关于基于麦克风阵列的声源被动定位系统的设计

0 引言

声源目标定位主要是利用传声器阵列接收被监测信号，进而确定被监测声源在声场中相对于已知位置的角度和距离，即角度估计（Angle Estimating）和距离估计（Range Estimating）[1]。随着数据采集系统速度、分辨率提高及小型化、低功耗等性能的提高，声源定位系统的性能也在不断提高[2]。本文提出的基于麦克风阵列的声源被动定位系统，旨在获得定位精度高、体积小、低功耗的声目标定位系统，对于军用仓库、人员不易达到的恶劣环境等区域的声源监测具有重要的使用意义。

1 方案设计

麦克风阵列被动声源定位系统的整体方案如图1所示。系统由两大部分构成，分别是信号获取的硬件部分和系统控制及算法实现的软件部分。

信号获取部分主要包括：端麦克风阵列、阻抗匹配电路、抗混叠滤波电路、增益可调电路、ADC同步采样电路、Flash数据存储、USB同步传输、FPGA控制模块和电源模块等。声源信号在空气中传播到达麦克风阵列，由模拟接口电路将信号传输到阻抗匹配电路，消除尖刺、抖动现象，使信号稳定。然后经过四阶抗混叠滤波电路，滤除掉其中的无用噪声，提高信噪比[3]。因为传声器输出是很微弱的电信号，在前端用增益可调的电路模块对其进行可调性放大。放大之后经过A/D转换把模拟量变成数字量，FPGA控制数据通过USB接口实时上传给上位机处理。系统控制及算法实现部分主要作用是给采集系统下发命令，对上传的数据根据到达时间差算法的原理进行计算，实现声源相对于参考阵元的方位和距离的估计。

2 硬件电路设计

实际的十字形麦克风阵列摆放如图2所示。图中，M1，M2，…M5表示十字阵列的5个十字形拓扑的5个阵元，M1为参考阵元。

经过滤波电路后信号中的高频噪声被滤除，麦克风的输出信号是微弱信号，所以需要在A/D采样电路前设计前置放大电路，将信号放大到的采样保持在电路的电压量程中。

针对前置放大器通频带较宽、信噪比较高、增益可调的性能要求，本声源定位系统采用集成运算放大器 OPA4228 担当其前置放大电路的核心部件[4]。放大电路如图3所示。

使用OPA4228驱动容性负载时，会出现相位偏移或减小相位裕量的情况，甚至使运放不能稳定工作。对运放的改进设计中，除了对电源管脚和运放供电管脚使用旁路电容外，在反馈电阻两端并联了反馈电容，如图3所示，反馈电容C1与反馈电阻R1并联。如图4所示，在不采取任何补偿措施的条件下，将一个频率为10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大电路的输入端，测量其输出得到图中的波形。从图中可知，输入信号经过放大电路后，虽然得到了100倍的放大结果，但输出信号出现了明显的振荡和相位偏移。

对电路进行改进加入反馈电容后，输入同样的信号测量输出，得到图5所示信号。比较图4和图5可知，反馈电容起到了明显的效果。

3 数据通信接口设计

3.1 USB接口电路设计

本设计采用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A芯片。它的内部结构如图6所示。从图中可以看出，内部包括数据接收发送单元、SIE智能串行接口引擎、8051增强型微处理器、片上数据RAM、4个可配置端点、可选缓冲区大小和8 bit/8 bit外部数据接口等，能够实现USB2.0的高速数据通信协议[5]。 

外部配置芯片AT24C64A是ATMEL公司生产的，主要功能是用来存储固件程序。上电复位后，68013A的FX2LP首先通过信号接口自动加载VIN/PIN/DIN等配置信息；然后逻辑模块检查I2C引脚上是否串接有0xC0或0xC2为首字节的存储器，假如发现，就会自动将AT24C64A中的程序内容加载进内置存储器中[6]。

该模块电路采用总线的供电方式。USB总线上电压是+5 V，经过线性稳压芯片MAX1658调整为3.3 V电压。在设计电路时，不管是否使用E2PROM来存储固件程序，I2C管脚SDA和SCL必须各自串接上拉电阻，阻值为2.2 kΩ。

3.2 逻辑时序设计

为了直观明了、简单方便地进行逻辑设计，采用了自顶向下的模块化设计方法来进行。图7为硬件电路逻辑时序顶层示意图。

从图7中可以看出，时序逻辑部分主要由通信接口模块、AD7606模块、Flash模块、复位控制模块、参数和命令分析模块、时钟分配与管理模块以及Fifo模块等部分组成。通信接口模块是系统软件与硬件之间数据交换的桥梁，接收信号参数、数据和地址等参数；参数和命令模块将接收到的参数和命令作识别并触发相关操作；AD7606模块完成五路通道的同步采样；Flash模块进行外部存储器数据的擦除、写、读控制；FiFo模块完成不同模块之间数据的缓存[7]。

4 定位性能测试

将本文应用的五元十字形阵列分别在不同位置进行三维空间声源数据测量。M1作为坐标原点，边缘4个麦克风离原点距离为14 cm，声源信号为拍手掌声音“啪啪啪”，不同测试点声源位置和3次测试数据的平均值如表1所示。

由于外界噪声干扰的随机性，导致个别实验结果不理想，但从表1中可以看出，在多数情况下，五元十字形阵列定位距离准确和相对误差也较小。通过对五元十字形阵列的数据分析可知，距离定位误差和声源离传声器阵列的距离成正比的关系，距离越远，误差越大。 

5 结论

本文介绍了一种基于麦克风阵列的声源被动定位系统，主要以五元十次型麦克风阵列为模型进行研究，对硬件设计、控制逻辑设计进行了详细论述。测试结果表明，模块定位距离准确，相对误差较小，在声源定位技术应用中具有很高的应用价值和参考价值。