韓文革， 蘇淑靖， 薛彥傑
（中北大學 電子測試技術重點實驗室， 山西 太原030051）
為了優化聲源被動定位技術， 以及降低功耗、提高精度、增強對人員不易到達的惡劣環境等區域的聲源監測能力， 設計了一種基於麥克風陣列的聲源被動定位系統。 以五元十字形為麥克風陣列模型， 以FPGA為核心， 採用VHDL編寫邏輯控制程式對資料獲取、讀取過程進行控制, 通過USB介面與上位機通信， 主要設計了放大和介面電路模組。 測試結果表明， 系統定位距離準確， 相對誤差較小， 滿足系統設計要求。
五元十字形；FPGA；資料獲取；USB介面
中圖分類號：TN912
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171954
中文引用格式：韓文革， 蘇淑靖， 薛彥傑. 基於麥克風陣列的聲源被動定位系統設計[J].電子技術應用， 2017， 43(12)：61-64.
英文引用格式：Han Wenge， Su Shujing， Xue Yanjie. Design of passive location system based on microphone array[J].Application of Electronic Technique， 2017， 43(12)：61-64.
0 引言
聲源目標定位主要是利用傳聲器陣列接收被監測信號， 進而確定被監測聲源在聲場中相對於已知位置的角度和距離， 即角度估計（Angle Estimating）和距離估計（Range Estimating）[1]。 隨著資料獲取系統速度、解析度提高及小型化、低功耗等性能的提高， 聲源定位系統的性能也在不斷提高[2]。 本文提出的基於麥克風陣列的聲源被動定位系統， 旨在獲得定位精度高、體積小、低功耗的聲目標定位系統， 對於軍用倉庫、人員不易達到的惡劣環境等區域的聲源監測具有重要的使用意義。
1 方案設計
麥克風陣列被動聲源定位系統的整體方案如圖1所示。
信號獲取部分主要包括：端麥克風陣列、阻抗匹配電路、抗混疊濾波電路、增益可調電路、ADC同步採樣電路、Flash資料存儲、USB同步傳輸、FPGA控制模組和電源模組等。
2 硬體電路設計
實際的十字形麥克風陣列擺放如圖2所示。 圖中，
經過濾波電路後信號中的高頻雜訊被濾除， 麥克風的輸出信號是微弱信號， 所以需要在A/D採樣電路前設計前置放大電路， 將信號放大到的採樣保持在電路的電壓量程中。
針對前置放大器通頻帶較寬、信噪比較高、增益可調的性能要求，
使用OPA4228驅動容性負載時， 會出現相位偏移或減小相位裕量的情況， 甚至使運放不能穩定工作。 對運放的改進設計中， 除了對電源管腳和運放供電管腳使用旁路電容外，在回饋電阻兩端並聯了回饋電容，如圖3所示，回饋電容C1與回饋電阻R1並聯。如圖4所示，在不採取任何補償措施的條件下，將一個頻率為10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大電路的輸入端，測量其輸出得到圖中的波形。從圖中可知，輸入信號經過放大電路後，雖然得到了100倍的放大結果，但輸出信號出現了明顯的振盪和相位偏移。
對電路進行改進加入回饋電容後，輸入同樣的信號測量輸出，得到圖5所示信號。比較圖4和圖5可知，回饋電容起到了明顯的效果。
3 資料通信介面設計
3.1 USB介面電路設計
本設計採用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A晶片。它的內部結構如圖6所示。從圖中可以看出，內部包括資料接收發送單元、SIE智慧序列介面引擎、8051增強型微處理器、片上資料RAM、4個可配置端點、可選緩衝區大小和8 bit/8 bit外部資料介面等，能夠實現USB2.0的高速資料通信協議[5]。
外部配置晶片AT24C64A是ATMEL公司生產的，主要功能是用來存儲固件程式。上電復位後，68013A的FX2LP首先通過信號介面自動載入VIN/PIN/DIN等配置資訊；然後邏輯模組檢查I2C引腳上是否串接有0xC0或0xC2為首位元組的記憶體，假如發現，就會自動將AT24C64A中的程式內容載入進內置記憶體中[6]。
該模組電路採用匯流排的供電方式。USB匯流排上電壓是+5 V，經過線性穩壓晶片MAX1658調整為3.3 V電壓。在設計電路時，不管是否使用E2PROM來存儲固件程式，I2C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻，阻值為2.2 kΩ。
3.2 邏輯時序設計
為了直觀明瞭、簡單方便地進行邏輯設計，採用了自頂向下的模組化設計方法來進行。圖7為硬體電路邏輯時序頂層示意圖。
從圖7中可以看出，時序邏輯部分主要由通信介面模組、AD7606模組、Flash模組、重定控制模組、參數和命令分析模組、時鐘分配與管理模組以及Fifo模組等部分組成。通信介面模組是系統軟體與硬體之間資料交換的橋樑，接收信號參數、資料和位址等參數；參數和命令模組將接收到的參數和命令作識別並觸發相關操作；AD7606模組完成五路通道的同步採樣；Flash模組進行外部記憶體資料的擦除、寫、讀控制；FiFo模組完成不同模組之間資料的緩存[7]。
4 定位性能測試
將本文應用的五元十字形陣列分別在不同位置進行三維空間聲來源資料測量。M1作為座標原點，邊緣4個麥克風離原點距離為14 cm，聲源信號為拍手掌聲音“啪啪啪”，不同測試點聲源位置和3次測試資料的平均值如表1所示。
由於外界雜訊干擾的隨機性，導致個別實驗結果不理想，但從表1中可以看出，在多數情況下，五元十字形陣列定位距離準確和相對誤差也較小。通過對五元十字形陣列的資料分析可知，距離定位誤差和聲源離傳聲器陣列的距離成正比的關係，距離越遠，誤差越大。
5 結論
本文介紹了一種基於麥克風陣列的聲源被動定位系統，主要以五元十次型麥克風陣列為模型進行研究，對硬體設計、控制邏輯設計進行了詳細論述。測試結果表明，模組定位距離準確，相對誤差較小，在聲源定位技術應用中具有很高的應用價值和參考價值。
參考文獻
[1] 王建亮.基於無線感測器網路節點的聲源定位技術研究[D].太原：中北大學，2009.
[2] 趙熙，崔廣新，李磊，等.基於雙麥克風聲源定位的視頻跟蹤[J].現代電子技術，2013(24)：111-113，117.
[3] 洪鷗.麥克風陣列語音增強技術及其應用[J].微電腦資訊，2006(1)：142-144，179.
[4] 陸灝銘，陳瑋，劉壽寶.基於麥克風陣列的聲源定位系統設計[J].感測器與微系統，2012(4)：79-81，85.
[5] 徐燕子.面向麥克風陣列應用的聲源定位演算法研究[D].武漢：華中科技大學，2009.
[6] 殷作亮.基於麥克風陣列的MUSIC聲源定位演算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.
[7] 李致金，喬傑.基於TMS320DM642麥克風陣列聲源定位系統[J].測控技術，2011(1)：35-38.
除了對電源管腳和運放供電管腳使用旁路電容外，在回饋電阻兩端並聯了回饋電容，如圖3所示，回饋電容C1與回饋電阻R1並聯。如圖4所示，在不採取任何補償措施的條件下，將一個頻率為10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大電路的輸入端，測量其輸出得到圖中的波形。從圖中可知，輸入信號經過放大電路後，雖然得到了100倍的放大結果，但輸出信號出現了明顯的振盪和相位偏移。對電路進行改進加入回饋電容後，輸入同樣的信號測量輸出，得到圖5所示信號。比較圖4和圖5可知，回饋電容起到了明顯的效果。
3 資料通信介面設計
3.1 USB介面電路設計
本設計採用Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A晶片。它的內部結構如圖6所示。從圖中可以看出，內部包括資料接收發送單元、SIE智慧序列介面引擎、8051增強型微處理器、片上資料RAM、4個可配置端點、可選緩衝區大小和8 bit/8 bit外部資料介面等，能夠實現USB2.0的高速資料通信協議[5]。
外部配置晶片AT24C64A是ATMEL公司生產的，主要功能是用來存儲固件程式。上電復位後，68013A的FX2LP首先通過信號介面自動載入VIN/PIN/DIN等配置資訊；然後邏輯模組檢查I2C引腳上是否串接有0xC0或0xC2為首位元組的記憶體，假如發現，就會自動將AT24C64A中的程式內容載入進內置記憶體中[6]。
該模組電路採用匯流排的供電方式。USB匯流排上電壓是+5 V，經過線性穩壓晶片MAX1658調整為3.3 V電壓。在設計電路時，不管是否使用E2PROM來存儲固件程式，I2C管腳SDA和SCL必須各自串接上拉電阻，阻值為2.2 kΩ。
3.2 邏輯時序設計
為了直觀明瞭、簡單方便地進行邏輯設計，採用了自頂向下的模組化設計方法來進行。圖7為硬體電路邏輯時序頂層示意圖。
從圖7中可以看出，時序邏輯部分主要由通信介面模組、AD7606模組、Flash模組、重定控制模組、參數和命令分析模組、時鐘分配與管理模組以及Fifo模組等部分組成。通信介面模組是系統軟體與硬體之間資料交換的橋樑，接收信號參數、資料和位址等參數；參數和命令模組將接收到的參數和命令作識別並觸發相關操作；AD7606模組完成五路通道的同步採樣；Flash模組進行外部記憶體資料的擦除、寫、讀控制；FiFo模組完成不同模組之間資料的緩存[7]。
4 定位性能測試
將本文應用的五元十字形陣列分別在不同位置進行三維空間聲來源資料測量。M1作為座標原點，邊緣4個麥克風離原點距離為14 cm，聲源信號為拍手掌聲音“啪啪啪”，不同測試點聲源位置和3次測試資料的平均值如表1所示。
由於外界雜訊干擾的隨機性，導致個別實驗結果不理想，但從表1中可以看出，在多數情況下，五元十字形陣列定位距離準確和相對誤差也較小。通過對五元十字形陣列的資料分析可知，距離定位誤差和聲源離傳聲器陣列的距離成正比的關係，距離越遠，誤差越大。
5 結論
本文介紹了一種基於麥克風陣列的聲源被動定位系統，主要以五元十次型麥克風陣列為模型進行研究，對硬體設計、控制邏輯設計進行了詳細論述。測試結果表明，模組定位距離準確，相對誤差較小，在聲源定位技術應用中具有很高的應用價值和參考價值。
參考文獻
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[7] 李致金，喬傑.基於TMS320DM642麥克風陣列聲源定位系統[J].測控技術，2011(1)：35-38.