CN105911523B - 基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，这种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端包括STM32处理器、声源检测单元、信号调理电路、数据传输模块，声源检测单元中的麦克风均连接相对应的信号调理电路，各个信号调理电路由单节锂电源集中供电，每个信号调理电路均连接至STM32处理器，STM32处理器连接数据传输模块，声源检测单元采用半球型非均匀布点麦克风阵列，半球面上各层麦克风的方向沿着球心到该点的法线方向排布。本发明针对点声源以不同的角度和方位同步实时多点采集噪声信息，并对多点信息同步归一化处理，噪声分辨率达0.1dB。

Description

基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端

技术领域

本发明涉及点声源检测与定位技术，具体涉及基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端。

背景技术

麦克风声源定位技术是利用麦克风拾取语音信号，并用数字信号处理技术对其进行分析和处理，继而确定和跟踪声源的空间位置。以往麦克风阵列法通常用于语音信号处理，该方法具有去噪、声源定位和跟踪等功能，从而可以大大提高语音信号处理质量。随着麦克风阵列技术在语音增强、噪音抑制、声源定位和回声抵消等技术方面的不断发展和成熟，人们对麦克风阵列语音数据的品质要求越来越高。目前麦克风阵列模型主要有平面式和立体式两种。平面式阵列算法相对简单，但在检测高度方面受到了相应的限制。立体式阵列定位更加精确，但算法也更加复杂。借鉴麦克风阵列法的特性，针对空间点声源的定位与噪声强度监测，提出基于半球型麦克风阵列的点声源检测与定位技术，本发明实现了该项技术中声源点噪声信息的采集与前端调理及向上位机的传输。

发明内容

本发明的一个目的是提供基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，这种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端针对点声源以不同的角度和方位同步实时多点采集噪声信息，并对多点信息同步归一化处理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端包括STM32处理器、声源检测单元、信号调理电路、数据传输模块，声源检测单元中的麦克风均连接相对应的信号调理电路，各个信号调理电路由单节锂电源集中供电，每个信号调理电路均连接至STM32处理器， STM32处理器连接数据传输模块，声源检测单元采用半球型非均匀布点麦克风阵列，半球型非均匀布点麦克风阵列由19个麦克风分四层布设在直径为10公分的半球面上，第一层布点在半球面中心点o，其余三层分别以间隔60°排布6个麦克风，第二层的6个麦克风对应标号a1、a2、…、a6，第三层的6个麦克风对应标号b1、b2、…、b6，第四层的6个麦克风对应标号c1、c2、…、c6，第二层麦克风a1与第三层对应点麦克风b1相对平面投影夹角30°，半球面上各层麦克风的方向沿着球心到该点的法线方向排布，麦克风为电容式麦克风；当某一麦克风投影点投到对向平面上，该麦克风投影点与邻近的两个麦克风所对应的点位呈等边三角形分布。

上述方案中信号调理电路包括声压信号阻抗变换电路、反向放大电路、二极管全波检波电路，麦克风串联第一电阻RM1构成声压信号阻抗变换电路，声压信号阻抗变换电路输出信号通过第一隔直电容CM1连接反向放大电路，再通过第二隔直电容CM4连接二极管全波检波电路。

上述方案中数据传输模块与上位机运行通信的方法：

通过DMA开始数据采集，数据传输模块则等待采集完成后的DMA中断请求，一旦发生中断请求则说明数据采集已经完成，接下来进行数据处理，然后将处理完的数据打包写入到串行FLASH进行存储；若数据发生异常，则上传异常数据到点声源定位系统上位机，同时若点声源定位系统上位机发起查询命令，则上传点声源定位系统上位机需要的数据。

上述方案中数据传输模块与点声源定位系统上位机之间数据通信协议为：

数据的帧头和帧尾分别作为数据传输起始与结束标志；点声源定位系统上位机数据查询格式，通过B0告知数据传输模块回传数据的通道；数据传输模块通过单通道发送数据格式，帧头和帧尾作为统一的标识，每一通道采用两字节回传，R0低5位为当前数据的通道地址，6、7位为当前数据的量程，最高位为地址标识位；R1低7位为当前数据有效数值，最高位为数据标识位，数据实际值为N*10^K。该数据编码方式有效的节省了数据传输量和传输时间，提高了传输效率。

上述方案中反向放大电路采用精密放大器OPA340，该运放具有低噪声、低失调电压、高压摆率等优势，对于声音信号放大优势明显；二极管全波检波电路采用两只肖特基快速二极管SS34，满足信号频率较高时的整流需求。

上述方案麦克风为中心型指向式麦克，采用心型指向式麦克对声源信号进行实时采集，其声压灵敏度为50mV/dB。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明以STM32单片机为核心、以半球形麦克风阵列为声源检测单元、与信号调理模块及数据传输模块共同构建一个智能检测前端，针对点声源以不同的角度和方位同步实时多点采集噪声信息，并对多点信息同步归一化处理。经过测试本发明噪声分辨率达0.1dB，定位准确，实现了19路噪声信息的实时同步采集、处理与无线传送。

2、本发明采用单节锂电池供电，进行低功耗设计，采用低电压、轨至轨运放，输入输出能达到电源电压，而现有技术中单电源运放输出不能达到电源电压，直接影响放大倍数，本发明实现了不影响放大倍数的前提下采用单节锂电池供电，节省电能，另外，现有技术中点声源定位系统智能检测前端通过在线电源供电，需要外界提供电源，本发明仅单单节锂电池供电，使用方便，不受现场是否有电源的限制。

3、本发明具有传输效率高的特点，设计合理。

附图说明

图1为本发明组成框图；

图2为本发明半球形麦克风阵列布点正视图；

图3为本发明单通道信号调理电路图；

图4为本发明数据传输模块运行通信流程图；

图5为本发明通信协议数据格式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端包括STM32处理器、声源检测单元、信号调理电路、数据传输模块，声源检测单元中的麦克风均连接相对应的信号调理电路（即单通道信号处理电路），共有19个信号调理电路，19个信号调理电路构成信号调理模块，由单节锂电源对所述19个信号调理电路集中供电，每个信号调理电路均连接至STM32处理器， STM32处理器连接数据传输模块。本发明以STM32单片机为核心、以半球型麦克风阵列为声源检测单元、与信号调理模块及数据传输模块共同构建一个智能检测前端，针对点声源以不同的角度和方位同步实时多点采集噪声信息，并对多点信息同步归一化处理。经过测试本智能检测前端噪声分辨率0.1dB。

参阅图2，声源检测单元采用半球型非均匀布点麦克风阵列，半球型非均匀布点麦克风阵列由19个电容式麦克风分四层布设在直径为10公分的半球面上，第一层布点在半球面中心点o，其余三层分别以间隔60°排布6个麦克风，第二层的6个麦克风对应标号a1、a2、…、a6，第三层的6个麦克风对应标号b1、b2、…、b6，第四层的6个麦克风对应标号c1、c2、…、c6，第二层麦克风a1与第三层对应点麦克风b1相对平面投影夹角30°，半球面上各层麦克风的方向沿着球心到该点的法线方向排布；当某一麦克风投影点投到对象平面上，该麦克风投影点与邻近的两个麦克风所对应的点位呈等边三角形分布。麦克风为中心型指向式麦克，采用心型指向式麦克对声源信号进行实时采集，其声压灵敏度为50mV/dB。

参阅图3，信号调理电路信号调理电路包括声压信号阻抗变换电路、反向放大电路、二极管全波检波电路，麦克风串联第一电阻RM1构成声压信号阻抗变换电路，声压信号阻抗变换电路输出信号通过第一隔直电容CM1连接反向放大电路，再通过第二隔直电容CM4连接二极管全波检波电路。声压信号阻抗变换电路提供麦克风工作时所需的偏置电压，采用单电源供电，所以交流放大的参考需要取中间电压作为参考电压，对于放大后的信号需要的是交流量而不是绝对值，因此采用电阻对5V进行分压，然后通过运放跟随输出得到用于提供放大的基准V_REF。放大后的交流信号通过二极管全波检波电路，变换为直流电压送给A/D进行采集。运放采用了精密放大器OPA340，该运放具有低噪声、低失调电压、高压摆率等优势，对于声音信号放大优势明显。检波电路采用了两只肖特基快速二极管SS34，以满足信号频率较高时的整流需求。

参阅图4，数据传输模块与上位机运行通信的方法：

通过DMA开始数据采集，数据处理传输模块则等待采集完成后的DMA中断请求，一旦发生中断请求则说明数据采集已经完成，接下来进行数据处理，然后将处理完的数据打包写入到串行FLASH进行存储；若数据发生异常，则上传异常数据到上位机，同时若上位机发起查询命令，则上传上位机需要的数据。上位机为PC机，本发明作为下位机，上位机和下位机构成点声源定位系统，本发明为该点声源定位系统的智能检测前端，上位机定期发送查询命令，下位机收到命令并解析协议后按上位机需求上传数据。

参阅图5，数据传输模块与上位机之间数据通信协议为：

数据的帧头和帧尾分别作为数据传输起始与结束标志；上位机数据查询格式，通过B0告知数据传输模块回传数据的通道；数据传输模块通过单通道发送数据格式，帧头和帧尾作为统一的标识，每一通道采用两字节回传，R0低5位为当前数据的通道地址，6、7位为当前数据的量程，最高位为地址标识位；R1低7位为当前数据有效数值，最高位为数据标识位，数据实际值为N*10^K。该数据编码方式有效的节省了数据传输量和传输时间，提高了传输效率。

本发明进行秘密实验如下：

为保证模拟信号放大不受干扰，智能检测前端信号采集和控制处理相对独立。由于实际电路系统中每路麦克风传感器的灵敏度略有差异，信号放大电路也难以保证其完全一致，所以在数据测试之前需要对每一路信号进行校准，从而保证各个通道对信息反映的一致性。具体测试环境，选定50平米的声学实验室，室内温度23℃，相对湿度42%，声源为Type4205和HP1001，将智能检测前端固定在离地面三米的室内顶端，分别将声源放置不同的方位。譬如位置1声源放置于a1,b6,c1三角辐射区域内，对外输出声级80dB。PC上位机发送采集命令0XFF 0X13 0X00，获取所有通道数据，从机传回数据如表1所示。由表2中数据可以看出，各个通道采集到得数据反应了声源所处的位置，与实验测试声源的摆放位置是一致的。通过对智能检测前端系统测试其噪声分辨率0.1dB。

试验测试结果表明：19路噪声信息采集声压传感器灵敏度均采用同型号同批次的麦克风其声压灵敏度50mV/dB，经过系统调试各路对噪声的分辨率和测试精度协调一致，智能检测前端系统噪声分辨率0.1dB。实现了19路噪声信息的实时同步采集、处理与无线传送。

Claims (5)

1.一种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，其特征在于：这种基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端包括STM32处理器、声源检测单元、信号调理电路、数据传输模块，声源检测单元中的麦克风均连接相对应的信号调理电路，各个信号调理电路由单节锂电源集中供电，每个信号调理电路均连接至STM32处理器， STM32处理器连接数据传输模块，声源检测单元采用半球型非均匀布点麦克风阵列，半球型非均匀布点麦克风阵列由19个麦克风分四层布设在直径为10公分的半球面上，第一层布点在半球面中心点o，其余三层分别以间隔60°排布6个麦克风，第二层的6个麦克风对应标号a1、a2、…、a6，第三层的6个麦克风对应标号b1、b2、…、b6，第四层的6个麦克风对应标号c1、c2、…、c6，第二层麦克风a1与第三层对应点麦克风b1相对平面投影夹角30°，半球面上各层麦克风的方向沿着球心到该点的法线方向排布，麦克风为电容式麦克风；当某一麦克风投影点投到对向平面上，该麦克风投影点与邻近的两个麦克风所对应的点位呈等边三角形分布；所述的信号调理电路包括声压信号阻抗变换电路、反向放大电路、二极管全波检波电路，麦克风串联第一电阻RM1构成声压信号阻抗变换电路，声压信号阻抗变换电路输出信号通过第一隔直电容CM1连接反向放大电路，再通过第二隔直电容CM4连接二极管全波检波电路。

2.根据权利要求1所述的基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，其特征在于：所述的数据传输模块与上位机运行通信的方法：

通过DMA开始数据采集，数据传输模块则等待采集完成后的DMA中断请求，一旦发生中断请求则说明数据采集已经完成，接下来进行数据处理，然后将处理完的数据打包写入到串行FLASH进行存储；若数据发生异常，则上传异常数据到点声源定位系统上位机，同时若点声源定位系统上位机发起查询命令，则上传点声源定位系统上位机需要的数据。

3.根据权利要求2所述的基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，其特征在于：所述的数据传输模块与点声源定位系统上位机之间数据通信协议为：

数据的帧头和帧尾分别作为数据传输起始与结束标志；点声源定位系统上位机数据查询格式，通过B0告知数据传输模块回传数据的通道；数据传输模块通过单通道发送数据格式，帧头和帧尾作为统一的标识，每一通道采用两字节回传，R0低5位为当前数据的通道地址，6、7位为当前数据的量程，最高位为地址标识位；R1低7位为当前数据有效数值，最高位为数据标识位，数据实际值为N*10^K。

4.根据权利要求3所述的基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，其特征在于：所述的反向放大电路采用精密放大器OPA340，二极管全波检波电路采用两只肖特基快速二极管SS34。

5.根据权利要求4所述的基于半球型麦克风阵列的点声源定位系统智能检测前端，其特征在于：所述的麦克风为中心型指向式麦克，采用心型指向式麦克对声源信号进行实时采集，其声压灵敏度为50mV/dB。