基于MSP430的聲音定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：聲源定位在當(dāng)今日益智能化的社會(huì)中有著諸多方面的應(yīng)用，特別是在智能控制，軍事等領(lǐng)域。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為控制核心，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車(chē)作為移動(dòng)聲源載體，設(shè)計(jì)兩個(gè)間距固定的麥克風(fēng)作為接收設(shè)備，測(cè)量聲源發(fā)聲到麥克風(fēng)接收到聲音的時(shí)間差數(shù)據(jù)，聲源通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊接收到數(shù)據(jù)從而計(jì)算出聲源的坐標(biāo)，然后控制聲源小車(chē)運(yùn)行到指定坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位控制。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能精確的控制小車(chē)到達(dá)指定坐標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：聲音定位；MsP430；無(wú)線(xiàn)控制；步進(jìn)電機(jī)

定位系統(tǒng)是當(dāng)今很熱門(mén)的一個(gè)研究課題，國(guó)內(nèi)外測(cè)距定位技術(shù)常用到的有激光測(cè)距定位，超聲波測(cè)距定位，CPS定位等，而利用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)也兇其低成本，易實(shí)現(xiàn)，精確度較高等優(yōu)勢(shì)而在飛速發(fā)展，存智能控制領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要南移動(dòng)聲源，聲音接收處理，軟件處理三大部分組成如圖1所示。移動(dòng)聲源主要以小車(chē)為載體由蜂鳴器產(chǎn)生周期性的聲音信號(hào)。聲音接收處理由麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波等，直至將信號(hào)送入單片機(jī)。軟件處理部分由送入單片機(jī)的信號(hào)做出相應(yīng)判斷并控制無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給移動(dòng)聲源，移動(dòng)聲源再做相應(yīng)調(diào)整。

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(hào)，后級(jí)利用MAX264構(gòu)成Q值較高的帶通濾波器，濾波之后的信號(hào)跟一級(jí)放大以提高相鄰兩脈沖幅度差，放大之后信號(hào)再經(jīng)比較器LM311整形得到脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)送入MSP430處理，處理之后得到時(shí)間差數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊NRF24L01將數(shù)據(jù)送到聲源做處理。同時(shí)鍵盤(pán)輸入的目的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)也通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸?shù)铰曉础?br />1．2 移動(dòng)聲源部分
聲源載體為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩輪小車(chē)，利用蜂鳴器發(fā)聲。車(chē)上的MSP430控制蜂鳴器發(fā)聲，無(wú)線(xiàn)模塊收到來(lái)自聲音接收處理端發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后計(jì)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(dòng)使小車(chē)移動(dòng)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(hào)，開(kāi)始發(fā)聲時(shí)刻通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊給接收端一個(gè)標(biāo)志，接收端開(kāi)啟定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，出現(xiàn)有效中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，即可得到時(shí)間差數(shù)據(jù)。聲源部分接收到時(shí)間差數(shù)據(jù)后計(jì)算出坐標(biāo)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件模塊電路設(shè)計(jì)
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)，外部品振8 MHz，則：時(shí)鐘周期=0．125μs。根據(jù)系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)核心是測(cè)出聲音信號(hào)到兩接收點(diǎn)的時(shí)間差。現(xiàn)系統(tǒng)的精度要求為1 cm，聲波速度為344 m／s則：時(shí)間精度Te=0．01／344=29μs。單片機(jī)在一個(gè)時(shí)間精度能夠執(zhí)行的指令個(gè)數(shù)為：Te／Tsck=29／0．125=232。本系統(tǒng)中，由接收端通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)控制移動(dòng)聲源的停車(chē)和移動(dòng)，所以移動(dòng)聲源的位置誤差產(chǎn)生主要是來(lái)自于接收端和聲源之間的無(wú)線(xiàn)通信，而無(wú)線(xiàn)通信主要的耗時(shí)來(lái)自單片機(jī)內(nèi)無(wú)線(xiàn)指令的執(zhí)行，而1 cm誤差范圍內(nèi)的232條指令時(shí)間足夠執(zhí)行無(wú)線(xiàn)指令。聲源部分的單片機(jī)主要負(fù)責(zé)接收點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信，控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生周期性聲波等操作，對(duì)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(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
2．2 功能模塊電路設(shè)計(jì)
(1)差分放大電路設(shè)計(jì)
采用雙麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)，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60 dB的放大倍數(shù)，僅需一個(gè)外接電阻就可調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)。采用雙麥克風(fēng)差分放大的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于：放大輸出信號(hào)的幅度不再是與聲源和麥克風(fēng)之間的距離成反比，而是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(dòng)(這是由于電路放大的是兩個(gè)麥克風(fēng)聲音信號(hào)之差，距離遠(yuǎn)聲音信號(hào)之差不會(huì)變的很小，距離近聲音信號(hào)之差也不會(huì)很大)，這有利于比較器門(mén)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(hào)峰值仍然不超過(guò)100 mV，須進(jìn)一步放大。系統(tǒng)后級(jí)放大采用的是較高Q值的帶通濾波器，濾波的同時(shí)對(duì)中心頻率信號(hào)也有著很高的放大倍數(shù)。
(2)聲音信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以蜂嗚器作為聲源，蜂鳴器發(fā)出的聲音信號(hào)頻率為3．6 kHz。在聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路以后，會(huì)引入高頻噪聲和低頻噪聲，因而必須在后級(jí)處理模塊中接入Q值較高的帶通濾波電路，濾波采用MAX264開(kāi)關(guān)電容濾波器，能取得優(yōu)良的帶通濾波特性，同時(shí)較高Q值進(jìn)一步放大信號(hào)。由于開(kāi)關(guān)電容濾波器難以避免有高頻開(kāi)關(guān)噪聲，因而濾波輸出信號(hào)后接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通結(jié)，即可有效濾除時(shí)鐘信號(hào)帶來(lái)的高頻噪聲。