声源定位系统毕业设计(论文)

0 前言

声音是我们所获取的外界信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，人们可以判断出物体相对于自己的方位。有些应用场合，人们需要用机器来完成声音定位这个功能，并且往往要求定位精度比较高。2003年的美伊战争期间，人民网、CCTV网站的军事频道、国防在线等网站均报道了装配于美军的狙击手探测技术，这项技术其中一部分就包含了声源定位技术。

声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是：

1）不受通视条件限制。可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。

2）隐蔽性强。声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。

3）不受能见度限制。其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。

以下对美军装备的报道来自于《“巴格达之战”考验英军巷战武器装备》一文，该文刊登于2003年4月8日国防在线美伊战争专题。“狙击手声测定位系统通过接收并测量膛口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置，通常仅能探测超音速弹丸。这种系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。美国BBN系统和技术公司的声测系统，通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类。该系统为固定设置型，采用2个置于保护区两侧的传声器阵列或6个分布在保护区内的单向传声器。传声器通过电缆或射频链路与指挥节点相连。为了准确定位，需事先确定传声器的距离，精度要在1米以内。该系统可探测到90％的射击，定位精度为方位1.2°、水平3°。此外，美国的“哨兵”和“安全”有效控制城区环境安全系统均是采用声测定位技术的反狙击手系统。

美军这一套声源定位系统通过定位弹丸产生的特殊激波和冲击波，探测出狙击手的位置，在战场上有效保护战士生命。而在民用方面，声源定位系统也有广阔的应用前景。试设想一下未来的可视电话，如果在电话上装上声源定位系统，实时探测出人说话的方位，则我们可以控制可视电话的摄像头跟踪移动的说话人。无论人在屋里的哪一个角落，摄像头始终都可以将人拍在图像正中间。这样，我们可以在任意的位置使用固定安装的视频电话。由于人在使用这种视频电话时可以自由活动，势必使得电话交流更加生动有趣。而使用这种可视电话来进行视频会议将给与会者带来很大的方便。

声音给人们带来了方便，丰富了人们的生活。而对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明，声源定位系统是一个很有意义的研究课题。

近年来，随着嵌入式系统数据处理能力越来越强，使用它来构建小型声源定位系统已经现实。但是，现在市面上还很少有这样的成品。其主要受限制于声源定位对数据采集的特殊要求，一般的定位系统少则几个采集通道，多则十几个甚至几十个采集通道，而且各通道之间要保持同步采集。现在比较流行的定位系统都使用传声器阵列，一般使用8个以上的传声器，也就需要8通道以上的同步采集设备与之相配。本论文的工作主要是根据声源定位系统对数据采集的要求，开发了一个数据采集系统，并在此基础上构建了一个声源定位系统，然后尝试了一种定位算法，试图发现并解决一些声源定位系统实用化中存在的问题。

1 声源定位系统简介

1.1 系统设计要求及步骤

1.1.1 设计要求

本次设计的系统需要具备如下设计要求：

1）声源定位区域为60cm*60cm的正方形；

2）声源频率在3±1kHz左右；

3）声源定位误差在±5cm以内；

4）能够显示定位坐标；

5）功耗低、性价比高。

1.1.2 设计步骤

1）总体方案的选择、分析、论证，并画出系统的结构框图；

2）硬件电路设计并进行硬件焊接；

3）软件编程；

4）进行调试；

5）逐步修改，将所需的功能完全实现。

1.2 系统方案选择与论证

1.2.1 声源定位原理

方案一：仿人双耳的声源定位原理。人是我们最熟悉的一个声源定位系统，人的两只耳朵是这个系统的主角。由于耳廓具有非常特殊的形状，声音经过耳廓的处理后，大脑只需要根据两只耳朵所接收到的声音强度就能大致定位某一个声源的位置。国外科学家把人的头部用球的模型来近似，在球相对的两

极各安装一个传声器，给出了两耳功能的解析方程能够有效的定位声音的方向。然而要模拟制作出耳廓这样具有特殊结构的传感器是比较费劲的。

方案二：基于到达时间差的声源定位原理。人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音录制的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值。如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时间差，合适的安排传声器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这个点就是我们要的声源位置。大多数声源定位是基于到达时间差的方法，提高对到达时间差估计的准确程度是这种方法的关键。

基于以上分析，选择方案二，采用基于到达时间差的声源定位原理。

1.2.2 处理器模块

根据题目要求，处理器模块主要用于对传声器传输的声源信号进行接收、计算声源坐标、以及显示声源坐标。对于处理器的选择有以下两种方案。

方案一：采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器，由于FPGA将所有的器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本次设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。

方案二：采用通用型STC89C52单片机作为系统的主控制器。由于单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，因此非常适合利用单片机作为控制器。

基于以上分析，选择方案二，采用STC89C52单片机作为处理器。

1.2.3 显示模块

方案一：采用数码管显示。数码管具有低功耗、耐老化和精度比较高等优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进

行驱动等，电路连接相对比较复杂。此外，数码管只能显示少数的几个字符，显示内容较少，基本上无法显示汉子。

方案二：采用LCD进行显示。液晶显示屏（LCD）具有低功耗、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，分辨率高、抗干扰能力强、显示内容多等特点。并且，液晶显示器与单片机可直接相连，电路设计及连接简单。

基于以上分析，采用方案二，选择液晶1602进行显示。

1.2.4 传声器模块

方案一：采用超声波接收探头作为声源接收电路的核心器件。但是超声波探头检测音频的灵敏度较低，且成本较高。

方案二：采用驻级话筒。接收器由驻极话筒进行接收，然后经过放大器将微弱的声源信号放大，在经过带通滤波器滤除不需要的音频信号，并进行整形后输入单片机进行运算和处理。本方案具有检波容易、功耗低、性价比高的特点。

基于以上分析，采用方案二。

1.2.5 电源模块

方案一：采用普通电池做电源，输出的直流电后经多个稳压器得到理想的不同伏值的直流电压。采用该方法做电源，输出电流能力大、移动方便。缺点是直流电流放电受自身影响大，放电时间受限不便长时间工作，而且价格较贵，不符合本次设计的特征要求。

方案二：采用三端稳压集成电路。变压器降压后经过桥式整流、滤波，再经过三端稳压器得到直流电源。这一电路实现简单、灵活，而且可长时间工作，符合本次设计要求。

基于以上分析，采用方案二，选择集成稳压电源输出直流电。

1.3 研究现状

现今使用的声源定位算法基本基于以上两种种声源定位原理。国际上经过多年的研究，声源定位算法已经比较的成熟，已经有一些实际可用的定位系统。现在比较热门的方法是使用传声器阵列的定位方法，更为深入的研究除了能对单个静止声源定位外，还可以对多个声源定位。而国内在这方面的研究就

比较的匮乏。有人用物理手段来测量声音到达各传感器的时间差，例如使用自制的时差测量物理装置在一个固体媒质平面上进行声源定位。一些人概括了传声器阵列定位方法，并就其中一种定位方法给出了实验结果，实验结果只有2组数据，过于简单，而且只限于确定声音方向与传声器阵列的夹角，没有给出声源位置的完整空间位置描述。因此，我们决定建立一个实际可用的能确定平面空间中声源位置的声源定位系统，把我们的研究更推进一步。不论何种声源定位原理，都需要分析两个或多个传声器对同一段声音采集的差别，根据这个差别得出定位结果。这要求对声音进行同步采集，也就是要使用同一个采样脉冲序列对多个传声器拾取的声音信号进行量化。根据理论的推算，各路声音采集的同步误差要限制在微秒级别，才不至于太影响定位结果。另外。声源定位系统如果要实现对运动声源的定位，就要求数据同步采集系统能实时的将采集数据传输至处理器供定位程序使用，其最大能容忍的传输延迟由运动声源的运动速度决定。而定位系统要在平面空间中定位声源，一般采用3个独立的传声器或者多个传声器阵列，这要求采集系统至少要有3个以上的采集通道，由于定位算法对声源定位系统中声音数据的采集提出了特殊的要求，建立实用的声源定位系统的关键是要使得数据采集能满足算法要求。为此，采用三块具有放大、滤波、整形的传声器对声源进行同步采集，并实时的将数据传输到处理器，这样，就组成了一个3路同步声音采集系统，最后加上处理器上的声源定位程序，就组成了一个完整的声源定位系统。

2 声源定位系统硬件设计

2.1 硬件设计简介

本系统所要完成的工作是：三点麦克风阵列负责采集声源信号；声源信号经过放大、滤波和整形传送给单片机；单片机根据得到的信号进行数据处理和分析；计算出声源坐标后显示在液晶上，整个过程由三端稳压集成电路供电。

本设计的主要设计目标：

1）声源采集范围：60cm*60cm 的正方形区域；

2）带通滤波器通频带宽：±3kHz ±1kHz ；

3）声源定位误差：x e ＜5cm ，y e ＜5cm ；

简单的系统组成原理如图2-1所示。当声源在设定区域内产生时，三点麦克风阵列依次采集到声音信号，经过各自的放大、滤波、整形后，经由输入接口送到单片机内部，单片机对传来的信号进行处理后，得到声源坐标，并将坐标显示在液晶上。整个过程由三端稳压集成电源提供电能。

声源麦克风

阵列

放大、滤波、整形输入接口

单片机

显示

电源

图2-1系统组成原理图

Fig.2-1 System composition principle diagram

系统的工作过程是：首先，三点麦克风阵列分别固定在60cm*60cm正方形区域的三个顶点。当声源在这个区域内产生时，声音会向四面八方扩散，三点麦克风会一次接收到声源的信号，但是由于声音信号是微弱的，所以要经过放大器进行放大，放大后的声音信号也要经过带通滤波器的滤波，防止干扰信号的进入，该带通滤波器设置的通频带宽为±3kHz±1kHz，由于此时的信号还是连续量，这种信号无法被单片机接收，所以该声音信号还要经过最后一道工序，那就是整形，由比较器整形成0V或5V的电平信号，之后直接传送给单片机，有单片机对三点声源信号进行分析与处理，计算出声源坐标后会显示在液晶屏幕上。例如，开始时，整个系统处于待机状态，在某一时刻，声源产生后，三点麦克风会有序的对声源信号进行采集，经过放大、滤波、和整形后，传送到单片机内，单片机会自动的对采集到的三点信号进行声源分析与数据处理，处理完毕后会立刻显示在液晶屏幕上。如果麦克风采集到的声源信号属干扰信号，就会被带通滤波器的环节被衰减掉，不会传到单片机内。

系统的详细框图如图2-2所示。

麦克风1麦克风2麦克风3放大器

放大器

放大器

带通滤波器

带通滤波器

带通滤波器

比较器

比较器

比较器

单

片

机

液

晶

电源

图2-2 系统详细框图

Fig.2-2 Diagram of the system in detail

系统在设计思想上摒弃了以往的一体化结构设计方法，采用了模块化结构，最终用户通过与处理器进行人机对话，完成所有的操作。信号传输的物理通道是处理器的输入引脚接口与从设的输出端。所有的计算均在处理器内进行，从设是处理器的一个外部设备。

处理器由单片机充当，其主要功能包括:接收传声器发送过来的信号；对该信号进行数据分析与处理；在液晶屏幕上显示计算结果等。

从设由传声器充当，其主要功能包括：采集声源信号；对生源先好进行放大、滤波、整形；将整形后的信号传输给单片机等。

处理器的硬件电路主要由单片机及其外围电路构成，外围电路主要包括：启动电路、复位电路、晶振电路、液晶电路。

从设的硬件电路主要包括:放大电路、带通滤波电路、比较（整形）电路、供电接口电路等几部分。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 单片机最小系统及显示模块设计

1）单片机最小系统设计

设计思想：单片机最小系统包括单片机及其接口电路、复位电路、晶振电路、程序下载电路、供电及电源扩展电路。

其中，单片机及其接口电路，用于给外设的连接提供输入输出接口，本次设计需要连接的外设有传声器阵列和液晶模块，该部分电路如图2-3所示。

图2-3 单片机及其接口电路

Fig.2-3 Single chip and its interface circuit

复位电路，类似计算机的重启，若程序跑飞会进入死循环，可选择按复位按钮。stc89c52的复位引脚RST为下降沿复位，其复位电路如图2-4所示。

图2-4 复位电路

Fig.2-4 reset circuit

晶振电路，给单片机提供工作脉冲，类似人类的心跳，同时决定单片机的工作塑速率。stc89c52单片机最大工作频率可以达到32M，其晶振电路如图2-5。

图2-5 晶振电路

Fig.2-5 xtal circuit

程序下载电路，用于计算机与单片机之间的通讯，用户将程序下载到单片机中需要此电路，同时也可用于调试，其程序下载电路如图2-6。

图2-6 程序下载电路

Fig.2-6 Program download circuit

供电及电源扩展电路，作为与电源连接的接口，并扩展出多路以供其他外设供电使用，其供电及电源电源接口电路录入2-7所示。

图2-7 供电及电源扩展电路

Fig.2-7 Power supply and power expansion circuit

2）显示模块设计

设计思想：本次设计采用LCD1602作为显示模块，只用于显示声源定位坐标。

其液晶接口电路如图2-8所示。

图2-8 液晶接口电路

Fig.2-8 LCD interface circuit

2.2.2 传声器模块设计

1）麦克风电路设计

设计思想：根据本次系统的设计要求，麦克风采用驻极式小话筒，为使麦克风正常工作，需要提供+12V电源。

麦克风电路如图2-12所示。

图2-9 麦克风电路

Fig.2-9 mic-level signal

2）放大电路设计

设计思想：由于麦克风采集的声音信号幅值很低，为了方便单片机的接收，需要放大声源信号，器件选择LM324通用放大器。

放大器电路如图2-10所示。

图2-10 放大电路

Fig.2-10 amplifying circuit

在系统运作过程中，无法避免的一些直流信号干扰，图中C11作为滤波使用，有效将直流干扰信号隔离在放大电路之外。

设输入为i U ，输出为o U ，放大倍数为K,反馈回路电流为I ，根据‘虚短虚断’原理，则：

7R I U i ?=

（2-1）

4R I U o ?=

（2-2）

所以：

7274===

R R U U K i o

（2-3）

即，该放大电路对声源信号放大了72倍。

3）滤波器电路设计

对于信号的频率具有选择作用的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率信号通过。滤波电路按是否使用运放分为有源滤波和无源滤波，由于有源滤波具有更高的可靠性，本次系统采用有源滤波电路。按截止频率的高低可将滤波器分为低通、高通、带通和带阻，设低频段截止频率为1p f ，高频段截止频率为2p f ，频率为1p f 和2p f 之间的信号能够通过，低于1p f 或高于2p f 的信号被衰减，这种电路称为带通滤波电路，本次设

计采用带通滤波电路。

设计思想：由高通滤波器和低通滤波器组成的3kHz ±1kHz 的带通滤波器，为了便于采集，实现声源定位的模拟，此系统只针对3kHz 左右（较尖锐）的声源进行采集，如果想采集其他频率的声音，可以调整滤波电路中R 或C 的值。同时，由于在系统工作时，不可避免的会引入噪声或低频干扰，噪声是一种频率很高的声音，而低频声音频率很低，这些干扰都会在此带通滤波中得到衰减。

带通滤波器电路如图2-11所示。

图2-11 带通滤波电路

Fig.2-11 bandwidth-limited circuit

由图可知，前半部分为低通滤波器，后半部分为高通滤波器。由图中参数可以算出其截止频率：

kHz C C R R f p 38.32113121561≈=

π

（2-4） kHz C C R R f p 69.1211410982≈=

π

（2-5） 其中，1p f 为低通滤波器的上限截止频率，2p f 为高通滤波器的下限截止频率，即带同频率为1.69kHz 与3.38kHz 范围内，基本满足本次设计声源频率在3±1kHz 左右的要求。

4）整形电路设计

设计思想：由于经过放大和滤波的声源信号不是标准的电平信号，不能被

单片机接收，需要设计整形电路对其进行转换。电路采用一块比较器、二极管和下拉电阻组成。

整形电路如图2-12所示。

图2-12 整形电路

Fig.2-12 shaping circuit

设比较电压为k U ，则：

01.0131213≈+=R R R U k

（2-6）

如果输入信号的幅值低于k U ，则输出的电压为0V ；若输入信号的幅值高于k U ，则输出的电压为12V 。经过分压得到5V 的电平信号。

但是由于分压电阻、单片机的上拉电阻、比较器输出信号的不标准等因素，会造成一定的误差，但是不影响单片机对信号的接收。

二极管的作用是：基于二极管的单向导通性，有效防止单片机的输出电流输入到比较器的输出端，造成信号的混叠与断续。

2.2.3 电源模块设计

设计思想：该单元采用成熟的三端稳压集成电路，即先通过变压器将220V 变成±18V ，再经过桥式整流、电容滤波、稳压管，得到±12V 和±5V 的电压。

该电源电路如图2-13所示。

图2-13 电源模块电路图

Fig.2-13 Power supply module circuit diagram

2.3 系统干扰措施

电路一旦引入干扰或噪声，轻声影响精度或其他性能指标，重者会引起误操作，甚至造成元器件的物理损伤。

散热设计对电子设备的有效性和可靠性也有很大的影响，温度的变化直接影响元器件工作的稳定性和可靠性，晶体管工作点会随温度变化而变化，散热设计对于大功率器件更是必不可少的。总之，散热设计就是要对板上的元器件及整个板子进行热控制，使他们规定的温度范围内工作。

布局时考虑的问题：元器件分布均匀、集成块方向一致间隔相等、元器件排列尽量紧凑以缩短两线短降低连接阻抗、对功率较大的发热元器件外加散热器。考虑不同电路单元之间互相干扰的问题。例如：将敏感的电路单元原理易产生干扰的电路单元，会引起误操作，甚至造成元器件的物理损伤；例如下列常见干扰现象数值电路部分和模拟电路部分分开，根据信号电平高低的不同，高电平电路和低电平电路分开，根据工作电流的大小不同，大电流电路和小电流电路分开，布线时间考虑的问题：导线力求路径短捷，以减小连接阻抗，导线拐弯处应为圆弧形，以免在高频电路和布线密度高的情况下影响电气性能，合理的接地，印制板上的实际电路，接地端的数目可能是很大的，而且可能是

各种数字、模拟、高频、低频、大电流、小电流电路同时共存，根据不同单元的特点，在总体上突出并联一点，局部上采用串联一点。在没有布线的区域填充网格状的屏蔽地平面。

3 声源定位系统软件设计

3.1 软件设计简介

系统采用C语言编程实现各种功能。C语言本身带有各种函数库，算术运算能力较强，而本次设计中算术运算又比较多且比较复杂，利用C语言编程优势完全可以体现出来。

系统的软件部分主要在单片机上运行，它为最终用户提供友好的人机界面。用户可以方便地观察声源定位的坐标。单片机在接收完声源信号后，由软件自动计算出声源坐标，用户可以很直观在地屏幕上观察测试的结果。软件功能主要集中于“时差法定位声源坐标”功能算法上，它需要完成：等待最先到达的声源信号；记录后两次声源信号的达到时间；对时间数据进行处理，得到声源坐标。

开始时，系统对使用的模块进行初始化处理，包括定时器初始化和液晶初始化。然后，系统进入等待状态，等待第一次声源信号的到达。

当第一次声源信号达到后，系统先对该到达信号进行判断，判断该信号为那个传声器先采集到的，判断完成后，将自身定时器数值清零，进入对应的程序段，继续等待下一声源信号的到来。例如，传声器1最先采集到声源信号，处理后送给单片机，单片机判断该声源信号为传声器1先采集到的，立即清零定时器数值，然后跳入对应程序段，等待传声器2或传声器3的下一声源信号到来。

当第二次声源信号到达后，系统再次对该到达信号进行判断，判断完成后，记录此刻的定时器数值记为t1，然后进入对应的程序段，继续等待第三次声源信号的到达。例如，第一次达到的是传声器1送来的信号，第二次声源信号到来后，系统进行判断后，确认该信号是传声器2送来的信号，记录从传声器1信号达到到传声器2信号到达所经历的时间（即定时器数值），然后继续等待第三次声源信号的到达。

当第三次声源信号到达后，立即记录此刻的定时器数值记为t2，然后跳入对应程序段。例如，第三次到达的声源信号是传声器3送来的，记录此时定时器数值t2，至此，声源信号接收阶段完毕。

当两次时差t1和t2数值全部更新完毕后，系统进入声源坐标计算程序段，具体的计算过程将在‘时差定位算法子程序设计’中详细阐述。

通过以上分析可以知道，系统的软件相对来说比较简单，按照自顶向下的设计思想和模块化设计的观点，设计出了下面的流程图（仅一种情况）图3-1。

N N N

开始

定时器初始化液晶显示初始化

等待第一个

信号到达

传声器1的

信号？

清空定时器数值

等待下一信号的

到达

传声器2的

信号？

记录

定时器时间t1

传声器3的

信号？

记录

定时器时间t2等待下一信号的

到达

计算声源坐标显示声源坐标

一个声源

定位结束

Y

Y

Y

图3-1 软件系统流程图

Fig.3-1 Software system flow chart

本程序是在WindowsXP环境下采用keil4软件编写的，实现对声源时差的记录和声源坐标的计算与显示。上文己经对系统的硬件和软件功能作了明确的划分，并对软件的功能提出了明确的要求。接下来将具体介绍软件结构，并对其中主要的模块所涉及的技术进行详细阐述。

3.2 软件程序设计

3.2.1 系统主程序设计

主程序完成的任务主要是对整个系统的运行进行必要的初始化，并调用子程序来完成各项任务。

初始化函数包括对定时器和液晶显示的初始化，其中，选用的是定时器0，用来存储声源依次到达三点所需要的时间，而液晶的初始化是为显示做必要的准备。

系统主程序的流程框图如图3-2所示。

开始

调用定时器初

始化函数

调用液晶初始

化函数

调用坐标测量

函数

调用坐标显示

函数

图3-2 主程序流程图

Fig.3-2 The main program flow chart