基于STM32的声源定位装置.docx
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基于STM32的声源定位装置
1前言
随着时代的进步，信息产业的发展也是越来越快，特别是在计算机和通讯方面的发展，给人们的生活带来了诸多方便。
随着雷达随着雷达侦测技术的兴起，声定位技术曾一度遭到冷冻，法军和美军分别于70年代80年代取消了声测侦察。
近年来，由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁，越来越容易遭受攻击。
因此，人们又开始重视被动式传感器，重新激起对声测技术的兴趣。
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。
声源定位在战场之外也同样具有广泛的应用前景，它可用于电话会议系统、视频会议系统、可视电话等系统中的控制摄像头和传声器阵列波速方向对准正在说话的人；也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理，以提供高质量的声音信号，提高语音及说话人识别软件的识别率；亦可用于强噪声环境下的声音获取、大型场所的会议记录，以提高声音拾取质量；还可用于助听装置中，更好地为耳障患者服务等。
本文所设计的基于STM32的声源定位装置，通过555定时器构成的多谐振荡器，分别产生1KHZ的方波信号，然后为了便于ADC的采样，使输出信号在一定范围内，我们将该方波信号分别送入自动增益控制电路中进行放大。
在接收端，我们采用固定的四个坐标点，分别测量声源与各自的相位差，主要是通过柱体极话筒接收发射来的方波信号，然后经过由NE5532形成的带通滤波器进行滤波，最终送入ADC转换器，然后通过相应的算法计算出声源的具体位置。
本文从硬件和软件两个方面入手，其中涉及到了声学、机械能和电能之间的相互转换、电子线路、数字信号处理、软件设计和算法设计等多个技术方面的领域，特别是在声音信号的坐标位置确定过程中，牵扯到了解方程组的知识，且为了降低系统的误差，我们多设计了一个测量点求其平均值，使其成为了超定方程组，更好地达到了设计的要求。
声音是人类常用的工具，是传递和获取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，就可以判断出物体的方位。
现在，人类已经进入信息化时代，声源定位技术的研究，使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息，这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。
2总体方案设计
在无噪声、无混响的情况下，声源距离越近，接收到的幅值当然也就越高，这就有可能使信号输出的幅值超出ADC采样的范围，从而给测量值带来很大的误差。
本次设计由于有两个声源位置，因此必须要对他们所产生的信号进行很好的处理，这样才有可能较为准确的计算出声源的坐标。
声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、全天候工作等特点，但是由于周围复杂的环境，想要十分精确的确定某一声源的位置，还是相对困难的。
因此，必须采取一个妥善的实施方案。
另外，在设计中我们必须遵循项目设计的原则，分析项目需求，从而实现最优化。
2.1方案比较
2.1.1声源信号产生方案
方案一：
用常用的STC89C51单片机来产生500HZ的方波，利用单片机背部定时器溢出中断次数达到我们所设计的值时，就将相应的I/O引脚状态取反，这样就产生了占空比为50%的方波音源信号。
方案二：
用NE555构成的多谐振荡器来产生频率为500HZ的方波信号作为声源信号。
它的原理是用内部定时器来构成时基电路，外部通过简单的电路配合所需要的信号，该电路搭建简单，原理容易理解，电路中的元器件参数也比较好计算。
方案比较：
在方案一中，用单片机产生的方波，虽然程序设计比较简单，但是硬件电路搭建比较麻烦，而且所利用的单片机资源太少，这样就显得浪费，并且性价比很低。
方案二中，虽然由555产生的方波信号不是很稳定，但是整个电路设计简单，方便调试，555定时器价格便宜，性价比较高。
因此选择方案二。
2.1.2声源的选择
方案一：
采用低音扬声器作为声源。
扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件。
将单片机产生的频率为500Hz的信号接在扬声器的接收端，扬声器能发出强度比较大的声音信号。
方案二：
采用无源蜂鸣器作为声源。
无源蜂鸣器在提供一定频率的方波震荡源时，能够发出声音。
试验中用无源蜂鸣器发声时，声音比较清晰，但声音强度比扬声器稍弱。
方案比较：
两种器件发出的声音都能被接收端检测出来。
方案一中，扬声器需要消耗较大的功率，结合现代社会电子产品低功耗的要求，这样就浪费了能源。
方案二中，蜂鸣器是一种低功耗的器件，而且是我们经常使用的声源，价格也很低廉，也能达到设计的要求。
因此选择方案二。
2.1.3坐标解算方案
方案一：
利用双曲线上的点到焦点距离差一定，可确定多条双曲线，求其交点，即可解算出坐标。
但算曲线存在盲区，不能满足定位精度。
方案二：
根据两点到其中一点的距离差，用三角形法，求出坐标，再利用第三点到这点的距离差来校正坐标，即可解算出坐标。
方案三：
直接利用matlab算出坐标和四点距离差，然后分析数据，找到坐标和距离差之间的关系，直接写关系解算，思路简单，但是计算机分析数据量大，难以实现。
方案比较：
方案一中，如果声源刚好位于距离四个接收源相等的位置，那么就无法该处的声源坐标，存在计算的盲区。
方案二中，通过方程组可以解除坐标x和y，并且还是超定方程组，可以求平均值使我们的测量更为准确。
方案三中，matlab的数据分析量太大，难以实现。
因此，坐标解算方案选择方案二。
2.2方案选择
通过以上分别对声源、声源的产生以及坐标计算算法的讨论，分别综合以上方案得到我们设计的系统框图如图2.1所示：
图2.1系统的结构框图
从本设计的基本要求出发，再结合现有的实验室条件和实际应用，本设计采取了以上的系统框图。
在该图中，555定时器通过外围少量元器件可以组成多谐振荡器，AGC电路是由VCA810构成的，主要是用来将输出信号控制在一定范围内。
带通滤波器的通频带为50HZ，采用的是巴特沃斯相应的压控电压源电路（VCVS），该电路输入阻抗很高，输出阻抗很低，电路性能稳定。
此次系统采用计算相位差的方法，得到各个固定坐标与生源坐标之间的距离差，然后建立相应的方程组，解出我们所需要的声源坐标。
本次设计方案的选取是综合考虑了成本、硬件电路绘制、软件编写、功能指标等的结果。
3单元模块设计
每一个系统的构成都是由单元模块电路组成的，因此模块电路的设计是项目完成的基础。
本次设计从功能性来分，将模块分成了几大部分，包括电源电路部分、声源产生部分、自动增益控制部分、STM32F103最小系统部分、带通滤波器部分和液晶显示部分。
就本系统而言，由于涉及到很多方面的问题，例如噪声对生源的影响和算法对最后结果误差的影响等，因此，需要每个模块都必须调试好，然后模块与模块之间的相互连接必须要兼容。
在此次设计中，为了保证测试结果的准确性，我们也可以多列几组方程够成超定方程，然后对每个算出的坐标值求其平均值，这样使整个设计更加完美。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1555构成的多谐振荡器电路
555定时器在我们平时设计中很多时候都会用到，他的结构决定了他的多功能用途，而且构成不同的需求电路时，只需要在其外围添加很少的元器件。
它可以组成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。
如图3.1所示，就是采用了555定时器构成的多谐振荡器电路。
J1和J2分别是接插件VCC和GND，R1、R2和C1决定了音源信号的频率。
J3是音源输出端。
图3.1555构成的多谐振荡器
3.1.2电源电路设计
电源是每个电子产品的必需，是每个电子系统设计的心脏。
由于此设计需要用到+5V和-5V电压并且要求电源本身给信号处理电路带来的干扰要小，所以我们采用了LM7805与LM7905芯片来设计。
首先，我们将220V、50Hz的市电通过环形变压器转化成8V的交流，然后通过整流、滤波和稳压的方法得到我们想要的输出。
如图4.1所示，J1是变压器交流输入，通过四个二极管的整流之后，在进行C1、C2、C3、C4的滤波，然后送给三端稳压器，得到+5V和-5V直流电压。
由接插件J2输出。
在PCB的绘制中，C5和C6需要尽可能的靠近稳压芯片，这样可以减少电路走线给系统带来的干扰，减少纹波对声源信号的干扰，增加系统的可靠性。
图3.2电源电路
3.1.3自动增益控制电路设计
自动增益控制电路的设计是为了满足ADC采样的需求，将音源信号稳定在一定范围内。
本次电路所采用的是VCA810高增益调节范围的运算放大器，具有较高的共模抑制比，并在两个高阻抗输入的共模输入范围，允许VCA810提供差分接收器的操作与增益，以地为参考的输出信号，零差分输入电压,给出一个很小的直流偏移误差0V输出。
低输入噪声电压，确保良好地信噪比。
如图所示，是本次所涉及的AGC电路。
其中，J8是产生的音源信号输入端，经过50欧姆的匹配电阻R9到地，R10是用于消除在V-输入端的偏置电流。
每个电源引脚上都连接了两个电容：
一个大电容取值在2.2uF到6.8uF范围内，用于有效的排除低频信号对电路的干扰，而小的的电容C9与C10是用于高频信号滤除，起到去耦作用。
增益控制引脚是VCA810芯片的第三脚，在该电路中将其用接插件J9引出，方便我们调试。
最后经过AGC电路的音源信号由J10输出。
图3.3VCA810外部电路
3.1.4有源二低通滤波电路
如图3.4所示，是本次设计的二阶低通有源滤波电路，该电路的作用是用于将接收到的音源信号进行处理，滤除掉550HZ以上频率的信号。
由于音源信号是由555定时器产生的500HZ的方波信号，所以我们决定将低通滤波器的截止频率设置为550HZ，通过相应参数的计算，可以得出R3、R4、C3、C4的大小。
在满足品质因素Q的情况下，为使电路较为稳定的工作，我们选择了R5和R6相等。
在该电路中，J4是连接柱体极话筒的接插件，将接收到的音源信号传输给低通滤波器。
为了消除高频干扰，和VCA810一样，我们也在NE5532的电源引脚处设计了C7和C8，J5是经过低通滤波器后的输出测试点。
图3.4二阶低通有源滤波电路
3.1.5有源二阶高通滤波电路
滤波器的设计是每个信号处理电路都必须用到的，已经成为了信号处理的一种基本手段，本设计就是采用的是二阶低通滤波器与二阶高通滤波器级联的方式实现对音源信号进行处理的。
处理的基本思想和二阶低通滤波器相似，由于设置了100HZ的通频带，而音源信号的频率为固定的500HZ，因此将截止频率fc设定为450HZ，通过时间常数RC可以计算出相应的阻容元件的值。
有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率，反应动作迅速，并且在滤波的同时还可以对信号进行放大。
本电路中的C5、C6、R7、R8就是决定截止频率的关键元器件。
为了保证电路稳定工作，增益最大不能超过2倍，因此本设计将NE5532的第6引脚和第7引脚直接连接。
经过低通滤波器后的音源信号已经比较完整，但还是里面还可能存在一部分影响音源信号的低频信号，因此还必须的通过高通滤波器。
低通滤波器的输出端接接插件J6，然后滤除低频信号后，再将信号由J7输出。
图3.5有源二阶高通滤波电路
3.1.6STM32F103最小系统电路
本电路的核心部分就是STM32F103，其工作频率为72MHZ，内置高速存储器，包括了128K字节的闪存和20K字节的SRAM。
在STM32F103的最小系统电路中，包括了晶振电路和复位电路。
如图3.6所示，C7、C8和CY1与微控制器的引脚12、13分别相连，构成了系统的时钟电路。
R10、C10按键一起和微控制器的复位管脚相连，组成了系统的复位电路，当按键按下时，微控制器就立即复位，又从新回到原始状态开始执行程序。
复位电路与晶振电路一起保证了系统的正常有序的运行。
图3.6STM32F103最小系统电路
3.1.7液晶显示电路
现在数字电路的设计都离不开有好的人机界面，因为他可以更直观的给用户展示系统的性能，它是和用户最直接的对话者。
本次设计显示设备采用的是彩色图形点阵液晶显示器ILI9320，它具有屏幕大（320X240），分辨率高，显示字体圆润，显示内容多，价格实惠等优点。
下图为其接口电路。
ILI9320的16位并行数据接口连接到STM32的PB口，STM32的IO口为16位的，刚好和ILI9320的16位并行接口完美连接。
和普通的12864点阵液晶一样，ILI9320也留有片选端（CS）、读写控制端（RD）、数据命令选择端（WR）。
图3.7液晶显示电路
3.1.8电平转换电路
由于设计采用的是32位的单片机，因此在进行程序的烧写和下载时，我们需要计算机与单片机进行通信。
PC机自带有RS-232标准串行口，而我们所使用的SSTM32F103是TTL电平，因此，我们需要自己添加一个电平转换电路。
此设计采用的是MAXIM公司生产的MAX232电平转换芯片。
它是一种单电源、低功耗的RS-232接口芯片，额定电流300uA。
通过USB转串口后，再由MAX232芯片完成RS-232与TTL电平之间的转换，就可以与单片机进行通信了。
其原理图下图4.7所示：
图3.8电平转换电路
3.2电路参数的计算及元器件的选择
基于STM32的音源位置测量的设计中参数的计算主要包括了三个部分：
电源设计参数计算、555定时器构成多谐振荡器参数的计算以及音源坐标求解的计算。
通过这些计算之后，才能更好地更合理的选择元器件，做到满足性能要求的同时，将价格降到最低。
3.2.1电源电路参数的计算
本次设计采用的是直流+5V和-5V输出的电源。
整流二极管组成的单相桥式整流电路，将交流电压V2变成脉动的直流电压，在经过滤波电容C滤除纹波，输出直流电压V1。
V1和交流电压的有效值V2之间的关系为V1=（1.1—1.2）V2。
下面重点从两个方面来计算部分参数。
一、变压器的选取
功率电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。
电源变压器的效率为：
其中：
是变压器副边的功率，
是变压器原边的功率。
一般小型变压器的效率如表1所示：
表1小型变压器的效率
副边功率VA
<10
10—30
30—80
80—200
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边
。
电源变压器电压变换公式为：
其中：
N1为原边线圈扎数，N2为副边线圈扎数。
根据以上的公式运算出本设计选用功率为50W的变压器。
二、整流二极管的选取
每只整流二极管承受的最大反向电压值为：
通过每只二极管的平均电流为：
在该式子中，R为整流滤波电路的负载电阻。
它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应满足RC>（3—5）×0.5T，其中T为50HZ交流电压周期。
通过以上的运算，本次设计采用整流二极管1N4001，其极限参数（反向击穿电压和额定工作电流）满足我们设计要求。
3.2.2555定时器外围元件参数的计算
用555定时器组成的多谢振荡器如图3.9所示，在接通电源以后，电容C2被充电，当Vc上升到
时，使输出Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C2通过R2和T放电，Vc下降。
当Vc下降到
时，Vo反转为高电平。
电容C2放电所需的放电时间为
（公式一）
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1和R2向电容器C2充电，Vc由
上升到
所需的时间为
（公式二）
当Vc上升到
时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为：
（公式三）
图3.9仿真计算555外围元件图
通过公式一、公式二和公式三的计算，在确定音源频率为500HZ的条件下，我们得出在C取值为100nF的时候，令R1=R2，则可以计算出R的取值为9.533KΩ。
3.2.3音源坐标位置的计算
设坐标纸为图中的矩形ABCD。
声源在点O，拾音器分别位于矩形四角A、B、C、D。
声源到A点的距离为Da，到B点的距离为Db，到C点的距离为Dc，到D点的距离为Dd。
分别经过时间Ta，Tb，Tc，Td后，拾音器A、B、C、D接收到信号，然后可以计算出三个时间差值t1，t2，t3，声音传播速度为v。
通过下列算法后可计算出声源O的坐标值（x,y）：
图3.10音源坐标位置求解图
定位算法一：
（1）
（2）
（3）
（4）
单片机检测到的为四个时间点算出三个时间差，上面四个式子可用时间差表示出
；（5）
；（6）
；（7）
；（8）
解出：
；
；
；
；
；
；
上式总共两个未知数四个等式，可以根据任意三个式子解出一组解，总共会有两组解。
由于测出的结果会有误差，所以将所得的两组解进行平均值求解，则结果误差会减小，准确度会进一步提高。
该算法程序比较简短，适合用单片机处理。
3.2.3元器件的选择
元器件的选取在电路的设计中十分重要，有时候直接关系到你的设计是否能够成功，而且如果是在具体参数指标上面的要求的项目或科研上，元器件的选择正确与否直接影响到指标上不上得去。
所以我们在做设计时一定要选择好自己的功能指标所需求的元器件。
本次设计就有几个重要元器件的选取。
Ⅰ音频滤波器运放的选取：
音频运算放大器的选取中需要考虑的因素有很多，下面例举一下重要的指标：
a，增益带宽积GBW。
该参数会影响音源的清晰度，如果不计成本的话，GBE的值越大越好，前置放大器、输入缓冲、线路放大器对此要求不高，音调电路、功放推动、DAC缓冲输出、有源滤波器等应该重视这个参数。
b，压摆率SR。
该参数会影响到声音细节的表现，尽管音频信号的上限只有20KHZ，但是音乐信号的频谱极为丰富复杂，瞬时幅度/时间的变化率有时会达到一个很高的水平，从音频应用来看，最好高于10V/us，不宜低于1V/us。
c，电源抑制比PSRR。
对电路的噪声尤其是电源的噪声，如交流哼声的抑制。
对于开关电源来说，高音的清晰度也会受到影响，如高音听起来发毛等。
从音频应用实践来看，按典型值计算最好高于80dB，不低于100dB为最佳。
d，共模抑制比CMRR。
决定了电路的抗干扰的能力，尤其是输入回路。
从音频应用的实践来看，按典型值计算最好高于80dB，不低于100dB为最佳。
e，总谐波失真THD（+N）。
这个参数越低越好，不过还是需要注意过于追求低失真的倾向。
对于音频应用，应该重视fin为1KHZ和10KHZ以及整个音频频带内的这个数值的平均程度，如果在音频频带内的失真，频率曲线欺负过大就不好。
如果在音频频带内这个曲线比较平直而且低于0.0005%就足够好了，我们一般得到的数据是fin为1KHZ和10KHZ的典型值。
结合以上这些参数规定的范围和本设计的音源相结合，并在考虑成本的条件之下，综合选择了NE5532常用的音频放大器。
Ⅱ微控制器的选取：
由于本次设计后端运算较为复杂，微控制器需要做到主要三个方面的工作：
1，控制ADC进行采样。
2，将得到的数据进行处理，计算出音源坐标。
3，实时显示在液晶屏幕上。
尤其是在第二方面的工作要求STM32F103的运算速度足够的块，才有可能保证我们采集的点不错位，否则的话，就会带来很大的误差。
所以选择的微控制器必须具有下面几个重要特点和资源。
（1）很强的兼容性。
STM32F103xx是一个完整的系列，其成员之间是完全地脚对脚兼容，软件和功能上也兼容。
在参考手册中，STM32F103x4和STM32F103x6被归为小容量产品，STM32F103x8和STM32F103xB被归为中等容量产品，STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE被归为大容量产品。
同时，STM32F103xx增强型产品与现有的STM32F101xx基本型和STM32F102xx USB基本型产品全兼容。
（2）嵌套的向量式中断控制器（NVIC）。
STM32F103xx增强型产品内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道（不包括16个Cortex™-M3的中断线）和16个优先级。
● 紧耦合的NVIC能够达到低延迟的中断响应处理
● 中断向量入口地址直接进入内核
● 紧耦合的NVIC接口
● 允许中断的早期处理
● 处理晚到的较高优先级中断
● 支持中断尾部链接功能
● 自动保存处理器状态
● 中断返回时自动恢复，无需额外指令开销
该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能。
（3）强大功能的ADC模块。
STM32F103xx增强型产品内嵌2个12位的模拟/数字转换器（ADC），每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。
在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。
ADC接口上的其它逻辑功能包括：
●同步的采样和保持
●交叉的采样和保持
●单次采样
ADC可以使用DMA操作。
模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。
由标准定时器（TIMx）和高级控制定时器（TIM1）产生的事件，可以分别内部级联到ADC的开始触发和注入触发，应用程序能使AD转换与时钟同步。
支持在线下载程序，更容易上手，学习和使用起来也比较轻松方便。
综合本设计的需求和现有的条件，最终确定选取STM32F103VET6为此次设计的微控制器。
3.3特殊器件的介绍
3.3.1STM32F103单片机介绍
STM32F103最高的工作频率可达72MHZ，在村舒淇的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ。
该芯片是TI公司推出的中等容量的微控制器，32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器，具有USB、CAN、7个定时器、2个ADC和9个通信接口，每个方面都很符合本次设计的需求。
下面介绍一下STM32F103几个重要参数方面的特色：
1.外部中断/事件控制器（EXTI）
外部中断/事件控制器包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求。
每个中断线都可以独立地配置它的触发事件（上升沿或下降沿或双边沿），并能够单独地被屏蔽；有一个挂起寄存器维持所有中断请求的状态。
EXTI可以检测到脉冲宽度小于内部APB2的时钟周期。
多达80个通用I/O口连接到16个外部中断线。
2.时钟和启动
系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的CPU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz时钟；当检测到外部时钟失效时，它将被隔离，系统将自动地切换到内部的RC振荡器，如果使能了中断，软件可以接收到相应的中断。
同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理（如当一个间接使用的外部振荡器失效时）。
多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB（APB2）和低速APB（APB1）区域。
AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。
3.自举模式
在启动时，通过自举引脚可以选择三种自举模式中的一种：
a，从程序闪存存储器自举。
b，从系统存储器自举。
c，从内部SRAM自举 0～40MHz。
4.供电方案
● VDD = 2.0～3.6V：
VDD引脚为I/O引脚和内部调压器供电。
● VSS
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