高宇軒，蔡雨如，喻袁兵，李志明

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京，210031）

0 引言

近年來，隨著自然環(huán)境的惡劣變化，自然災(zāi)害頻發(fā)，地理環(huán)境的復(fù)雜程度加大了自然災(zāi)害救援的難度，往往被覆蓋物掩埋導(dǎo)致救援目標難以被發(fā)現(xiàn)，普通無線通訊設(shè)備信號難以傳播，救援隊的搜救工作難以進行。為了讓救援隊對搜救目標進行準確定位，提高救援效率。本文設(shè)計了一款基于STM32F103ZET6 的聲源檢測系統(tǒng)的裝置。聲源定位作為一種傳統(tǒng)的偵察手段，近年來通過采用新技術(shù)，提高了性能，滿足了現(xiàn)代化的需要，其主要特點是：

(1)便攜式系統(tǒng)。系統(tǒng)由一個小單片機系統(tǒng)外加一個聲音傳感器陣列組成，方便室外救援和作業(yè)，并且聲源不受視線限制。該聲源定位系統(tǒng)可以定位障礙物后面的聲源。

(2)造價便宜。聲測系統(tǒng)不受電磁波干擾也不會被無線電測向及定位，工作隱蔽性較強。

(3)系統(tǒng)適應(yīng)惡劣條件，能全天候工作，不受能見度限制。聲測系統(tǒng)可以在白天，夜晚、霧霾天和雨雪天工作，具有全天候系統(tǒng)正常運行的特點。

1 系統(tǒng)理論方法分析

通過引入一個加權(quán)函數(shù)，基于廣義互相關(guān)函數(shù)的時延估計算法可以有效地調(diào)整互功率譜密度，從而提升其性能，達到更優(yōu)的結(jié)果。通過改進GCC-PHAT 函數(shù)，我們可以實現(xiàn)多種不同的廣義互相關(guān)函數(shù)，從而提高系統(tǒng)的效率和準確性。根據(jù)研究結(jié)果，當GCC-PHAT 函數(shù)的最大值較大時，麥克風的接收信號更加可靠，從而提升了接收信號的質(zhì)量。GCC-PHAT 技術(shù)具有出色的抑制噪音和抑制振動的能力。

通過分析兩個麥克風之間的相關(guān)性，我們可以使用廣義互相關(guān)函數(shù)來估計它們之間的時延。在聲源定位系統(tǒng)中，麥克風陣列的每個陣元接收到的目標信號都來自同一個聲源。因此，各通道信號之間具有較強的相關(guān)性。理想情況下，通過計算每兩路信號之間的相關(guān)函數(shù)，就可以確定兩個麥克風觀測信號之間的時延。

陣列中兩個麥克風的接收信號為：

其中s(t)為聲源信號，n1(t)和n2(t)為環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，τ1和τ2是聲源信號到兩個麥克風陣元的傳播時間。相關(guān)參數(shù)如圖1 所示。

互相關(guān)算法經(jīng)常被用來做時延估計，表示為：

代入信號模型，因為s(t)和n1(t)互不相關(guān)，則可以簡化為：

其中τ12=τ1-τ2，假設(shè)n1和n2是互不相關(guān)的高斯白噪聲，則上式可以進一步簡化為：

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要由STM32F103ZET6 單片機系統(tǒng)板、聲源模塊、變壓模塊、穩(wěn)壓模塊、精密整流模塊、麥克風傳感器、4×4 矩陣鍵盤、LCD 顯示屏等部分組成。由選手使用矩陣鍵盤發(fā)出調(diào)試信號，通過麥克風傳感器檢測聲源變化并向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機開始運算分析，最終使得聲源指示控制裝置運行并顯示在LCD 液晶顯示屏和遠程云計算平臺，如圖2 所示。

圖2 聲源定位跟蹤系統(tǒng)框圖

3 核心部件電路設(shè)計

■3.1 關(guān)鍵器件性能分析

（1)控制單位情況：STM32 是一款采用ARMCortex-M332bit 微控制器、48 路LQFP 封裝的中等密度性能線，它結(jié)合了運行頻率可達72MHz 的高性能RISC 核心，以及強化輸入/輸出和外接到兩個APB 總線的高速內(nèi)嵌存儲器。擁有12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計時器、PWM 計時器、標準和高級通信接口等，一套全面的省電模式讓設(shè)計人員能夠設(shè)計出低功耗的應(yīng)用程序，系統(tǒng)板件本身也更加小巧。

（2)麥克風傳感器：采用 LM386 芯片，工作電壓4～12V 或 5～18V，傳感器為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為 20。但在1、8 足間加一外接電阻及電容，則電壓增益調(diào)至任意值為200即可。輸入端以地為參照物，而輸出端則自動偏置到電源電壓的一半，其靜態(tài)功耗只有24mW，處于6V 電源電壓下。

■3.2 核心電路設(shè)計

該峰值檢測電路，當Vin>Vout時，就輸出接近正電源軌的電壓；當Vin

圖3 峰值檢測電路原理圖

■3.3 技術(shù)方案分析比較

（1)聲源定位原理

方案一：AOA 定位原理，全稱Angle of Arrival 的縮寫。其基本的原理是：設(shè)備在AOA 定位角中，節(jié)點通過接收來自聲波的接收機發(fā)送的信號，運用數(shù)據(jù)計算節(jié)點間對應(yīng)的角度和方位，然后運用算法就可以得出它的具體坐標。接收節(jié)點排列成一定形狀的麥克風陣列，通過響應(yīng)發(fā)射信號的到達來分析出角度等信息。但其有多徑效應(yīng)帶來的影響，發(fā)送的信號因為直射波和反射波的重疊導(dǎo)致的多徑效應(yīng)引起信號的衰落，對傳感器要求更高，或者對工作環(huán)境要求更高，應(yīng)用成本便會加大。參考應(yīng)用環(huán)境，故不適用。

方案二：基于TDOA 聲源定位原理，接收節(jié)點的麥克風模塊檢測在接收到專門的偽噪聲序列信號后，去根據(jù)它的聲波信號傳播時間與速度來算出前面發(fā)送節(jié)點和后面接收節(jié)點的間距。通過運算得出它離周邊這些節(jié)點的具體距離后，就可以利用三邊測量算法或者極大似然估計算法算出自身的位置。TOA 通過測量它收到的信號在傳輸過程中需要的時間，然后根據(jù)信號的特性轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x，去根據(jù)距離定位。TOA 定位至少要三個基站的信號，得到互相的距離，才能算出被測設(shè)備的位置坐標。大多數(shù)聲源定位是基于到達時間差的方法，提高對到達時間差估計的準確程度是這種方法的關(guān)鍵。

基于以上分析，選擇方案二，采用基于TDOA 聲源定位原理。

（2)麥克風傳感器

方案一：LM1875，LM1875 是音頻功放電路，內(nèi)置有多種保護電路。LM1875 采用TO-220 封裝結(jié)構(gòu)，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大、失真小等特點。該集成電路內(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護。

方案二：LM386，LM386 是一種音頻集成功率放大器，具有低功耗、內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓可調(diào)范圍大、待機電流很小，僅為4mA、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點。在 1 腳和 8 腳之間只需要增加一外接電阻和電容，便可進行電壓增益調(diào)整（200 以內(nèi))。

結(jié)合產(chǎn)品需要，LM386 低功耗、外接元器件少，電壓增益可調(diào)（200 以內(nèi))，所以最終選擇方案二。

（3)顯示模塊

方案一：采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管具有其成本低，亮度高，精確度較高等優(yōu)點，對于單純顯示數(shù)字的電路應(yīng)用較多，但數(shù)碼管與單片機連接時，需要外接鎖存器進行數(shù)據(jù)鎖存，使用三極管進行驅(qū)動等，電路連接相對比較復(fù)雜。此外，數(shù)碼管只能顯示少數(shù)的幾個字符，不適合顯示文字與波形，編寫顯示數(shù)字程序比較簡單。

方案二：采用LCD 進行顯示，LCD12864B 液晶顯示屏，自帶中文字庫，不但能顯示字符和數(shù)字，而且顯示效果較好，容易實現(xiàn)編程。此外LCD 還具有功耗較低、無輻射危險、分辨率高，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定，抗干擾能力較強，顯示內(nèi)容多且清晰等特點。并且，液晶顯示器與單片機可直接相連，電路設(shè)計及連接簡單。

基于以上分析，由于該系統(tǒng)需要顯示文字、數(shù)字與字符，采用方案二，選擇液晶LCD12864B 進行顯示。

（4)角度傳感器的選擇

方案一：采用MPU6050 角度傳感器。MPU6050 角度傳感器可準確追蹤快速與慢速動作，集成了3 軸MEMS 陀螺儀，3 軸MEMS 加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP，測量角度范圍較廣，工作環(huán)境穩(wěn)定。

方案二：采用WOA-B/WOA-C 系列霍爾角度傳感器，無接觸，無噪聲，靈敏度高，但開關(guān)量精度不高，高頻響應(yīng)特性好。

經(jīng)綜合考慮，最終選擇方案一。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

系統(tǒng)上電后進行初始化。調(diào)用矩陣按鍵子程序，判斷定位測距模式選擇鍵是否被按下。如果選擇鍵按下，則啟動追蹤定位測距模式，檢測音頻信號，判斷是否接收完音頻信號，如果接收完音頻信號，系統(tǒng)將通過時間差計算聲源的距離、夾角及反應(yīng)時間，在LCD 上顯示數(shù)據(jù)。聲源定位跟蹤系統(tǒng)總體工作流程圖，如圖4 所示。

圖4 聲源定位跟蹤系統(tǒng)總體工作流程圖

單片機進行雙曲線交叉定位法判斷出時間差，實時檢測定位聲源的位置信息。雙曲線交叉算法如圖5、圖6 所示。

圖5 雙曲線交叉定位

圖6 雙曲線交叉定位

假設(shè)三個傳感器A,B,C 位于同一直線，兩兩間隔0.5m，故以此建立坐標系 A(-50，0)，B（0，0)，C(50，0)，待測聲源位于P(x，y)處。則AP-BP=a，BP-CP=b，當A，B 固定，滿足|AP-BP|為定值的所有P 點的集合為一組雙曲線，P 為兩條雙曲線的支點，可以直接寫出雙曲線表達式：

方程聯(lián)立：由①得：

直接求得x=0，求根得出x1 和x2 兩個數(shù)值。當a<0，判斷聲源在左側(cè)，則x=x1，當b>0，聲源在右側(cè)，x=x2，當a ≥0 且b ≤0，聲源位于中間，x 為x1 和x2 中最小值，代回原方程求解出y，從而確定聲源位置。

5 性能測試

當聲源定位跟蹤系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計完成后，需要對系統(tǒng)進行性能測試，繼而判定該系統(tǒng)的設(shè)計是否合理。考慮到該系統(tǒng)的實際運用狀態(tài)，故從不同角度和距離進行測試。具體的距離γ 及夾角θ 的聲源性能測試結(jié)果，如表1 所示。

表1 聲源距離γ及夾角θ的性能測試數(shù)據(jù)

由表1 所示的聲源性能測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)的運行工作狀態(tài)良好。整個系統(tǒng)按照控制指令正常運行，且響應(yīng)速度較快，精度較高，滿足實際運用的需要。綜上所述，該聲源定位跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局比較合理，性能測試結(jié)果良好，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。

6 結(jié)論

在聲源檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，以STM32 為主控板，將各模塊合成一個完整的系統(tǒng)。通過對聲源檢測系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計、性能測試等階段，驗證了該聲源檢測系統(tǒng)具有良好的定位跟蹤效果，同時也佐證了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理性。下一步工作，在此基礎(chǔ)上增加外設(shè)模塊，擴展出其他功能，將對該產(chǎn)品開展進一步的優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用在機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，一個可靠的機械運行診斷系統(tǒng)，需要在持續(xù)不斷工作的機器上，從每個可能出現(xiàn)故障的部件中獲得有用的數(shù)據(jù)。通常聲源定位技術(shù)，作為虛擬傳感工具來測量機械振動聲學信息。滿足更多多元化的用戶需求。