1.1 設(shè)計(jì)目的

基于麥克風(fēng)陣列模擬人耳進(jìn)行三維空間的聲源定位，有著廣泛應(yīng)用前景，可應(yīng)用于大型機(jī)械產(chǎn)品的故障檢測(cè)以及新生嬰兒先天性心臟病檢測(cè)篩查等領(lǐng)域，這些應(yīng)用要求定位精度高，空間定位分辨能力強(qiáng)，而聲源的定位精度與聲音信號(hào)的頻率、傳感器陣列的 大小及聲音信號(hào)的信噪比等因素密切相關(guān)。傳統(tǒng)的時(shí)間差或相位差定位算法，隨著麥克 風(fēng)陣列的增加，計(jì)算量急劇增加，為了提高定位精度，本作品在GCC_PHAT 算法基礎(chǔ)上，利用 FPGA 的處理實(shí)時(shí)性，進(jìn)行數(shù)字解碼，濾波，解算處理，多陣列可以并行運(yùn)算， 大幅提高了聲音的空間定位精度。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

本作品應(yīng)用前景廣泛。例如，在交通領(lǐng)域，可以用于鳴笛抓拍中。在麥克風(fēng)陣列研究領(lǐng)域，可以用于波束形成算法的驗(yàn)證；同時(shí)，也可以將其作為一個(gè)錄音設(shè)備，配合 Audacity 軟件，實(shí)現(xiàn)一些聲音處理功能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1.3 適用范圍

本作品適用于需要近場(chǎng)聲源定位以及波束形成的場(chǎng)合，在此類場(chǎng)合中，作品可以完全發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，具有較高的速度和精度。

二、系統(tǒng)組成及功能說明 /System Construction & Function Description

2.1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)由數(shù)字麥克風(fēng)陣列模塊、FPGA 處理器模塊、攝像模塊共同組成。Xlinx Artix7 FPGA 作為核心，將數(shù)字麥克風(fēng)模塊產(chǎn)生的 PDM 碼轉(zhuǎn)化為 PCM 碼，然后使用 GCC_PHAT 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到時(shí)延值由傳給攝像頭，攝像頭再結(jié)合陣列中麥克風(fēng)的幾何關(guān)系， 將具體的聲源位置計(jì)算出來(lái)，然后將其映射在攝像頭所拍的圖像上，同時(shí)，為了更好地調(diào)試， 我們麥克風(fēng)陣列上集成了單片機(jī)芯片作為通信接口。

2.2 各模塊介紹

1.數(shù)字麥克風(fēng)陣列模塊

采用性能優(yōu)良的的數(shù)字麥克風(fēng) SPK0833LM4H，性能參數(shù)：100Hz ~ 10kHz 數(shù)字，PDM Microphone MEMS（硅） 1.6V ~ 3.6V 全向 （-26dB ±3dB @ 94dB SPL） 焊盤。兩個(gè)數(shù)字麥 克風(fēng)共用一個(gè)數(shù)據(jù)線（分別占用左右聲道），然后通過兩路 I2S 送給 FPGA。數(shù)字麥克風(fēng)實(shí)物 圖和陣列電路原理圖如下圖所示

2. FPGA 處理器模塊

處理器主要采用 basys3 開發(fā)板，其采用 Xilinx XC7A35T1CPG236C 芯片，含有 5200 個(gè)邏輯 Slices，每個(gè)包含 4 個(gè) 6 輸入 LUT 和 8 個(gè)觸發(fā)器，內(nèi)部時(shí)鐘頻率達(dá) 450MHz，片上 4 自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，含 1800Kbits 的 Block RAM 和 90 個(gè) DSP48E 單元，有 5 個(gè)時(shí)鐘管理單元。包含多個(gè)外設(shè)，資源豐富。FPGA 通過板載的 Pmod 接口與數(shù)字麥克風(fēng)陣列板連接。

3. 攝像模塊

OpenMV 是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。以 STM32F427CPU 為 核心，集成了 OV7725 攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用 C 語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī) 器視覺算法，提供 Python 編程接口。完成情況及性能參數(shù) /Final Design & PeRFormance Parameters

本系統(tǒng)由數(shù)字麥克風(fēng)陣列電路、FPGA 核心處理模塊、攝像頭模塊。預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能：（1）四通道同步錄音功能；（2）聲源定位，可以定位出攝像頭所拍攝到的畫面中發(fā)聲體 6 的位置并在畫面中將其標(biāo)出。目前，兩個(gè)功能均已實(shí)現(xiàn)，各模塊運(yùn)作穩(wěn)定，模塊間按功能連接。

3.1 數(shù)字麥克風(fēng)陣列電路

此電路能夠正常的接受來(lái)自 FPGA 的時(shí)鐘信號(hào)并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的 PDM 信號(hào)。

3.2 FPGA 核心處理模塊

此模塊可以準(zhǔn)確地去除 PDM 信號(hào)中的直流分量并將其轉(zhuǎn)化為 PCM 音頻數(shù)據(jù)流，通過 USB 音頻傳輸協(xié)議，可以將其傳輸?shù)?PC 機(jī)上，結(jié)合 Audacity 軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)錄音和對(duì)聲音進(jìn)行分析。同時(shí)，F(xiàn)PGA 也成功地實(shí)現(xiàn)了 GCC-PHAT 定位算法，定位精度高，效果好。

3.3 攝像頭模塊

此模塊圖像可以準(zhǔn)確獲取清晰的獲取圖像，實(shí)現(xiàn)照片、視頻等的拍攝，成像穩(wěn)定，質(zhì)量高，且通過 wifi 無(wú)線圖傳擴(kuò)展板，可以通過 WiFi 來(lái)獲取它所拍攝到的畫面。

4.1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）使用了數(shù)字麥克風(fēng)，數(shù)字麥克風(fēng)的最大優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)需像傳統(tǒng)傳聲器那樣 內(nèi)置高頻濾波電容、濾波器電路。數(shù)字麥克風(fēng)因其固有的特點(diǎn)，不會(huì)受到那些來(lái)自電腦、 網(wǎng)絡(luò)、射頻即磁場(chǎng)信號(hào)源的干擾、影響。（2）使用了麥克風(fēng)陣列來(lái)收集聲音信號(hào)，相比于單麥克風(fēng)，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。（3）在高速，并行的 FPGA 中實(shí)現(xiàn)了 GCC-PHAT 算法，波束形成算法，計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，定位精度好。（4）作品體積小，容易安裝，在各場(chǎng)合具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

4.2 可擴(kuò)展之處

（1）可以通過 FPGA 外接 SD 卡模塊，將轉(zhuǎn)化來(lái)的 PCM 音頻數(shù)據(jù)流存在 SD 卡中，可以與拍到的圖片相對(duì)應(yīng)，便于后期回放與驗(yàn)證。（2）增加麥克風(fēng)數(shù)量，改變陣列結(jié)構(gòu)，可以近一步地提高聲源定位的速度和精度。