声音信号采集处理系统设计
摘要：本文介绍了一种通过固定频率的音频信号实现对可移动声源的引导和控制的方法，分析了音频信号采集电路的设计思路以及控制算法的实现。设计了对固定频率的音频信号的采集、放大以及滤波处理电路，并通过无线模块实现了对可移动声源的引导与控制，使其到达指定的区域。要求如下：1.微型麦克风采集声音信号2.可编程增益放大电路3.模数转换4.抗混叠滤波器5.stm32单片机采集信号6.通信至pc机保存7.调用文件运用matlab滤波8.用双线性变换法分别设计高通、低通、带通滤波器，小波滤波程序
关键词：音频信号处理；声源信号采集；stm32单片机；
Abstract: This paper introduces a method of guiding and controlling the movable sound source through a fixed frequency audio signal, and analyzes the design idea of the audio signal acquisition circuit and the realization of the control algorithm. The acquisition, amplification and filter processing circuit of the fixed frequency audio signal are designed, and the guidance and control of the movable sound source is realized through the wireless module, so that it can reach the specified area. Requirements are as follows: 1. micro microphone acquisition sound signal 2. programmable gain amplification circuit 3. analog to digital conversion 4. anti aliasing filter 5.stm32 single-chip signal acquisition signal 6. communication to PC to save 7. call files using MATLAB filter 8. to design high pass, low pass, band pass filter and wavelet filter program respectively with bilinear transform method
Key words: audio signal processing; sound source signal acquisition; STM32 microcontroller.
1 前言 1
2 总体方案设计 3
2.1 方案比较 3
2.1.1 声源信号产生方案 3
2.1.2 声源的选择 3
2.1.3 坐标解算方案 4
2.2 方案选择 4
3 单元模块设计 6
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 6
3.1.1 555构成的多谐振荡器电路 6
3.1.2 电源电路设计 7
3.1.3 自动增益控制电路设计 7
3.1.4 有源二低通滤波电路 8
3.1.5 有源二阶高通滤波电路 9
3.1.6 STM32F103最小系统电路 10
3.1.7 液晶显示电路 11
3.1.8 电平转换电路 12
3.2 电路参数的计算及元器件的选择 13
3.2.1 电源电路参数的计算 13
3.2.2 555定时器外围元件参数的计算 14
3.2.3 音源坐标位置的计算 15
3.2.3 元器件的选择 17
3.3特殊器件的介绍 19
3.3.1 STM32F103单片机介绍 19
3.3.2 ILI9320液晶简介 21
3.3.3 VCA810简介 24
4软件设计 26
4.1软件设计开发环境介绍 26
4.1.1编程软件开发环境介绍 26
4.1.2绘图软件开发环境介绍 27
4.2软件设计流程图 28
4.2.1主程序流程图 28
4.2.1液晶初始化流程图 29
4.2.2 ADC初始化流程图 30
5系统调试 32
6系统功能、指标参数 33
6.1系统实现的功能 33
6.2系统指标参数测试 33
6.2.1带通滤波器的频率响应 33
6.2.2 555定时器构成的多谐振荡器测试 35
6.2.3 STM32 ADC电压采集测试 35
6.2.4 VCA810电路测试 36
6.3系统功能及指标参数分析 38
7结论 39
8总结与体会 40
9 谢辞 42
10参考文献 43
附录 44
附录一：部分原理图 44
附录二：部分PCB图 45
附录三：核心代码 46
附录四：实物图 51
附录五：外文资料翻译 52
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，声信号采集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。声源信号采集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信号采集，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。
声源信号采集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的声源信号采集装置，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，声源信号采集技术的研究，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。
