)

2 聲源定位軟件系統(tǒng)

2.1 算法基礎(chǔ)

當(dāng)聲音信號(hào)自遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，在有背景噪音的情況下被2個(gè)傳感器MIC1和MIC2分別檢測(cè)時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：

式中：s1(t)為聲音信號(hào)；n1(t)、n2(t)均為隨機(jī)噪聲；α表示信號(hào)到達(dá)2個(gè)MIC前后的衰減比。只要估算出MIC1和MIC2接收到信號(hào)的時(shí)間之差D，就可以通過(guò)D計(jì)算信號(hào)相對(duì)于2個(gè)傳感器間的位置。

聲音信號(hào)定位中較為常用的估計(jì)時(shí)間差的算法為廣義互相關(guān)（GCC）算法。真實(shí)環(huán)境下，D和α是緩慢變化量。得到信號(hào)數(shù)學(xué)模型后，計(jì)算信號(hào)x1(t)、x2(t)的廣義互相關(guān)函數(shù)：

式中，E表示數(shù)學(xué)期望，互相關(guān)的極大值出現(xiàn)在雙麥時(shí)間差的位置上。將式（1）和式（2）帶入式（3），信號(hào)s1(t)、n1(t)、n2(t)獨(dú)立，展開(kāi)得到式（4）：

由互相關(guān)函數(shù)性質(zhì)可知，τ=D時(shí)Rx1x2(τ)取得最大值。求出互相關(guān)函數(shù)波峰對(duì)應(yīng)的τ值，記為τmax，由此得到2個(gè)麥克風(fēng)之間信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差D。

2.2 到達(dá)時(shí)間差法遠(yuǎn)場(chǎng)原理

當(dāng)聲音信號(hào)自遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，在有背景噪音的情況下被2個(gè)傳感器MIC1和MIC2分別檢測(cè)時(shí)，測(cè)量該語(yǔ)音信號(hào)到達(dá)方向的模型如圖5所示，最少需要2個(gè)麥克風(fēng)組成線(xiàn)性陣列。

圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)原理示意圖

圖5中，A點(diǎn)表示遠(yuǎn)場(chǎng)的單個(gè)聲源，由于聲音發(fā)散自遠(yuǎn)場(chǎng)，到達(dá)麥克風(fēng)時(shí)聲波可以近似看做平行入射，帶有箭頭的線(xiàn)表示聲音信號(hào)，a為2個(gè)麥克風(fēng)之間的距離，d為聲音到達(dá)2個(gè)麥克風(fēng)之間的距離差，θ表示聲信號(hào)的入射角度，根據(jù)幾何關(guān)系得到式（5）：

由于a已知，若MIC1和MIC2之間的時(shí)間差為τ，該環(huán)境下聲速為c，則能確定到達(dá)方向θ，見(jiàn)式（6）：

2.3 系統(tǒng)軟件流程

聲音定位系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。上電后，軟件首先進(jìn)行ADC、DMA和定時(shí)器的初始化，之后進(jìn)行指定次數(shù)的ADC采樣以及DMA傳輸，達(dá)到指定次數(shù)后，對(duì)所有信號(hào)做FFT變換，然后兩兩計(jì)算互譜密度，最后根據(jù)條件采用TDOA算法進(jìn)行距離與角度的計(jì)算。

圖6 軟件流程

3 系統(tǒng)測(cè)試

將麥克風(fēng)單元與STM32H743核心板連接后采樣，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和DMA將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，借助串口助手打印。聲源定位距離和角度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 聲源定位測(cè)試

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了使用STM37H7及麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)的構(gòu)成，經(jīng)測(cè)試，可以在STM32平臺(tái)上完成以往基于傳統(tǒng)PC平臺(tái)的聲源定位任務(wù)，并獲得較好的結(jié)果。同時(shí)該方案還可以作為一種在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度指向與定位的方案，為實(shí)現(xiàn)聲源定位系統(tǒng)提供參考。