Mikrofon dizisine dayalı ses kaynağı için pasif konum sistemi tasarımı
Han Wenge, Su Shujing, Xue Yanjie
(Elektronik Test Teknolojisi Anahtar Laboratuvarı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan, Shanxi 030051)
Ses kaynaklarının pasif konum teknolojisini optimize etmek, güç tüketimini azaltmak, doğruluğu artırmak ve insanların erişmesi kolay olmayan zorlu ortamlar gibi alanlarda ses kaynağı izleme yeteneğini geliştirmek için, mikrofon dizisine dayalı ses kaynakları için pasif bir konum sistemi tasarlanmıştır. Temel olarak FPGA'yı mikrofon dizisi modeli olarak, FPGA'yı alın ve veri toplama ve okuma sürecini kontrol etmek için mantık kontrol programları yazmak için VHDL'yi kullanın, USB arayüzü üzerinden üst bilgisayarla iletişim kurun ve esas olarak amplifikasyon ve arayüz devre modüllerini tasarlayın. Test sonuçları, sistemin konumlandırma mesafesinin doğru olduğunu, göreceli hatanın küçük olduğunu ve sistem tasarım gereksinimlerinin karşılandığını göstermektedir.
Beş elemanlı çapraz; FPGA; veri toplama; USB arayüzü
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN912
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.171954
Çince alıntı biçimi: Han Wenge, Su Shujing, Xue Yanjie. Mikrofon dizisine dayalı ses kaynağı için pasif konumlandırma sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (12): 61-64.
İngilizce alıntı biçimi: Han Wenge, Su Shujing, Xue Yanjie. Mikrofon dizisine dayalı pasif konum sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2017, 43 (12): 61-64.
0 Önsöz
Ses kaynağı hedef konumu, esas olarak, izlenen sinyali almak için mikrofon dizisini kullanmak ve ardından izlenen ses kaynağının ses alanındaki bilinen konuma göre açısını ve mesafesini, yani açı tahmini (Açı Tahmini) ve mesafe tahminini (Menzil Tahmini) belirlemektir. Veri toplama sistemi hızının, çözünürlüğünün, minyatürleştirilmesinin ve düşük güç tüketiminin iyileştirilmesiyle, ses kaynağı konumlandırma sisteminin performansı da gelişiyor. Bu yazıda önerilen mikrofon dizisine dayalı pasif ses kaynağı konumlandırma sistemi, yüksek konumlandırma doğruluğu, küçük boyutu ve düşük güç tüketimi olan bir akustik hedef konumlandırma sistemi elde etmeyi amaçlamaktadır.Personelin ulaşması zor olan askeri depolar ve zorlu ortamlar gibi alanlarda ses kaynağı izleme için önemlidir. Kullanımın anlamı.
1 Şema tasarımı
Mikrofon dizisi pasif ses kaynağı konumlandırma sisteminin genel şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. Sistem, sinyal alımının donanım kısmı ve sistem kontrolünün ve algoritmanın gerçekleştirilmesinin yazılım kısmı olmak üzere iki kısımdan oluşur.
Sinyal toplama bölümü temel olarak şunları içerir: uç mikrofon dizisi, empedans eşleştirme devresi, örtüşme önleyici filtre devresi, kazanç ayarlanabilir devre, ADC senkron örnekleme devresi, Flash veri depolama, USB senkron iletim, FPGA kontrol modülü ve güç kaynağı modülü vb. Ses kaynağı sinyali havada yayılır ve mikrofon dizisine ulaşır Analog arayüz devresi, ani yükselmeleri ve titreşimi ortadan kaldırmak ve sinyali stabilize etmek için sinyali empedans eşleştirme devresine iletir. Ardından, dördüncü dereceden bir örtüşme önleme filtre devresi aracılığıyla, gereksiz gürültüyü filtreleyin, sinyal-gürültü oranını iyileştirin. Mikrofon çıkışı çok zayıf bir elektrik sinyali olduğundan, ön uçta ayarlanabilir amplifikasyon için ayarlanabilir kazancı olan bir devre modülü kullanılır. Amplifikasyondan sonra, analog miktar A / D dönüşümü yoluyla dijital bir miktara dönüştürülür ve FPGA kontrol verileri, USB arabirimi üzerinden gerçek zamanlı olarak işlenmek üzere ana bilgisayara yüklenir. Sistem kontrol ve algoritma gerçekleştirme bölümünün temel işlevi, edinim sistemine komutlar vermek, yüklenen verileri varış zamanı farkı algoritması prensibine göre hesaplamak ve ses kaynağının referans elemanına göre konumu ve mesafesinin tahminini gerçekleştirmektir.
2 donanım devre tasarımı
Gerçek çapraz şekilli mikrofon dizisi Şekil 2'de gösterildiği gibi yerleştirilir. Şekilde, M1, M2, ... M5, çapraz dizinin 5 çapraz şekilli topolojisinin 5 dizi elemanını temsil eder ve M1, referans dizi elemanıdır.
Filtre devresinden sonra, sinyaldeki yüksek frekanslı gürültü filtrelenir ve mikrofonun çıkış sinyali zayıf bir sinyaldir, bu nedenle örneklenen sinyali devrenin voltaj aralığında yükseltilmiş halde tutmak için A / D örnekleme devresinden önce bir ön amplifikasyon devresi tasarlamak gerekir. .
Geniş geçiş bandı, yüksek sinyal-gürültü oranı ve ayarlanabilir kazanç ile ön amplifikatörün performans gereksinimlerini hedefleyen ses kaynağı konumlandırma sistemi, ön amplifikatör devresinin temel bileşeni olarak entegre bir operasyonel amplifikatör OPA4228 kullanır. Yükseltme devresi Şekil 3'teki gibi gösterilmektedir.
Kapasitif yükleri sürmek için OPA4228 kullanıldığında, bir faz kayması veya azaltılmış bir faz marjı olacaktır ve hatta operasyonel amplifikatörün kararlı bir şekilde çalışmasına izin vermeyecektir. Op amp'in geliştirilmiş tasarımında, güç kaynağı pini ve op amp güç kaynağı pini için bypass kapasitörlerinin kullanılmasına ek olarak, geri besleme direncinin her iki ucuna paralel olarak bir geri besleme kondansatörü bağlanmıştır.Şekil 3'te gösterildiği gibi, C1 geri besleme kondansatörü R1 geri besleme direnci ile paralel bağlanmıştır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, herhangi bir telafi önlemi alınmadan, OPA4228 amplifikatör devresinin giriş ucuna 10 kHz frekanslı bir sinüs dalgası bağlanır ve çıkış şekildeki dalga şeklini elde etmek için ölçülür. Şekilden, giriş sinyali amplifikasyon devresinden geçtikten sonra, 100 kat amplifikasyon sonucu elde edilmesine rağmen, çıkış sinyalinin belirgin bir salınıma ve faz kaymasına sahip olduğu görülebilir.
Devreyi iyileştirip geri besleme kapasitörü ekledikten sonra, çıkışı ölçmek için aynı sinyali girin ve Şekil 5'te gösterilen sinyali alın. Şekil 4 ve Şekil 5'i karşılaştırdığımızda, geri besleme kapasitörünün belirgin bir etkiye sahip olduğunu görebiliriz.
3 Veri iletişim arayüz tasarımı
3.1 USB arabirim devre tasarımı
Bu tasarım, Cypress'in EZ-USB FX2LPTM serisinin CY7C68013A çipini kullanır. İç yapısı Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekilden de görülebileceği gibi, dahili veri alma ve gönderme birimi, SIE akıllı seri arayüz motoru, 8051 gelişmiş mikroişlemci, yonga üzerinde veri RAM, 4 yapılandırılabilir uç nokta, isteğe bağlı tampon boyutu ve 8 bit / 8 bit harici içerir Veri arayüzü vb. USB2.0'ın yüksek hızlı veri iletişim protokolünü gerçekleştirebilir.
Harici yapılandırma yongası AT24C64A, ana işlevi aygıt yazılımı programlarını depolamak olan ATMEL tarafından üretilir. Açılış sıfırlamasından sonra, 68013A'nın FX2LP'si önce sinyal arayüzü aracılığıyla VIN / PIN / DIN gibi konfigürasyon bilgilerini otomatik olarak yükler; daha sonra mantık modülü, I2C pininde seri olarak ilk bayt olarak 0xC0 veya 0xC2 olan bir bellek olup olmadığını kontrol eder. Bulunursa, otomatik olarak AT24C64A'daki program içeriğini yerleşik belleğe yükleyin.
Modül devresi, veriyolunun güç kaynağı modunu benimser. USB veri yolundaki voltaj +5 V'tur ve MAX1658 doğrusal regülatör çipi tarafından 3,3 V'a ayarlanır. Devreyi tasarlarken, E2PROM'un aygıt yazılımı programını depolamak için kullanılıp kullanılmadığına bakılmaksızın, I2C pinleri SDA ve SCL, 2.2 k resistance dirençli kaldırma dirençleriyle seri olarak bağlanmalıdır.
3.2 Mantık zamanlama tasarımı
Mantıksal tasarımı sezgisel, basit ve rahat bir şekilde gerçekleştirmek için yukarıdan aşağıya modüler bir tasarım yöntemi benimsenir. Şekil 7, donanım devresinin mantık zamanlamasının üst seviyesinin şematik bir diyagramıdır.
Şekil 7'den görülebileceği gibi, sıralı mantık bölümü temel olarak iletişim arayüz modülü, AD7606 modülü, Flash modülü, sıfırlama kontrol modülü, parametre ve komut analiz modülü, saat dağıtım ve yönetim modülü, Fifo modülü ve diğer parçalardan oluşmaktadır. İletişim arayüz modülü, sistem yazılımı ile donanım arasında veri alışverişi, sinyal parametreleri, veri ve adresler ve diğer parametreler için bir köprüdür; parametre ve komut modülü, alınan parametreleri ve komutları tanır ve ilgili işlemleri tetikler; AD7606 modülü beş kanalı tamamlar Senkron örnekleme; Flash modülü, harici bellek verilerinin silinmesini, yazılmasını ve okunmasını kontrol eder; FiFo modülü, farklı modüller arasında verilerin arabelleğe alınmasını tamamlar.
4 Konumlandırma performans testi
Bu yazıda kullanılan beş elemanlı çapraz şekilli dizi, farklı konumlarda üç boyutlu uzaysal ses kaynağı verilerini ölçmek için kullanılır. Koordinatların orijini olarak M1 kullanılır Kenardaki dört mikrofon arasındaki mesafe orijinden 14 cm, ses kaynağı sinyali ise el çırpma sesi "Papa" dır.Ses kaynaklarının farklı test noktalarındaki konumları ve üç test verisinin ortalama değeri Tablo 1'de gösterilmektedir.
Dış gürültü girişiminin rastlantısallığından dolayı, bireysel deneysel sonuçlar ideal değildir Ancak, çoğu durumda, beş elemanlı çapraz şekilli dizinin konumlandırma mesafesinin doğru olduğu ve nispi hatanın da küçük olduğu Tablo 1'den görülebilir. Beş elemanlı çapraz şekilli dizinin veri analizi yoluyla, mesafe konumlandırma hatasının ses kaynağı ile mikrofon dizisi arasındaki mesafeyle orantılı olduğu bilinmektedir Mesafe ne kadar uzaksa hata o kadar büyük olur.
5. Sonuç
Bu makale, mikrofon dizilerine dayanan ses kaynakları için pasif bir konumlandırma sistemi sunar. Araştırma modeli olarak esas olarak beş öğeli onuncu sıra mikrofon dizisini alır ve donanım tasarımı ile kontrol mantığı tasarımını ayrıntılı olarak ele alır. Test sonuçları, modülün, ses kaynağı konumlandırma teknolojisi uygulamasında yüksek uygulama değeri ve referans değeri olan doğru konumlandırma mesafesine ve küçük bağıl hataya sahip olduğunu göstermektedir.
Referanslar
Wang Jianliang. Kablosuz Algılayıcı Ağ Düğümlerine Dayalı Ses Kaynağı Yerelleştirme Teknolojisi Araştırması Taiyuan: Çin Kuzey Üniversitesi, 2009.
Zhao Xi, Cui Guangxin, Li Lei, vd.Çift mikrofonlu ses kaynağı yerelleştirmesine dayalı video izleme Modern Elektronik Teknolojisi, 2013 (24): 111-113, 117.
Hong Ou. Mikrofon dizisi konuşma geliştirme teknolojisi ve uygulaması Microcomputer Information, 2006 (1): 142-144,179.
Lu Haoming, Chen Wei, Liu Shoubao. Mikrofon Dizisine Dayalı Ses Kaynağı Yerelleştirme Sisteminin Tasarımı. Sensörler ve Mikrosistemler, 2012 (4): 79-81, 85.
Xu Yanzi, Mikrofon Dizisi Uygulaması için Ses Kaynağı Yerelleştirme Algoritması Araştırması Wuhan: Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2009.
Yin Zuoliang Mikrofon dizisine dayalı MÜZİK ses kaynağı yerelleştirme algoritması üzerine araştırma Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2008.
Li Zhijin, Qiao Jie. TMS320DM642 mikrofon dizisine dayalı ses kaynağı yerelleştirme sistemi Ölçüm ve Kontrol Teknolojisi, 2011 (1): 35-38.
