機(jī)器人聲源的硬件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24955機(jī)器人聲源的硬件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例概述 1228831.1聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 1162051.2麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì) 214105（1）麥克風(fēng)數(shù)量 223494（2）麥克風(fēng)間距 228541（3）麥克風(fēng)參數(shù)與性能 2320781.3慣性導(dǎo)航模塊 320072（1）JY901B模塊實(shí)物 311048（2）JY901B模塊參數(shù) 396531.4單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 4165951.5LC12S數(shù)據(jù)傳輸模塊 5224201.6液晶顯示電路設(shè)計(jì) 61.1聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的處理器平臺(tái)為Arduino，Arduino是一個(gè)以AVR單片機(jī)為基礎(chǔ)的開(kāi)源平臺(tái)，即包括各類(lèi)型號(hào)的Arduino開(kāi)發(fā)板，也包括開(kāi)源的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，其軟硬件都是開(kāi)源的。與其它單片機(jī)相比，Arduino還可以在Linux平臺(tái)上運(yùn)行，這是其它AVR單片機(jī)不具備的。除此之外，Audino將單片機(jī)中復(fù)雜的寄存器等操作封裝起來(lái)，對(duì)硬件基礎(chǔ)不太牢靠的軟件開(kāi)發(fā)者只需要調(diào)用庫(kù)文件就可完成編程，這些特點(diǎn)為全球開(kāi)發(fā)者提供了良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。隨著開(kāi)源社區(qū)用戶(hù)的增加，Arduino開(kāi)源平臺(tái)提供了一套完整的開(kāi)發(fā)氛圍，全世界的開(kāi)源愛(ài)好者都可在社區(qū)上傳自己的源代碼，供開(kāi)發(fā)者學(xué)習(xí)使用，其豐富的軟硬件資源能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)用戶(hù)的需求。系統(tǒng)的硬件模塊以慣性導(dǎo)航模塊為主、麥克風(fēng)陣列信號(hào)采集模塊，處理單元STM32、所述無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、OLED顯示模塊以及Arduino核心控制模塊等6個(gè)部分。首先，該系統(tǒng)通過(guò)自行設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)陣列對(duì)聲源產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行收集，聲音信號(hào)經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換之后，由無(wú)線傳輸模塊LC12S將其發(fā)送至STM32進(jìn)行處理，STM32與Arduinomega2560處理器進(jìn)行串口通信，結(jié)合慣性導(dǎo)航模塊JY901B獲取的位移數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)一計(jì)算，得到了最終成果，最后，在OLED中顯示聲源二維坐標(biāo)方位。以慣性模塊為核心的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1.1中所示：圖1.1系統(tǒng)整體方案圖1.2麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)以麥克風(fēng)陣列為核心，搭建了機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，完成了聲源定位功能。麥克風(fēng)陣列獲取聲音信號(hào)是該設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是否能準(zhǔn)確地獲取聲音信號(hào)，會(huì)直接關(guān)系到后續(xù)定位效果。（1）麥克風(fēng)數(shù)量麥克風(fēng)陣列內(nèi)麥克風(fēng)個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能具有決定性影響，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，既考慮了系統(tǒng)需要，還必須與成本相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)難易程度及其他因素。如果麥克風(fēng)的數(shù)目較小，所收集的資料越少，造成系統(tǒng)精確度的不足；如果麥克風(fēng)太多，再提高系統(tǒng)運(yùn)算量，達(dá)到的代價(jià)太高。本論文基于對(duì)陣列信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，選取三個(gè)駐極體麥克風(fēng)，分別設(shè)置于正方形三個(gè)頂點(diǎn)處，負(fù)責(zé)聲音信號(hào)的收集，在滿(mǎn)足需要的情況下，系統(tǒng)實(shí)施的費(fèi)用并不高、運(yùn)算量較小時(shí)，盡可能地收集比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。（2）麥克風(fēng)間距該系統(tǒng)聲源定位功能以六足移動(dòng)機(jī)器人為原型，麥克風(fēng)陣列需安裝到移動(dòng)機(jī)器人，而且移動(dòng)機(jī)器人本身體積也很小，所以麥克風(fēng)陣列也要設(shè)計(jì)得比較小巧。經(jīng)實(shí)際測(cè)定，最后將麥克風(fēng)陣列的間距設(shè)置為50厘米。（3）麥克風(fēng)參數(shù)與性能該系統(tǒng)選擇了駐極體麥克風(fēng)構(gòu)成陣列，駐極體麥克風(fēng)的普通工作電壓是3V，工作電流在0.1~1mA，這種駐極體麥克風(fēng)的接收頻率在100Hz到10KHz之間，最大采集范圍可達(dá)到5米，固有噪聲較低[39]。該麥克風(fēng)模塊具有靈敏度高的特點(diǎn)，內(nèi)置放大電路增益可調(diào)節(jié)，模塊有AO（模擬量輸出）和DO（數(shù)字量輸出）2個(gè)輸出，感應(yīng)聲音強(qiáng)度可由50K電位器來(lái)調(diào)整（逆時(shí)針加強(qiáng)，順時(shí)針削弱）它的AD轉(zhuǎn)換功能可將聲強(qiáng)和電壓轉(zhuǎn)換，它的電路圖見(jiàn)圖1.2：圖1.2麥克風(fēng)模塊電路圖1.3慣性導(dǎo)航模塊（1）JY901B模塊實(shí)物JY901B模塊，X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)軸滿(mǎn)足右手定理且Z軸是垂直向外。JY901B模塊的引腳說(shuō)明如表1.1所示：名稱(chēng)功能VCC模塊電源，2.3V或5V輸入RX串行數(shù)據(jù)輸入，TTL電平TX穿行數(shù)據(jù)輸出，TTL電平GND地線SCLIIC時(shí)鐘線SDAIIC數(shù)據(jù)線D0擴(kuò)展端口0D1擴(kuò)展端口1D2擴(kuò)展端口2D3擴(kuò)展端口3（2）JY901B模塊參數(shù)該系統(tǒng)選擇了高精度慣性導(dǎo)航模塊JY901B來(lái)采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度，角速度等數(shù)據(jù)，模塊尺寸較小，易于與機(jī)器人平臺(tái)固定連接，并在模塊內(nèi)使用姿態(tài)解算及動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法進(jìn)行求解，采集數(shù)據(jù)的精度可達(dá)0.01°已達(dá)到專(zhuān)業(yè)器件級(jí)別，JY901B模塊參數(shù)見(jiàn)表1.2：參數(shù)說(shuō)明電壓3V~6V電流<40mA體積15.24mmX15.24mmX2mm測(cè)量維度加速度：3維，角速度：3維，磁場(chǎng)：3維，角度：3維，氣壓：1維量程加速度：±16g，角速度：±2000°/s分辨率加速度：6.1e-5g，角速度：7.6e-3°/s。穩(wěn)定性加速度：0.01g，角速度0.05°/s。數(shù)據(jù)輸出頻率0.1Hz~200Hz數(shù)據(jù)接口串口（TTL電平，波特率支持2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800、921600），IIC（最大支持高速I(mǎi)IC速率400K）1.4單片機(jī)電路設(shè)計(jì)STM32是從意法半導(dǎo)體公司引進(jìn)的一種高性能微處理器，在這些處理器中，以ARM-M體系結(jié)構(gòu)Cortex-M3為代表。屬32位標(biāo)準(zhǔn)處理器RISC架構(gòu)，含有高效，靈活Thumb-2指令集；Cortex-M3具有功耗小，門(mén)數(shù)少等特點(diǎn)、中斷延遲較短，調(diào)試成本低。另外，意法半導(dǎo)體公司還發(fā)布了與之匹配的開(kāi)發(fā)軟件，提供相關(guān)官方固件，使大批開(kāi)發(fā)者投身STM32研究與開(kāi)發(fā)，STM32系列處理器問(wèn)世，以其低價(jià)，高性能，很快占領(lǐng)市場(chǎng)，得到了眾多開(kāi)發(fā)者及企業(yè)的歡迎。STM32F103x系列增強(qiáng)處理器，工作溫度范圍最低為-40°C，最高可達(dá)到+105°C，供電電壓為1.0V~2.6V，實(shí)現(xiàn)了非工作狀態(tài)省電模式的自動(dòng)切換，減少了功耗，在多種工業(yè)場(chǎng)合中得到了廣泛使用。STM32F103x系列處理器包含LQFP36、LQFP48、LQFP64、LQFP100、LQFP144等4種不同封裝方式，在內(nèi)部配置上也存在著一些不同。STM32F103RBT6微控制器使用的是Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)使用了LQFP144進(jìn)行封裝，它有著大量片上外設(shè)，表現(xiàn)突出[40]。其內(nèi)主頻72MHz，閃存128KB，RAM為20KB。片上外置USB1.0全速接口和CAN接口、十六位定時(shí)器、USART接口、七通道DMA控制器，16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，等等。STM32F103RBT6具有48個(gè)快速多功能雙向I/O端口，所有的I/O口都能映像為16個(gè)外部中斷；每一個(gè)I/O管腳可被軟件配置為輸出（攤拉或開(kāi)路）、輸入（拿著或者沒(méi)拿著就拉倒或者下來(lái)）或者其他外設(shè)功能口；大多數(shù)I/O管腳是由數(shù)字或者模擬外設(shè)所共享，全部I/O管腳均具有大電流通過(guò)能力。該設(shè)計(jì)主要使用了片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器模塊，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、UASRT模塊的特點(diǎn)等等。其中，AD轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)麥克陣列的處理信號(hào)進(jìn)行采集，利用RTC時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。最小系統(tǒng)由8M外部晶振電路，31.768KHz時(shí)鐘晶振和復(fù)位電路組成、JTAG仿真接口和啟動(dòng)模式設(shè)置。STM32的內(nèi)部電路見(jiàn)圖1.3：圖1.3STM32內(nèi)部電路1.5LC12S數(shù)據(jù)傳輸模塊本課題選擇的數(shù)據(jù)傳輸模塊是LC12S無(wú)線傳輸模塊，由于麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)間距太大，麥克風(fēng)陣列內(nèi)每個(gè)麥克風(fēng)所收集的聲音信息需通過(guò)該模塊傳輸給STM32處理器處理。模塊使用了最新的1.4GSOC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了串口透明傳輸，該模塊不受數(shù)據(jù)包大小的限制，延時(shí)較短，在數(shù)據(jù)采集，智能家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用、AGV機(jī)器人等等方面。LC12S中數(shù)據(jù)傳輸模塊的引腳見(jiàn)表1.3：表1.3LC12S模塊參數(shù)引腳引腳名稱(chēng)引腳功能描述1VCC電源電源（接1.2~2.6V）典型2.3V2RXT模塊數(shù)據(jù)輸出（TTL電平）串口通信數(shù)據(jù)接收3TXD模塊數(shù)據(jù)輸入（TTL電平）串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送4SET設(shè)置位配置參數(shù)使能5CS休眠接低電平時(shí)工作，懸空時(shí)為高電平6GND電源接地上電后在CS引腳接通低電平的情況下運(yùn)行，SET腳就是設(shè)定參數(shù)的標(biāo)志位，拉低或者短接在地面上，可以在低電平的情況下，把模塊轉(zhuǎn)換為參數(shù)配置的模塊式引腳來(lái)設(shè)定，當(dāng)TXD與RXD的引腳接通高電平后，即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。1.6液晶顯示電路設(shè)計(jì)現(xiàn)有液晶屏包括TFT液晶，LCD液晶，IPS液晶等、OLED液晶和AMOLED液晶，如TFT液晶、LCD液晶和IPS液晶在色彩上有著更加艷麗的優(yōu)點(diǎn)，但是，與此同時(shí)，它所帶來(lái)的耗電量也是比較大的；OLED與AMOLED拋棄傳統(tǒng)背光驅(qū)動(dòng)方式，利用LED發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)直接顯示，當(dāng)它呈現(xiàn)出純黑色的時(shí)候，耗電量接近于0，毫無(wú)疑問(wèn)，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)是一件幸事。該系統(tǒng)使用0.96寸單色OLED模塊顯示數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備功耗減小，然后搭配程序待機(jī)和喚醒模式，有效地解決移動(dòng)設(shè)備低功耗的問(wèn)題0.96寸單色