基于MSP430的聲音定位系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：聲源定位在當(dāng)今日益智能化的社會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)計的系統(tǒng)以MSP430F449單片機為控制核心，步進電機驅(qū)動的小車作為移動聲源載體，設(shè)計兩個間距固定的麥克風(fēng)作為接收設(shè)備，測量聲源發(fā)聲到麥克風(fēng)接收到聲音的時間差數(shù)據(jù)，聲源通過無線模塊接收到數(shù)據(jù)從而計算出聲源的坐標(biāo)，然后控制聲源小車運行到指定坐標(biāo)實現(xiàn)定位控制。經(jīng)測試，本系統(tǒng)能精確的控制小車到達(dá)指定坐標(biāo)點，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：聲音定位；MsP430；無線控制；步進電機

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，CPS定位等，而利用音頻信號實現(xiàn)定位的技術(shù)也兇其低成本，易實現(xiàn)，精確度較高等優(yōu)勢而在飛速發(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
系統(tǒng)主要南移動聲源，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行放大濾波等，直至將信號送入單片機。軟件處理部分由送入單片機的信號做出相應(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。

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)點數(shù)據(jù)也通過無線模塊傳輸?shù)铰曉础?br />1．2 移動聲源部分
聲源載體為步進電機驅(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)點由MSP430輸出相應(yīng)PWM波控制步進電機轉(zhuǎn)動使小車移動到目的坐標(biāo)點。
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)控制電機運動。

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，外部品振8 MHz，則：時鐘周期=0．125μs。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的時間差?，F(xiàn)系統(tǒng)的精度要求為1 cm，聲波速度為344 m／s則：時間精度Te=0．01／344=29μs。單片機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內(nèi)無線指令的執(zhí)行，而1 cm誤差范圍內(nèi)的232條指令時間足夠執(zhí)行無線指令。聲源部分的單片機主要負(fù)責(zé)接收點之間的無線通信，控制小車運動，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
(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，而是其幅度隨聲源在平面坐標(biāo)的不同而隨機發(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，放大后的信號峰值仍然不超過100 mV，須進一步放大。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)聲音信號濾波模塊設(shè)計
本系統(tǒng)以蜂嗚器作為聲源，蜂鳴器發(fā)出的聲音信號頻率為3．6 kHz。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值進一步放大信號。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。