基于MSP430的聲音定位系統的設計

摘要：聲源定位在當今日益智能化的社會中有著諸多方面的應用，特別是在智能控制，軍事等領域。文中設計的系統以MSP430F449單片機為控制核心，步進電機驅動的小車作為移動聲源載體，設計兩個間距固定的麥克風作為接收設備，測量聲源發聲到麥克風接收到聲音的時間差數據，聲源通過無線模塊接收到數據從而計算出聲源的坐標，然后控制聲源小車運行到指定坐標實現定位控制。經測試，本系統能精確的控制小車到達指定坐標點，系統工作穩定。
關鍵詞：聲音定位；MsP430；無線控制；步進電機

定位系統是當今很熱門的一個研究課題，國內外測距定位技術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定位的技術也兇其低成本，易實現，精確度較高等優勢而在飛速發展，存智能控制領域有著較廣泛的應用。

1 系統整體設計
系統主要南移動聲源，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生周期性的聲音信號。聲音接收處理由麥克風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判斷并控制無線模塊發送數據和命令給移動聲源，移動聲源再做相應調整。

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據，通過無線模塊NRF24L01將數據送到聲源做處理。同時鍵盤輸入的目的坐標點數據也通過無線模塊傳輸到聲源。
1．2 移動聲源部分
聲源載體為步進電機驅動的兩輪小車，利用蜂鳴器發聲。車上的MSP430控制蜂鳴器發聲，無線模塊收到來自聲音接收處理端發過來的數據后計算出聲源坐標，根據目的坐標點由MSP430輸出相應PWM波控制步進電機轉動使小車移動到目的坐標點。
1．3 軟件處理部分
聲源發出周期性的聲音信號，開始發聲時刻通過無線模塊給接收端一個標志，接收端開啟定時器開始計時，出現有效中斷信號后停止計時，即可得到時間差數據。聲源部分接收到時間差數據后計算出坐標控制電機運動。

2 系統硬件模塊電路設計
2．1 系統可行性分析
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。根據系統算法的設計，系統核心是測出聲音信號到兩接收點的時間差。現系統的精度要求為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行的指令個數為：Te／Tsck=29／0．125=232。本系統中，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無線指令的執行，而1 cm誤差范圍內的232條指令時間足夠執行無線指令。聲源部分的單片機主要負責接收點之間的無線通信，控制小車運動，產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的性能指標。
2．2 功能模塊電路設計
(1)差分放大電路設計
采用雙麥克風接收聲音信號，能大大減小環境噪聲干擾，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100dB以上，能夠有效的抑制共模噪聲，并且可達到60 dB的放大倍數，僅需一個外接電阻就可調節其放大倍數。采用雙麥克風差分放大的一個重要優勢在于：放大輸出信號的幅度不再是與聲源和麥克風之間的距離成反比，而是其幅度隨聲源在平面坐標的不同而隨機發生很小范圍的波動(這是由于電路放大的是兩個麥克風聲音信號之差，距離遠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定。但由于采用雙麥克風差分放大，即使AD620放大倍數很高，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。
(2)聲音信號濾波模塊設計
本系統以蜂嗚器作為聲源，蜂鳴器發出的聲音信號頻率為3．6 kHz。在聲音信號經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開關電容濾波器，能取得優良的帶通濾波特性，同時較高Q值進一步放大信號。由于開關電容濾波器難以避免有高頻開關噪聲，因而濾波輸出信號后接一個簡單的RC低通結，即可有效濾除時鐘信號帶來的高頻噪聲。