（中北大学 电子测试技能重点实验室，山西 太原030051）
为了优化声源被动定位技能，以及降落功耗、提高精度、增强对职员不易到达的恶劣环境等区域的声源监测能力，设计了一种基于麦克风阵列的声源被动定位系统。以五元十字形为麦克风阵列模型，以FPGA为核心，采取VHDL编写逻辑掌握程序对数据采集、读取过程进行掌握, 通过USB接口与上位机通信，紧张设计了放大和接口电路模块。测试结果表明，系统定位间隔准确，相对偏差较小，知足系统设计哀求。
五元十字形；FPGA；数据采集；USB接口
中图分类号：TN912
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171954
中文引用格式：韩文革，苏淑靖，薛彦杰. 基于麦克风阵列的声源被动定位系统设计[J].电子技能运用，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 弁言
声源目标定位紧张是利用传声器阵列吸收被监测旗子暗记，进而确定被监测声源在声场中相对付已知位置的角度和间隔，即角度估计（Angle Estimating）和间隔估计（Range Estimating）[1]。随着数据采集系统速率、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，旨在得到定位精度高、体积小、低功耗的声目标定位系统，对付军用仓库、职员不易达到的恶劣环境等区域的声源监测具有主要的利用意义。
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，分别是旗子暗记获取的硬件部分和系统掌握及算法实现的软件部分。
旗子暗记获取部分紧张包括：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掌握模块和电源模块等。声源旗子暗记在空气中传播到达麦克风阵列，由仿照接口电路将旗子暗记传输到阻抗匹配电路，肃清尖刺、抖动征象，使旗子暗记稳定。然后经由四阶抗混叠滤波电路，滤除掉个中的无用噪声，提高信噪比[3]。由于传声器输出是很微弱的电旗子暗记，在前端用增益可调的电路模块对其进行可调性放大。放大之后经由A/D转换把仿照量变成数字量，FPGA掌握数据通过USB接口实时上传给上位机处理。系统掌握及算法实现部分紧张浸染是给采集系统下发命令，对上传的数据根据到达韶光差算法的事理进行打算，实现声源相对付参考阵元的方位和间隔的估计。
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。
经由滤波电路后旗子暗记中的高频噪声被滤除，麦克风的输出旗子暗记是微弱旗子暗记，以是须要在A/D采样电路前设计前置放大电路，将旗子暗记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、增益可调的性能哀求，本声源定位系统采取集成运算放大器 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。
利用OPA4228驱动容性负载时，会涌现相位偏移或减小相位裕量的情形，乃至使运放不能稳定事情。对运放的改进设计中，除了对电源管脚和运放供电管脚利用旁路电容外，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，在不采纳任何补偿方法的条件下，将一个频率为10 kHz的正弦波接入到OPA4228放大电路的输入端，丈量其输出得到图中的波形。从图中可知，输入旗子暗记经由放大电路后，虽然得到了100倍的放大结果，但输出旗子暗记涌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，输入同样的旗子暗记丈量输出，得到图5所示旗子暗记。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
本设计采取Cypress公司EZ-USB FX2LPTM系列的CY7C68013A芯片。它的内部构造如图6所示。从图中可以看出，内部包括数据吸收发送单元、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，紧张功能是用来存储固件程序。上电复位后，68013A的FX2LP首先通过旗子暗记接口自动加载VIN/PIN/DIN等配置信息；然后逻辑模块检讨I2C引脚上是否串接有0xC0或0xC2为首字节的存储器，如果创造，就会自动将AT24C64A中的程序内容加载进内置存储器中[6]。
该模块电路采取总线的供电办法。USB总线上电压是+5 V，经由线性稳压芯片MAX1658调度为3.3 V电压。在设计电路时，不管是否利用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
为了直不雅观明了、大略方便地进行逻辑设计，采取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，时序逻辑部分紧张由通信接口模块、AD7606模块、Flash模块、复位掌握模块、参数和命令剖析模块、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流的桥梁，吸收旗子暗记参数、数据和地址等参数；参数和命令模块将吸收到的参数和命令作识别并触发干系操作；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、读掌握；FiFo模块完身分歧模块之间数据的缓存[7]。
4 定位性能测试
将本文运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丈量。M1作为坐标原点，边缘4个麦克风离原点间隔为14 cm，声源旗子暗记为拍手掌声音“啪啪啪”，不同测试点声源位置和3次测试数据的均匀值如表1所示。
由于外界噪声滋扰的随机性，导致个别实验结果不理想，但从表1中可以看出，在多数情形下，五元十字形阵列定位间隔准确和相对偏差也较小。通过对五元十字形阵列的数据剖析可知，间隔定位偏差和声源离传声器阵列的间隔成正比的关系，间隔越远，偏差越大。
5 结论
本文先容了一种基于麦克风阵列的声源被动定位系统，紧张以五元十次型麦克风阵列为模型进行研究，对硬件设计、掌握逻辑设计进行了详细论述。测试结果表明，模块定位间隔准确，相对偏差较小，在声源定位技能运用中具有很高的运用代价和参考代价。
参考文献
[1] 王建亮.基于无线传感器网络节点的声源定位技能研究[D].太原：中北大学，2009.
[2] 赵熙，崔广新，李磊，等.基于双麦克风声源定位的视频跟踪[J].当代电子技能，2013(24)：111-113，117.
[3] 洪鸥.麦克风阵列语音增强技能及其运用[J].微打算机信息，2006(1)：142-144，179.
[4] 陆灏铭，陈玮，刘寿宝.基于麦克风阵列的声源定位系统设计[J].传感器与微系统，2012(4)：79-81，85.
[5] 徐燕子.面向麦克风阵列运用的声源定位算法研究[D].武汉：华中科技大学，2009.
[6] 殷作亮.基于麦克风阵列的MUSIC声源定位算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.
[7] 李致金，乔杰.基于TMS320DM642麦克风阵列声源定位系统[J].测控技能，2011(1)：35-38.
