声音定位系统作品报告

2012年陕西省第三届大学生德州仪器（TI）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛设计报告封面参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号0431D说明1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；2.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制的学校编码填写；“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，本科组数字编排范围（01-50），高职高专组数字编排范围（从60开始顺延）；“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写。例如：“0206B”或“2862F”。3.本页允许各参赛学校复印。摘要本设计是由固定位置的声响模块、声音接收模块、液晶显示模块以及信息处理模块四部分构成。其中固定位置的声源以微型扬声器作为发声器件发出500Hz的脉冲串信号，接收器通过驻极体话筒拾音放大后，经高Q值二阶带通滤波器获取该信号并送入超低功耗型单片机MSP430F149做处理，以判断声响模块所在位置，并将其显示在液晶显示屏128*64上面。另外，系统所有方案均以低功耗和低成本为设计思想，采用低功耗单片机、扬声器和驻极体话筒等。声响模块的功耗不大于200mW，位置的判断误差不大于30mm。关键词：声响模块；MSP430F149。1．系统总体基本方案本声音定位系统由四大模块组成，第一部分是声响模块，其作用是产生500Hz基波频率的方波放大后经微型扬声器发声，声音的持续时间约为1秒。方波发生器由555定时器构成，延时电路是555构成的单稳态电路。第二部分是声音接收模块，由麦克风接收扬声器发出的声音经过两级放大，第一级放大电路为9013声控电路，第二级为集成运放LM358，经施密特整形电路后获得待捕获信号送至信息处理模块，经过单片机处理，将声响模块的位置坐标显示在液晶屏上。2．各模块方案论证与选择2.1方波信号产生的方案论证与选择方案一：用MAX038精密、高频波形发生器来产生方波信号，电路结构简单，能产生0.1Hz～20MHz的方波信号，波形的频率和占空比可以由电流、电压或电阻控制。但价格比较高。方案二：采用555定时器组成多谐振荡电路，经过施密特触发器整形，该波的频率可以通过调节555定时器电路的放电电阻来进行调节。该电路成本低廉，555产生的方波震荡电路比较稳定，而且频率、占空比均可调可调，上升沿陡的特点。方案比较：根据题目要求，我们需要一个500KHz频率的方波，方案二电路即可实现，且价格低廉，故我们选择方案二。实现电路如图2所示。图2声响模块子系统电路原理图2.2音频功放方案的选择方案一：选用TDA2030芯片作为音频功放电路，它采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。方案二：TDA7050是一个低电压音频放大集成电路，可应用于连接耳机听音的小收音机、数码音频设备等，它可在单声道（桥接负载）或立体声模式下工作。TDA7050无需外部元件，是一个独立完整的音频放大器，电源电压下降到1.6V仍可工作，并具有极低的静态电流。采用SOP-8/DIP-8封装。电源电压范围：1.6-6.0V，BTL输出功率：140mW方案比较：根据题目要求，声响模块的功耗不大于200mW，相比之下方案二更容易满足要求。音频功放的原理图如图3所示。图3音频功放的原理图2.3接收模块方案的选择此模块的主要功能是检测从声响模块发出的周期性音频脉冲信号。并对信号进行放大、滤波、整形，输出单片机能够识别的信号，供给单片机控制系统。要实现此模块功能，有以下可选方案。方案一：采用通用放大器、比较器和集成滤波器芯片作为模块核心器件。放大器使用TI公司音频放大器NE5532,滤波芯片采用MAXIM公司生产的八阶连续时间有源滤波器MAX274。方案二：仅使用通用放大器和比较器，完成声音信号的放大、滤波及整形。此方案，主要使用TI公司通用放大器NE5532及LM311比较器。方案三：接收器采用楼道的声控开关，利用录音头的特性，把音频信号转换为电信号，经过两级放大送到CD4096可重复单稳态触发器，再经过CD4069进行波形整形，送至单片机。方案比较：经过以上方案论述，方案一由于滤波器使用集成芯片，电路十分简洁，性能好，但是其成本高；方案二电路较复杂，调试较难；方案三电路简单，可靠性好。故选择方案三。声音接收模块的原理图如图4所示。图中滤波单元电路完成的功能是抗干扰。要充分考虑滤波器过渡带、衰减带特性。以集成运放为核心的有源滤波电路，结构简单，所需元件少，成本低，且电路输入阻抗高、输出阻抗低，并电路调节简单。所以根据实际情况，选择以集成运放为核心的滤波方案。图4声音接收电路原理图2.4声源定位方案：方案一：是基于波束形成定位，该算法可以用于多声源的定位，但存在着对初值敏感和需要声源与背景噪声等先验知识的问题。方案二：是利用到达时间差来计算声源的方向，该方法原理简单，计算量小、易于实现。基于到达时间差的算法，根据捕获电路中的捕获到四个时间，MSP430将得到的四个时间相互比较（都已某个方向上得到的时间为基准）计算出三个时间差，再用归一化法准确确定声源的坐标音频信号到达拾音器的时间差，实现了到达时间差的硬件测量。方案三：是基于空间谱估计的算法，如多重信号分类(MultipleSignalClassification，MUSIC)算法，也可以实现对多个声源有效估计，但是计算量大，系统要求高。综合考虑可行性和准确性，选择方案二。利用到达时间差来计算声源的原理如下：如图1所示，四个接受装置（麦克风1、2、3、4）分别位于（300，225）、（-300，225）、（-300，-225）、（300，-225），声源（扬声器）M在坐标系的任意位置图1声源位置确定示意图假设声音信号传到麦克风1、2、3、4的时间为1t、2t、3t、4t，时间差2t=2t-1t，3t=3t-1t，4t=4t-1t，分别以接收装置1、2、3、4为圆心，则声源M应该位于分别以换能器1、2、3、4为圆心,以1vt，12()vtt，13()vtt，14()vtt为半径四个圆的交点上。四个圆的交点只有一个,即唯一解。源的位置坐标应满足下述四个圆方程:22221222212222213222214(300)(225)1(300)(225)()2(300)(225)()3(300)(225)()4xyvtxyvttxyvttxyvtt方程(1)-（2），（1)-（3），（1)-（4）得，22221222231322241412002120090029002xvttvtxyvttvtyvttvt解上述方程组得：22332442333()()1200()vtttttttxxttt24334224432()()900()vtttttttyyttt（其中v表示声音在空气中的传播速度5340/3.410/msmms）4实验结果和结论作品达到了题目所有基本要求和部分发挥要求。①可移动声源到达Ox线距离偏差在3cm以内。②可移动声源平均运动速度达到10cm/s。③可移动声源到达Ox线之后再到达W点距离偏差在3cm以内。