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(jì)的系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為控制核心,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的小車作為移動聲源載體,設(shè)計(jì)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(jì)算出聲源的坐標(biāo),然后控制聲源小車運(yùn)行到指定坐標(biāo)實(shí)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(diǎn),系統(tǒng)工作穩(wěn)定。關(guān)鍵詞:聲音定位;MsP430;無線控制;步進(jìn)電機(jī)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(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(jìn)行放大濾波等,直至將信號送入單片機(jī)。軟件處理部分由送入單片機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)也通過無線模塊傳輸?shù)铰曉础?b>1.2 移動聲源部分 聲源載體為步進(jìn)電機(jī)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(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)動使小車移動到目的坐標(biāo)點(diǎn)。1.3 軟件處理部分 聲源發(fā)出周期性的聲音信號,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(jì)時,出現(xiàn)有效中斷信號后停止計(jì)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(jì)算出坐標(biāo)控制電機(jī)運(yùn)動。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)核心是測出聲音信號到兩接收點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)主要負(fù)責(zé)接收點(diǎn)之間的無線通信,控制小車運(yùn)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(jī)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(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,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(jī)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(jìn)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(jì) 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(jìn)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。
關(guān)鍵詞: 聲音定位 MsP430 無線控制 步進(jìn)電機(jī)
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