基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的是基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，這種基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端包括STM32處理器、聲源檢測單元、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲源檢測單元中的麥克風(fēng)均連接相對應(yīng)的信號調(diào)理電路，各個信號調(diào)理電路由單節(jié)鋰電源集中供電，每個信號調(diào)理電路均連接至STM32處理器，STM32處理器連接數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲源檢測單元采用半球型非均勻布點麥克風(fēng)陣列，半球面上各層麥克風(fēng)的方向沿著球心到該點的法線方向排布。本發(fā)明針對點聲源以不同的角度和方位同步實時多點采集噪聲信息，并對多點信息同步歸一化處理，噪聲分辨率達0.1dB。
【專利說明】
基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及點聲源檢測與定位技術(shù)，具體涉及基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定 位系統(tǒng)智能檢測前端。
【背景技術(shù)】
[0002] 麥克風(fēng)聲源定位技術(shù)是利用麥克風(fēng)拾取語音信號，并用數(shù)字信號處理技術(shù)對其進 行分析和處理，繼而確定和跟蹤聲源的空間位置。以往麥克風(fēng)陣列法通常用于語音信號處 理，該方法具有去噪、聲源定位和跟蹤等功能，從而可以大大提高語音信號處理質(zhì)量。隨著 麥克風(fēng)陣列技術(shù)在語音增強、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等技術(shù)方面的不斷發(fā)展和成 熟，人們對麥克風(fēng)陣列語音數(shù)據(jù)的品質(zhì)要求越來越高。目前麥克風(fēng)陣列模型主要有平面式 和立體式兩種。平面式陣列算法相對簡單，但在檢測高度方面受到了相應(yīng)的限制。立體式陣 列定位更加精確，但算法也更加復(fù)雜。借鑒麥克風(fēng)陣列法的特性，針對空間點聲源的定位與 噪聲強度監(jiān)測，提出基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源檢測與定位技術(shù)，本發(fā)明實現(xiàn)了該項 技術(shù)中聲源點噪聲信息的采集與前端調(diào)理及向上位機的傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的一個目的是提供基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前 端，這種基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端針對點聲源以不同的角度 和方位同步實時多點采集噪聲信息，并對多點信息同步歸一化處理。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:這種基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲 源定位系統(tǒng)智能檢測前端包括STM32處理器、聲源檢測單元、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊， 聲源檢測單元中的麥克風(fēng)均連接相對應(yīng)的信號調(diào)理電路，各個信號調(diào)理電路由單節(jié)鋰電源 集中供電，每個信號調(diào)理電路均連接至STM32處理器，STM32處理器連接數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲 源檢測單元采用半球型非均勻布點麥克風(fēng)陣列，半球型非均勻布點麥克風(fēng)陣列由19個麥克 風(fēng)分四層布設(shè)在直徑為10公分的半球面上，第一層布點在半球面中心點〇,其余三層分別以 間隔60°排布6個麥克風(fēng)，第二層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號al、a2、…、a6，第三層的6個麥克風(fēng)對 應(yīng)標號bl、b2、…、b6,第四層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號cl、c2、…、c6,第二層麥克風(fēng)al與第三層 對應(yīng)點麥克風(fēng)bl相對平面投影夾角30°，半球面上各層麥克風(fēng)的方向沿著球心到該點的法 線方向排布，麥克風(fēng)為電容式麥克風(fēng)；當某一麥克風(fēng)投影點投到對向平面上，該麥克風(fēng)投影 點與鄰近的兩個麥克風(fēng)所對應(yīng)的點位呈等邊三角形分布。
[0005] 上述方案中信號調(diào)理電路包括聲壓信號阻抗變換電路、反向放大電路、二極管全 波檢波電路，麥克風(fēng)串聯(lián)第一電阻RM1構(gòu)成聲壓信號阻抗變換電路，聲壓信號阻抗變換電路 輸出信號通過第一隔直電容CM1連接反向放大電路，再通過第二隔直電容CM4連接二極管全 波檢波電路。
[0006] 上述方案中數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機運行通信的方法： 通過DMA開始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸模塊則等待采集完成后的DMA中斷請求，一旦發(fā)生中 斷請求則說明數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成，接下來進行數(shù)據(jù)處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)打包寫入到 串行FLASH進行存儲;若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則上傳異常數(shù)據(jù)到點聲源定位系統(tǒng)上位機，同時若 點聲源定位系統(tǒng)上位機發(fā)起查詢命令，則上傳點聲源定位系統(tǒng)上位機需要的數(shù)據(jù)。
[0007] 上述方案中數(shù)據(jù)傳輸模塊與點聲源定位系統(tǒng)上位機之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議為： 數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾分別作為數(shù)據(jù)傳輸起始與結(jié)束標志；點聲源定位系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)查 詢格式，通過B0告知數(shù)據(jù)傳輸模塊回傳數(shù)據(jù)的通道;數(shù)據(jù)傳輸模塊通過單通道發(fā)送數(shù)據(jù)格 式，幀頭和幀尾作為統(tǒng)一的標識，每一通道采用兩字節(jié)回傳，R0低5位為當前數(shù)據(jù)的通道地 址，6、7位為當前數(shù)據(jù)的量程，最高位為地址標識位;R1低7位為當前數(shù)據(jù)有效數(shù)值，最高位 為數(shù)據(jù)標識位，數(shù)據(jù)實際值為N*10~K。該數(shù)據(jù)編碼方式有效的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸時 間，提高了傳輸效率。
[0008] 上述方案中反向放大電路采用精密放大器0PA340,該運放具有低噪聲、低失調(diào)電 壓、高壓擺率等優(yōu)勢，對于聲音信號放大優(yōu)勢明顯;二極管全波檢波電路采用兩只肖特基快 速二極管SS34,滿足信號頻率較高時的整流需求。
[0009] 上述方案麥克風(fēng)為中心型指向式麥克，采用心型指向式麥克對聲源信號進行實時 采集，其聲壓靈敏度為50mV/dB。
[0010]本發(fā)明具有以下有益效果： 1、本發(fā)明以STM32單片機為核心、以半球形麥克風(fēng)陣列為聲源檢測單元、與信號調(diào)理模 塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊共同構(gòu)建一個智能檢測前端，針對點聲源以不同的角度和方位同步實時 多點采集噪聲信息，并對多點信息同步歸一化處理。經(jīng)過測試本發(fā)明噪聲分辨率達〇 . ldB， 定位準確，實現(xiàn)了 19路噪聲信息的實時同步采集、處理與無線傳送。
[0011] 2、本發(fā)明采用單節(jié)鋰電池供電，進行低功耗設(shè)計，采用低電壓、軌至軌運放，輸入 輸出能達到電源電壓，而現(xiàn)有技術(shù)中單電源運放輸出不能達到電源電壓，直接影響放大倍 數(shù)，本發(fā)明實現(xiàn)了不影響放大倍數(shù)的前提下采用單節(jié)鋰電池供電，節(jié)省電能，另外，現(xiàn)有技 術(shù)中點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端通過在線電源供電，需要外界提供電源，本發(fā)明僅單單 節(jié)鋰電池供電，使用方便，不受現(xiàn)場是否有電源的限制。
[0012] 3、本發(fā)明具有傳輸效率高的特點，設(shè)計合理。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明組成框圖； 圖2為本發(fā)明半球形麥克風(fēng)陣列布點正視圖； 圖3為本發(fā)明單通道信號調(diào)理電路圖； 圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)傳輸模塊運行通信流程圖； 圖5為本發(fā)明通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明： 如圖1所示，這種基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端包括STM32處 理器、聲源檢測單元、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲源檢測單元中的麥克風(fēng)均連接相對 應(yīng)的信號調(diào)理電路（即單通道信號處理電路），共有19個信號調(diào)理電路，19個信號調(diào)理電路 構(gòu)成信號調(diào)理模塊，由單節(jié)鋰電源對所述19個信號調(diào)理電路集中供電，每個信號調(diào)理電路 均連接至STM32處理器，STM32處理器連接數(shù)據(jù)傳輸模塊。本發(fā)明以STM32單片機為核心、以 半球型麥克風(fēng)陣列為聲源檢測單元、與信號調(diào)理模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊共同構(gòu)建一個智能檢 測前端，針對點聲源以不同的角度和方位同步實時多點采集噪聲信息，并對多點信息同步 歸一化處理。經(jīng)過測試本智能檢測前端噪聲分辨率O.ldB。
[0015]參閱圖2,聲源檢測單元采用半球型非均勻布點麥克風(fēng)陣列，半球型非均勻布點麥 克風(fēng)陣列由19個電容式麥克風(fēng)分四層布設(shè)在直徑為10公分的半球面上，第一層布點在半球 面中心點〇,其余三層分別以間隔60°排布6個麥克風(fēng)，第二層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號al、 a2、…、a6,第三層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號bl、b2、…、b6,第四層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號cl、 c2、…、c6，第二層麥克風(fēng)al與第三層對應(yīng)點麥克風(fēng)bl相對平面投影夾角30°，半球面上各層 麥克風(fēng)的方向沿著球心到該點的法線方向排布；當某一麥克風(fēng)投影點投到對象平面上，該 麥克風(fēng)投影點與鄰近的兩個麥克風(fēng)所對應(yīng)的點位呈等邊三角形分布。麥克風(fēng)為中心型指向 式麥克，采用心型指向式麥克對聲源信號進行實時采集，其聲壓靈敏度為50mV/dB。
[0016]參閱圖3,信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路包括聲壓信號阻抗變換電路、反向放大電 路、二極管全波檢波電路，麥克風(fēng)串聯(lián)第一電阻RM1構(gòu)成聲壓信號阻抗變換電路，聲壓信號 阻抗變換電路輸出信號通過第一隔直電容CM1連接反向放大電路，再通過第二隔直電容CM4 連接二極管全波檢波電路。聲壓信號阻抗變換電路提供麥克風(fēng)工作時所需的偏置電壓，采 用單電源供電，所以交流放大的參考需要取中間電壓作為參考電壓，對于放大后的信號需 要的是交流量而不是絕對值，因此采用電阻對5V進行分壓，然后通過運放跟隨輸出得到用 于提供放大的基準V REF。放大后的交流信號通過二極管全波檢波電路，變換為直流電壓送給 A/D進行采集。運放采用了精密放大器0PA340，該運放具有低噪聲、低失調(diào)電壓、高壓擺率等 優(yōu)勢，對于聲音信號放大優(yōu)勢明顯。檢波電路采用了兩只肖特基快速二極管SS34,以滿足信 號頻率較高時的整流需求。
[0017] 參閱圖4,數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機運行通信的方法： 通過DMA開始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理傳輸模塊則等待采集完成后的DMA中斷請求，一旦發(fā) 生中斷請求則說明數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成，接下來進行數(shù)據(jù)處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)打包寫 入到串行FLASH進行存儲;若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則上傳異常數(shù)據(jù)到上位機，同時若上位機發(fā)起 查詢命令，則上傳上位機需要的數(shù)據(jù)。上位機為PC機，本發(fā)明作為下位機，上位機和下位機 構(gòu)成點聲源定位系統(tǒng)，本發(fā)明為該點聲源定位系統(tǒng)的智能檢測前端，上位機定期發(fā)送查詢 命令，下位機收到命令并解析協(xié)議后按上位機需求上傳數(shù)據(jù)。
[0018] 參閱圖5,數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議為： 數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾分別作為數(shù)據(jù)傳輸起始與結(jié)束標志;上位機數(shù)據(jù)查詢格式，通過B0 告知數(shù)據(jù)傳輸模塊回傳數(shù)據(jù)的通道;數(shù)據(jù)傳輸模塊通過單通道發(fā)送數(shù)據(jù)格式，幀頭和幀尾 作為統(tǒng)一的標識，每一通道采用兩字節(jié)回傳，R0低5位為當前數(shù)據(jù)的通道地址，6、7位為當前 數(shù)據(jù)的量程，最高位為地址標識位;R1低7位為當前數(shù)據(jù)有效數(shù)值，最高位為數(shù)據(jù)標識位，數(shù) 據(jù)實際值為N*10~K。該數(shù)據(jù)編碼方式有效的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸時間，提高了傳輸效 率。
[0019] 本發(fā)明進行秘密實驗如下： 為保證模擬信號放大不受干擾，智能檢測前端信號采集和控制處理相對獨立。由于實 際電路系統(tǒng)中每路麥克風(fēng)傳感器的靈敏度略有差異，信號放大電路也難以保證其完全一 致，所以在數(shù)據(jù)測試之前需要對每一路信號進行校準，從而保證各個通道對信息反映的一 致性。具體測試環(huán)境，選定50平米的聲學(xué)實驗室，室內(nèi)溫度23°C，相對濕度42%，聲源為 Type4205和HP1001，將智能檢測前端固定在離地面三米的室內(nèi)頂端，分別將聲源放置不同 的方位。譬如位置1聲源放置于al，b6，cl三角輻射區(qū)域內(nèi)，對外輸出聲級SOdBWC上位機發(fā) 送采集命令0XFF 0X13 0X00,獲取所有通道數(shù)據(jù)，從機傳回數(shù)據(jù)如表1所示。由表2中數(shù)據(jù)可 以看出，各個通道采集到得數(shù)據(jù)反應(yīng)了聲源所處的位置，與實驗測試聲源的擺放位置是一 致的。通過對智能檢測前端系統(tǒng)測試其噪聲分辨率O.ldB。
[0020]試驗測試結(jié)果表明：19路噪聲信息采集聲壓傳感器靈敏度均采用同型號同批次的 麥克風(fēng)其聲壓靈敏度50mV/dB，經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試各路對噪聲的分辨率和測試精度協(xié)調(diào)一致，智 能檢測前端系統(tǒng)噪聲分辨率O.ldB。實現(xiàn)了 19路噪聲信息的實時同步采集、處理與無線傳 送。
【主權(quán)項】
1. 一種基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其特征在于:這種基 于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端包括STM32處理器、聲源檢測單元、信 號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲源檢測單元中的麥克風(fēng)均連接相對應(yīng)的信號調(diào)理電路，各個 信號調(diào)理電路由單節(jié)鋰電源集中供電，每個信號調(diào)理電路均連接至STM32處理器，STM32處 理器連接數(shù)據(jù)傳輸模塊，聲源檢測單元采用半球型非均勻布點麥克風(fēng)陣列，半球型非均勻 布點麥克風(fēng)陣列由19個麥克風(fēng)分四層布設(shè)在直徑為10公分的半球面上，第一層布點在半球 面中心點〇，其余三層分別以間隔60°排布6個麥克風(fēng)，第二層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號al、 a2、…、a6,第三層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號bl、b2、…、b6,第四層的6個麥克風(fēng)對應(yīng)標號cl、 c2、…、c6，第二層麥克風(fēng)al與第三層對應(yīng)點麥克風(fēng)bl相對平面投影夾角30°，半球面上各層 麥克風(fēng)的方向沿著球心到該點的法線方向排布，麥克風(fēng)為電容式麥克風(fēng)；當某一麥克風(fēng)投 影點投到對向平面上，該麥克風(fēng)投影點與鄰近的兩個麥克風(fēng)所對應(yīng)的點位呈等邊三角形分 布。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其 特征在于:所述的信號調(diào)理電路包括聲壓信號阻抗變換電路、反向放大電路、二極管全波檢 波電路，麥克風(fēng)串聯(lián)第一電阻RMl構(gòu)成聲壓信號阻抗變換電路，聲壓信號阻抗變換電路輸出 信號通過第一隔直電容CMl連接反向放大電路，再通過第二隔直電容CM4連接二極管全波檢 波電路。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其 特征在于:所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機運行通信的方法： 通過DMA開始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸模塊則等待采集完成后的DMA中斷請求，一旦發(fā)生中 斷請求則說明數(shù)據(jù)采集已經(jīng)完成，接下來進行數(shù)據(jù)處理，然后將處理完的數(shù)據(jù)打包寫入到 串行FLASH進行存儲;若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則上傳異常數(shù)據(jù)到點聲源定位系統(tǒng)上位機，同時若 點聲源定位系統(tǒng)上位機發(fā)起查詢命令，則上傳點聲源定位系統(tǒng)上位機需要的數(shù)據(jù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其 特征在于:所述的數(shù)據(jù)傳輸模塊與點聲源定位系統(tǒng)上位機之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議為： 數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾分別作為數(shù)據(jù)傳輸起始與結(jié)束標志；點聲源定位系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)查 詢格式，通過BO告知數(shù)據(jù)傳輸模塊回傳數(shù)據(jù)的通道;數(shù)據(jù)傳輸模塊通過單通道發(fā)送數(shù)據(jù)格 式，幀頭和幀尾作為統(tǒng)一的標識，每一通道采用兩字節(jié)回傳，RO低5位為當前數(shù)據(jù)的通道地 址，6、7位為當前數(shù)據(jù)的量程，最高位為地址標識位;Rl低7位為當前數(shù)據(jù)有效數(shù)值，最高位 為數(shù)據(jù)標識位，數(shù)據(jù)實際值為N*10~K。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其 特征在于:所述的反向放大電路采用精密放大器0PA340，二極管全波檢波電路采用兩只肖 特基快速二極管SS34。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于半球型麥克風(fēng)陣列的點聲源定位系統(tǒng)智能檢測前端，其 特征在于:所述的麥克風(fēng)為中心型指向式麥克，采用心型指向式麥克對聲源信號進行實時 采集，其聲壓靈敏度為50mV/dB。
【文檔編號】G01S5/18GK105911523SQ201610230018
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】劉祥樓, 王曉東, 劉昭廷, 劉瑞男
【申請人】東北石油大學(xué)