CN108376547A - 一种基于Arduino的阵列语音采集系统及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Arduino的阵列语音采集系统及采集方法，它包括语音输出装置，麦克风阵列与Arduino模块导线连接；Arduino模块与上位计算机系统通过无线连接；上位计算机系统与语音输出装置导线连接；采集方法包括：打开电源供电，打开麦克风开关；上位计算机系统通过无线传输单元对中央控制单元发送操作指令；中央控制单元接收操作指令，设定采样速率为16kHz，进行语音信号采集；采集到的语音信号经过滤波、放大和模数转换后，通过无传输单元将语音数字信号传输到上位计算机系统对语音数据进行解析和显示；解决了现有的阵列语音采集系统功耗大、价格昂贵、体积较大、安装麻烦、信号传输受限等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于语音处理技术领域，尤其涉及一种基于Arduino的阵列语音采集系统及采集方法。
背景技术
声音是人类社会中必不可少的工具，人类利用语音交流实现信息传递和信息交互。传统的语音拾取工具为单个孤立麦克风，在语音增强、声源定位和分离方面存在不足，且易受环境噪声干扰，使得纯净语音信号采集困难，严重影响语音采集质量。近些年，麦克风阵列被广泛的应用于语音信号处理中。
随着麦克风阵列技术在语音增强、噪声抑制和同步传输语音信号等方面的高速发展，其应用方面也越来越广泛，目前阵列语音采集系统主要的应用领域有去噪、盲源分离、语音识别及声源定位等。阵列语音采集系统必须具有实时采集、信噪比高、同步性好等特点，以便后续处理和应用。现有的阵列语音采集系统功耗大、价格昂贵、体积较大、安装麻烦；且采用串口或USB接口来传输语音信号，使得语音信号的传输方式受限。因此，如何设计和实现一种低成本、简单便捷的阵列语音采集系统成为一个尚待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：提供一种基于Arduino的阵列语音采集系统及采集方法，以解决现有的阵列语音采集系统功耗大、价格昂贵、体积较大、安装麻烦、信号传输受限等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于Arduino的阵列语音采集系统，它包括语音输出装置，其特征在于：麦克风阵列与Arduino模块导线连接；Arduino模块与上位计算机系统通过无线连接；上位计算机系统与语音输出装置导线连接。
所述Arduino模块包括RC滤波单元；麦克风阵列与RC滤波单元导线连接；RC滤波单元与音频放大单元导线连接；音频放大单元与中央控制单元导线连接；中央控制单元通过无线传输单元与上位计算机系统连接；所述RC滤波单元和音频放大单元至少有3路。
麦克风阵列中的麦克风数量至少为3个。
所述RC滤波单元为二阶无源低通滤波器，所述二阶无源低通滤波器3dB带宽为3.4kHz。所述音频放大单元为音频功率放大器，所述音频功率放大器的型号为LM386。
所述中央控制单元为Arduino芯片，所述Arduino芯片型号为Arduinomega2560。
所述语音输出装置为扬声器、耳机或网络。
所述无线传输单元包括NRF2401信号发送端和NRF2401信号接收端；所述NRF2401信号发送端和NRF2401信号接收端之间通过无线连接。
一种基于Arduino的阵列语音采集系统的采集方法，它包括：
步骤1、打开电源供电，打开麦克风开关；
步骤2、上位计算机系统通过无线传输单元对中央控制单元发送操作指令；
步骤3、中央控制单元接收操作指令，设定采样速率为16kHz，进行语音信号采集；
步骤4、采集到的语音信号经过滤波、放大和模数转换后，通过无线传输单元将语音数字信号传输到上位计算机系统；
步骤5、上位计算机系统接收语音数字信号，并对语音数据进行解析、实时显示、处理和存储。
本发明的有益效果：
本发明通过Arduino模块的RC滤波单元对麦克风拾取的语音信号进行滤波，有效地滤除噪声。再将滤波后的语音信号送入到Arduino的放大单元，上位计算机系统通过无线传输单元对Arduino中央控制单元下达操作指令，中央控制单元采集并传输多路语音数据。无线传输单元采用NFR2401技术进行无线通信，可以实现语音采集点的任意放置。上位计算机系统对接收到的阵列语音数据进行在线滤波、实时处理和存储，送入到语音输出装置。
本发明实现将多路语音信号同步采集和无线实时传输，并且将多路语音信号同步输出到PC端进行实时处理，构建了多通道语音增强系统的硬件条件，同时也为研究基于ICA（独立分量分析）的语音信号盲分离算法提供了性能较为可靠的前端语音输入平台。与现有的阵列语音采集系统相比，本发明具有功耗小、成本低、实时显示、同步性好、简单便捷、采集速度快等优点，可广泛应用于语音通信系统和语音控制系统中；解决了现有的阵列语音采集系统功耗大、价格昂贵、体积较大、安装麻烦、信号传输受限等技术问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
一种基于Arduino的阵列语音采集系统，它包括语音输出装置，麦克风阵列与Arduino模块的RC滤波单元通过导线连接；Arduino模块的中央控制单元与上位计算机系统通过无线连接；上位计算机系统与语音输出装置导线连接。
所述Arduino模块包括RC滤波单元；麦克风阵列与RC滤波单元导线连接；RC滤波单元与音频放大单元导线连接；音频放大单元与中央控制单元导线连接；中央控制单元通过无线传输单元与上位计算机系统连接；上位计算机系统与语音输出装置导线连接。
所述麦克风阵列包括至少3个麦克风。
所述RC滤波单元采用二阶无源低通滤波器，所述二阶无源低通滤波器3dB带宽为3.4kHz。
所述音频放大单元包括音频功率放大器，所述音频功率放大器的型号为LM386。
所述中央控制单元包括Arduino芯片，所述Arduino芯片型号为Arduinomega2560。
所述无线传输单元采用NRF2401技术进行无线通信，包括NRF2401信号发送端和NRF2401信号接收端；所述NRF2401信号发送端将语音数字信号以无线传输的形式发送给所述NRF2401信号接收端，所述上位计算机系统接收并存储NRF2401信号接收端的语音信号。
所述上位计算机系统包括语音处理模块和语音存储模块，所述语音处理模块对接收到的多路语音信号进行在线滤波，并且实时显示多路语音信号的波形，随后用ICA方法对多路语音信号进行去噪和分离，获得纯净语音信号。所述语音处理模块通过无线传输单元实现与中央控制单元进行无线传输、数据交互和实时处理，并可远程下达操控指令。所述语音存储模块的功能是将每一路语音信号存储为可播放的.wav文件。
所述语音输出装置为扬声器、耳机或网络。
电源管理单元为整个Arduino模块提供电源支持。所述电源管理单元包括电源芯片，所述电源芯片型号为AMS1117。
一种基于Arduino的阵列语音采集系统的实现方法，它包括下述步骤：
步骤1、检查各模块是否正常运行，是否打开电源供电，是否打开麦克风开关，如果是，则进入步骤2，否则继续下一轮检查；
步骤2、上位计算机系统通过无线传输单元对中央控制单元发送操作指令，进入步骤3；
步骤3、中央控制单元接收操作指令，设定采样速率为16kHz，进行语音信号采集；
步骤4、采集到的语音信号经过滤波、放大和模数转换后，转换成数字信号后，通过无线传输单元将语音数字信号传输到上位计算机系统；
步骤5、上位计算机系统接收语音数字信号，并对语音数据进行解析、实时显示、处理和存储。
根据说明书附图将实施示例介绍如下：
本发明一种基于Arduino的阵列语音采集系统可应用于语音通信系统和语音控制系统中。检查各模块正常后，上位计算机系统通过无线传输单元对Arduino中央控制单元下达语音采集指令，中央控制单元采集并传输多路语音数据。Arduino模块的RC滤波单元对麦克风拾取的语音信号进行滤波，有效地滤除噪声。再将滤波后的语音信号送入到Arduino的放大电路单元，无线传输单元采用NFR2401技术进行无线通信，可以实现语音采集点的任意放置。上位计算机系统对接收到的阵列语音数据进行在线滤波、实时处理和存储，送入到语音输出装置。
上位计算机系统包括语音处理模块和语音存储模块，语音处理模块对接收到的多路语音信号进行在线滤波，并且实时显示多路语音信号的波形，随后用ICA方法对多路语音信号进行去噪和分离，获得纯净语音信号。语音处理模块通过无线传输单元实现与中央控制单元进行无线传输、数据交互和实时处理，并可远程下达操控指令。语音存储模块的功能是将每一路语音信号存储为可播放的.wav文件。然后上位计算机系统将.wav文件传送给语音输出装置。
本发明优点：
本发明实现将多路语音信号同步采集和无线实时传输，并且将多路语音信号同步输出到PC端进行实时处理，构建了多通道语音增强系统的硬件条件，同时也为研究基于ICA（独立分量分析）的语音信号盲分离算法提供了性能较为可靠的前端语音输入平台。
与现有的阵列语音采集系统相比，本发明具有功耗小、成本低、易于安装、实时显示、同步性好、简单便捷、采集速度快等优点，可广泛应用于语音通信系统和语音控制系统中。
Claims (9)
1.一种基于Arduino的阵列语音采集系统，它包括语音输出装置，其特征在于：麦克风阵列与Arduino模块导线连接；Arduino模块与上位计算机系统通过无线连接；上位计算机系统与语音输出装置导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述Arduino模块包括RC滤波单元；麦克风阵列与RC滤波单元导线连接；RC滤波单元与音频放大单元导线连接；音频放大单元与中央控制单元导线连接；中央控制单元通过无线传输单元与上位计算机系统连接；所述RC滤波单元和音频放大单元至少有3路。
3.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：麦克风阵列中的麦克风数量至少为3个。
4.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述RC滤波单元为二阶无源低通滤波器，所述二阶无源低通滤波器3dB带宽为3.4kHz。
5.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述音频放大单元为音频功率放大器，所述音频功率放大器的型号为LM386。
6.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述中央控制单元为Arduino芯片，所述Arduino芯片型号为Arduinomega2560。
7.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述无线传输单元包括NRF2401信号发送端和NRF2401信号接收端；所述NRF2401信号发送端和NRF2401信号接收端之间通过无线连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统，其特征在于：所述语音输出装置为扬声器、耳机或网络。
9.如权利要求2所述的一种基于Arduino的阵列语音采集系统的采集方法，它包括：
步骤1、打开电源供电，打开麦克风开关；
步骤2、上位计算机系统通过无线传输单元对中央控制单元发送操作指令；
步骤3、中央控制单元接收操作指令，设定采样速率为16kHz，进行语音信号采集；
步骤4、采集到的语音信号经过滤波、放大和模数转换后，通过无线传输单元将语音数字信号传输到上位计算机系统；
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