（信号与信息处理专业论文）分布式微型音频生命探测系统的研制.pdf

摘 要 分布式微型音频生命探测系统的研制分布式微型音频生命探测系统的研制 作者简介：肖忠源，男，1984 年 12 月生，师从成都理工大学郭勇教授，2009 年 06 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 本论文来源于 2007 年科技部公益性行业科研专项经费项目“地震应急救援设 备和装备的需求及关键参数研究”，项目编号为 20070708052- 03，该项目由成都理 工大学与四川省地震局减灾救助研究所共同负责，在整个专题项目的实施以及本 论文的书写过程中，都得到了导师郭勇教授、陈维锋所长、彭晋川高工、高嵩老 师、谢兴红老师、赖武刚老师及李志鹏老师的悉心指导和大力支持。 地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一，我国是世界上地震活动最 强烈和地震灾害最严重的国家之一。防震减灾是国家公共安全的重要组成部分， 是重要的基础性、公益性事业，事关人民的生命财产安全和经济社会的可持续发 展。加快防震减灾事业发展，对于全面建设小康社会、构建社会主义和谐社会具 有十分重要的意义。 目前许多救援设备由于体积庞大，操作复杂，在实际的救援过程中效果不佳， 研究一套新型、高效能的救援技术方法及相关设备迫在眉睫。本分布式微型音频 生命探测系统是在课题组以往研制完成的各种生命探测仪（如光学、红外、声波 振动生命探测仪）的基础上加以改进与试验的研制结果，弥补了有线探测方式带 来的缺陷，能适应更大范围灾区的生命探测。 本系统由探测小球和接收主机两部分组成。其中，探测小球是投放到灾害现 场的音频采集器，属于一次性设备，投放后不再回收。探测小球数量可根据受灾 区面积大小灵活设定。探测小球主要完成周围环境中异常声音信号的拾取并采用 无线方式将其发射出去。为便于接收主机对探测小球发送的现场异常声音信号进 行有效监听，探测小球的发射频率在投放前设置成均不一样且可根据需要进行更 改。接收主机采用 ti 公司的一款 soc 单片机 msp430f149 作为主控单元，主要 完成对前端探测小球传送的异常声音信号进行监听，根据所掌握的情况对声源进 行定位，并提供友好的人机交互界面，有效管理整个系统。 针对生命探测仪对定位提出的特殊要求，本文专门探讨了目前国内外现有的 定位技术方法及相关定位算法，并在此基础上提出作者个人的设想，以期能给今 后生命探测仪的进一步改进或研制起到抛砖引玉的作用。 目前已完成本系统的样机研制，经试验测试，探测小球具备微型化、低功耗、 高灵敏度的特点；接收主机能根据监听到的异常情况初步判断被困幸存者的大致 摘 要 位置，实现了粗略的定位。本文研制的分布式微型音频生命探测仪，已成功通过 相关部门的验收。相比课题组以往研制的生命探测仪，本生命探测仪具备如下几 个方面的创新点：可靠性高、速度快；覆盖范围广；使用广泛等。 经实验验证，本系统能较好的达到项目任务书中的指标，能基本满足当前我 国灾后紧急救援领域中对先进技术装备的需求，具有良好的应用前景和实用价值 及经济价值。 关键词：生命探测 分布式 微型化 定位 msp430 abstract the design and implementation of the distributed miniature life detection system based on sound wave introduction of the author: xiao zhongyuan, male, was born in december, 1984 whose tutor was professor guo yong. he graduated from chengdu university of technology in signal and information processing major and was granted the master degree in june, 2009. abstract this thesis is from the commonweal scientific research project named the research of the emergency rescue equipments and the key parameters applied to earthquake disasters in 2007. the project whose code is 20070708052- 03 is taken by chengdu university of technology and the institute of mitigating the earthquake disasters of seismological bureau in sichuan province. the research workers of the project include professor guo yong, chen weifeng, peng jinchuan, gao song, xie xinghong, lai wugang and li zhipeng. earthquake is one of the most destructive natural disasters to human beings in our life. and china is a country full of strong earthquake. protecting against and mitigating earthquake disasters, which is linked with the life security of people and the sustainable development of the economy, is an important part of the public security of the state and is of significant essential common good. it will make great sense to our society to speed the protecting against and mitigating earthquake disasters. because of the big volume, complicated operation and the bad effect of the present life detection devices, it is urgent to design a new kind of detection device with high performance. the system this paper introduces is such kind of device which is based on the former life detection devices our project team has designed, such as optical life detection, ir life detection and sound wave and vibration life detection devices. the system can be applied to life detection of greater area due to its wireless communication. the system is composed of detecting unit and receiving terminal. the detecting unit is a sound collector which is non- returnable after cast into the disaster scene and the number of it is set based on the specific area. the detecting unit is designed to collect the abnormal sound around it and then transmit it with wireless communication. the abstract communication frequency of all the detecting units is different from each other and can be modified when necessary. the receiving terminal whose cpu is msp430f149, a kind of soc from ti corporation is designed to monitor the abnormal sound transmitted by the detecting unit and then position the source of the abnormal sound. the user can easily manipulate the receiving terminal with the good interaction between humans and computers. due to the special desire of positioning of the life detection device, this paper discusses specially the present positioning technology and relative positioning algorithms home and abroad and then proposes an assumption to cast away a brick to attract the jade for the further design and research of the life detection device. by now the sample of the system has been finished and proved by some experiments. the detecting unit characterizes miniaturization, low power consumption and high sensitivity and meanwhile with the receiving terminal the user can speculate the rough position of the survivor based on the source of the abnormal sound. the system has been examined and accepted by the relative bureau. compared with the former life detection devices, the system has got some initiative features, such as high stability, high responsiveness, wide coverage, universal usage and so on. it shows that the system can achieve the target of the assignment and meet the basic demand of advanced equipments desired in the field of emergency rescue. the system has good prospects and practical and commercial values. keywords: life detection distributed miniaturization positioning msp430 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 成都理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 引言 1 第第 1 章章 引引 言言 1.1 立题依据立题依据 地震灾害是群灾之首，它具有瞬间发生、破坏剧烈、次生灾害严重、监测预 报困难、社会影响深远等特点。特别是破坏性地震会给国家经济建设和人民生命 财产安全造成直接和间接的危害和损失，尤其是强烈的地震会给人类带来巨大的 灾难。国内外无数次地震灾害事例证明,地震紧急救援技术水平的高低对于减轻地 震灾害损失具有极其重要的意义。而我国目前在地震灾害紧急救援技术方面还十 分薄弱,有关地震救助技术的研究实属凤毛麟角。 当前，人类还不能阻止地震的发生，也远未达到准确预报地震的水平。因此， 做好地震的防御和灾后的救援工作就显得尤为重要了。 防震减灾是国家公共安全的重要组成部分，是重要的基础性、公益性事业， 事关人民生命财产安全和经济社会的可持续发展。加快防震减灾事业的发展，对 于全面建设小康社会、构建社会主义和谐社会具有十分重要的意义。 随着我国现代化、城市化建设的加快，城市建筑物的规模、高度以及跨度都 逐渐增加，人口密度也越来越大。一旦发生地震灾害，人员伤亡、建筑物破坏程 度会越来越严重，救援工作难度亦会越来越大，这对我们的救援技术和设备提出 了越来越高的要求。为了对被困人员实施高效有序的救援，除了要确保紧急救援 队伍反应迅速、机动性高和突击性强之外，同样重要的是要给救援队伍配备必要 的高新救助技术装备。先进的救助技术与装备是提高救助成功率，最大限度减轻 人员伤亡的技术保障，而且也是重要的手段之一。进行地震救灾技术与设备的科 学研究，已经是我们面临的一个极为紧迫、极为严峻的课题。然而，我国在地震 应急救助高新技术领域几乎是空白，缺乏实用有效的救助设备，迫切需要国家开 展高新救助技术的攻关，研究地震救助技术中的关键技术。 随着我国社会主义经济的不断发展，国家在城市公共安全及灾后生命救助领 域也越来越重视，先后在“十五”国家科技攻关项目和“十一五”预研项目中提 出了多项相关的研究课题。由于目前许多救援设备体积庞大，操作复杂，在实际 的救援过程中效果不佳，研制一套新型、高效能的救援技术方法及相关设备迫在 眉睫。 在“十五”期间，我们研制的地震紧急救援设备“声波振动生命探测仪” ， 在地震救灾实用化方面取得了较好的表现。但同时，在研究和试用的过程中，我 们发现，这种设备具有一次探测范围较小、抗干扰能力较差的不足，此外，由于 声波和振动波要通过废墟传播到位于地面的传感器，因而，信号衰减较大且常常 难以判断信号的有效性。为了解决这些问题，我们提出了分布式微型音频生命探 成都理工大学硕士学位论文 2 测系统的立题设想。该系统具有一次探测范围较大、抗干扰能力较强、能准确判 断有效信号的特点，对于快捷、有效地救援被埋压人员具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前，美国、加拿大、日本等国已在灾后救援研究领域取得了初步研究成果， 一方面建立了国家资助研究和储备的制度，另一方面，利用先进的微电子、微光、 热红外阵列成像、仿生等高新技术研制开发了生命搜索和定位技术和设备。特别 是处于地震多发地带的日本，已成功研制出多种生命探测仪，如热红外成像仪、 蛇形机器人等，并已投入到实际的地震救援中，取得了显著的成效。早在 1985 年 9 月墨西哥大地震、1986 年萨尔瓦多地震和 1988 年 12 月亚美尼亚大地震的三次 救援中，由于采用了先进的红外成像仪等救援设备，在寻找震后被压埋幸存者中 发挥了很大作用，及时抢救了许多人的生命。美国、英国、日本等国家生产的热 成像仪已被广泛地应用于地震救灾、火灾，以及爆炸、矿井坍塌、滑坡等灾害的 灾后救助中，并已形成了一定的产业。1999 年 8 月土耳其大地震抢救中，美国等 国派去的救援队运用了这种高技术手段，取得了很好的成效。1999 年 9 月 21 日台 湾大地震中，日本派出带有先进热成像仪的救援队伍，在灾区成功地发挥了作用。 随着我国社会主义经济的不断发展，国家在城市公共安全及灾后生命救助领 域也越来越重视， 先后在“十五”国家科技攻关项目和“十一五”预研项目中提出了多 项相关研究课题。目前我国许多救援设备由于体积庞大，操作复杂，在实际的救 援过程中效果不佳。加之我国的救援队伍起步较晚，装备落后，设备单一，其中 大部分救援设备还需从国外进口，在很大程度上已经不能满足灾后紧急救援的需 要。为了提高我国应急救助能力，建立健全的紧急救援工作体系，科技部先后于 2001 年和 2004 年批准实施了“十五”国家科技攻关课题 地震救助生命搜索与定位 技术研究 （课题编号：2001ba601b05）及其延续课题地震救助生命搜索与定 位技术实用化研究 （课题编号：2004ba601b03） 。到 2005 年底，四川省地震局 与成都理工大学等单位联合完成了光学生命探测仪、红外热成像生命探测仪、声 波振动生命探测仪三套设备的研制工作，并已投入到实际的地震救援中，取得了 不菲的成绩。在 2005 年成都市发生的“8.12”楼房垮塌事故中，由于救援人员采用 了声波振动生命探测仪，为被压埋人员的搜索定位挽救了宝贵的时间，从而及时 抢救了许多人的生命。 光学生命探测仪由于采用了声光一体式的探测方式，不仅可以探测现场的各 种声音信号，还可以获取灾害现场的图像信息。因生命探测仪自身具备光源，即 便在夜晚使用，也不影响其性能。由于其不受环境光照的影响，所以特别适用于 夜晚或光照亮度不足的救援情形。并且，即使被困幸存者处于昏迷状态，无法发 出任何声音信号时，只要被困幸存者处于光学生命探测仪的光照范围内，生命探 第 1 章 引言 3 测仪照样能将其探测出来。相比而言，光学生命探测仪是一种比较实用的救援设 备。但由于其需要将可伸缩的探头伸入到灾害现场的缝隙中以便近距离地接近被 困幸存者，且连杆采用的是钢铁性材料制作，不能弯折，这就限制了该生命探测 仪的应用范围。 红外热成像生命探测仪采用的是红外成像方式，其特点是能在光照度不够甚 至是黑暗的环境中进行搜索。由于次生灾害等原因，搜索环境可能在烟尘的笼罩 下，人的自然视力范围受到很大限制。利用红外热像仪能够在恶劣环境中看到无 法用肉眼看到的场景，可以轻易地发现和找到被困幸存人员和火源点，是震后救 援工作中非常行之有效的高精度仪器。救灾实践证明，红外热成像技术是较为成 功的探测与定位技术。其原理是利用探测人体辐射的红外线来发现并确定地震被 困幸存者的位置。通过使用这种仪器，使救援人员对被困幸存者的精确位置，以 及周围的情况一目了然，可在地震发生后的浓烟、大火及黑暗中探寻被埋在废墟 中的生命。但由于救援人员需佩戴头盔式热像仪以及目视镜，身上负重较大，不 利于行动，对自身安全也有一定威胁。 声波振动生命探测仪采用高灵敏度的重力加速度传感器来捕捉废墟下发出的 任何敲击、移动、呼喊等微弱信号，并对信号进行筛选放大，以分道声音监听和 数字波形峰值液晶显示的方式提供给救援人员，进而对被困幸存者进行快速定位 的初步判断。其优点是，测试信号以多道动态显示，可以实时地检测异常振动信 号。声波振动生命探测仪是一种基于物理平面定位、快速搜索、设备轻便、价格 低廉的智能化声波振动生命探测仪。该设备的研究目的是使救援设备更加轻便、 省电，使用更加方便灵活。由于其不受现场环境的影响，在地震救灾实用化方面 取得了较好的表现。但在研究和试用的过程中，我们发现，这种设备具有一次探 测范围较小、抗干扰能力较差的不足，此外，由于声波和振动波要通过废墟传播 到位于地面的重力加速度传感器，因而，信号衰减较大且常常难以判断信号的有 效性。并且，如果被困幸存者处于昏迷状态，不能发出任何声音或振动信号，该 生命探测仪几乎失效。 1.3 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 四川省地震局减灾救助研究所和成都理工大学共同申报的“微型音频探生系 统研制”专题，来源于中国地震局工程力学研究所组织的“现场灾情监控与救援 装备研究”课题。成都理工大学主要负责该专题的实施与研制任务。本论文即来 源于该专题。 本专题主要研制能提取并识别地震现场微弱声音信号的探测小球，通过高灵 敏度声音传感器将声音信号以无线传输方式传送至救援人员，救援人员可通过接 收主机进行有效监听，并依据相关参数可初步确定声源的大致位置。专题研制的 成都理工大学硕士学位论文 4 微型音频生命探测仪硬件主要包括两个方面：探测小球；接收主机。专题采 用的研究方法主要是通过高灵敏度声音传感器接收灾后现场环境的声音特征信 号，并对信号进行采集分析处理，完成对声源产生点的快速搜索和定位。 专题研制的微型音频生命探测仪，利用高精度传感技术、微弱信号检测技术、 抗干扰技术、自适应技术、射频技术等，投放到灾害现场的智能化探测小球能借 助于无线广播电台将所探测到的异常信号（主要是声音信号）以无线传输的方式 提供给手持接收主机的救援人员，救援人员一方面可通过耳机对该异常信号进行 监听，另一方面可根据接收主机上的液晶显示屏得知该异常信号的声源位置，从 而达到寻找被压埋人员的目的。该生命探测仪是一套以人机交互为基础的探测系 统，主要包括微弱信号的获取、传递与发射，主机接收与信号处理两大方面。人 体生命特征识别系统按模块化设计实现，使系统的升级快捷方便，该系统具有操 作简单，重量轻便、实现快速、现场救助使用灵活方便等特点。 本人在整个生命探测仪的研制过程中，主要参与了接收主机的电路设计，软 件编写，以及整机系统的硬件、软件调试工作。 1.4 论文主要成果论文主要成果 本专题研制的微型音频生命探测仪，已成功通过相关部门的验收。相比课题 组以往研制的生命探测仪，本微型音频生命探测仪具备如下几个方面的创新点。 (1). 可靠性高、速度快：由于探测小球是通过废墟中的缝隙投入到现场，更 接近被压埋人员，且能实时探测现场各种声音信号，因而可靠性高，速度更快； (2). 覆盖范围广：由于采用了高灵敏度的声响传感器，其探测范围大大增加 了，因而系统所能覆盖的范围也就大大增加； (3). 使用广：根据灾区面积大小，可灵活设置探测小球的数量，以适用不同 的救援场合。 第 2 章 系统总体方案 5 第第 2 章章 系统总体方案系统总体方案 2.1 系统设计思路及工作原理系统设计思路及工作原理 2.1.1 系统设计思路 由于地震现场环境的极度复杂性，救援人员往往不能直接进入或难以进入到 现场去施救。这就严重影响了光学生命探测仪，声波振动生命探测仪的使用。在 某些情形下，这些生命探测仪甚至根本派不上用场。并且，即便救援人员可以携 带相关救援设备进入到地震现场施救，但由于地震后不断发生的余震等次生灾害， 将严重危及到救援人员的自身安全。由此可知，上述生命探测仪在很大程度上已 经不能满足灾后紧急救援的需要。所以完全有必要也必须研制出新的救援设备， 以克服上述各种生命探测仪的致命缺陷。 课题组从以往所研制的生命探测仪出发，总结经验，针对地震现场可能出现 的各种问题，如地震后房屋的倒塌情况、现场的声源特性等等，提出几种可行性 方案，组织相关专家参与方案的讨论与评审，针对专家们提出的各种问题，不断 修改，最后得出了分布式微型音频生命探测系统的思路与方案。首先，该方案中 最大的突破就在于改变了有效信号的传输方式，采用了无线收发系统，将传感器 探测到的信号处理后以无线的方式传送给救援人员，而无需要求救援人员携带救 援设备进入到危机四伏的灾害现场，能有效解决救援人员的自身安全问题。其次， 由于探测小球是通过房屋倒塌后的缝隙投入到现场，这样做的目的可以使探测小 球更接近被困幸存者，能更好的探测被困幸存者发生的呼喊、敲击等声音信号， 从而使系统的可靠性更高，速度也更快。再者，由于投放到现场的探测小球的数 量可根据具体灾害现场的面积而定，灵活性更大，能适用于各种灾害现场的救援 工作，故系统的使用范围也就更广。 2.1.2 系统工作原理 分布式微型音频生命探测系统由探测小球和接收主机两部分组成。 在实际的救援工作中，救援人员首先利用房屋倒塌后废墟中存在的空隙，将 编码后的探测小球通过这些空隙投放到废墟中，并在相应的地面位置做上标记， 然后通过广播的方式告知被困幸存者目前正在进行救援，被困幸存者听到广播后， 通过呼救或者敲击地面发出声音作为回应，该声音信号会被投放到附近的高灵敏 度探测小球拾取，并以无线方式传送到接收主机；接收主机自动判断检测到声音 信号的探测小球编号，并通过用 lcd 显示出来；根据与之对应的地面标记可以确 定被困幸存者的大致位置，搜救人员通过相应的地面标识对被困幸存者实施救援。 成都理工大学硕士学位论文 6 2.2 设计指标设计指标 根据任务书的要求，本系统需达到的技术指标如下。 1).接收机控制距离：可视距离（空旷处）不少于 300m； 2).接收机灵敏度：- 10dbm； 3).探测小球调制方式：fm 方式； 4).探测小球连续工作时间：30 分钟； 5).探测小球覆盖范围：=5 米内的声音信号； 6).探测小球数量：初步定在 16 路且可根据需要增加； 7).适应温度： - 10+50 以上各技术指标均是课题组与四川省地震局有关专家认真分析现有文献资料 并采取实地调查的方式逐步确定的，以期能使研制的探测仪更好地适应地震现场 的紧急救援，使其更实用。 2.3 实施方案实施方案 本系统由探测小球和接收主机两部分组成。考虑到废墟的大小以及探测小球 的灵敏度、发射距离，在一片 300 2 m 的废墟范围内投放 16 个探测小球，每个探 测小球可以拾取声响信号的范围为 5 米。探测小球设计成低成本的一次性设备， 投放后不再回收，且在投放前将每个探测小球的默认载波频率设置为均不一样， 以克服同频干扰。接收主机可正确接收到每个小球发送的信号，根据不同的载波 频率及编码判断并识别出不同小球发送的信号。 图 2- 1 是分布式微型音频生命探测 系统的示意图。 图图 2- 1 分布式微型音频生命探测系统示意图 第 2 章 系统总体方案 7 本系统的原理样机研制主要从以下两个方面展开： l 探测小球设计 l 接收主机设计 分布式微型音频生命探测系统的研制技术路线框图如图 2- 2 所示： 图图 2- 2 分布式微型音频生命探测系统技术路线框图 按照研制任务书的要求以及制定的系统技术路线框图，原理样机设计研究工 作主要包括： l 完成声响信号的提取、前置放大及滤波电路的设计、调试、测试及加工 l 完成声控电路的设计、调试 l 完成声响信号调制发射、接收解调、信号处理电路的设计 l 完成无线传输频率跳变、通道控制的设计 l 完成信号动态显示及处理的接口电路设计 l 完成滤除道间干扰及道间切换电路的设计 l 完成接收主机系统软件设计 本系统的硬件设备分为发射和接收两个部分，发射部分称作探测小球或发端， 主要探测周围环境中的各种声音信号，经过相关处理后通过无线电台发送出去， 并能根据接收端发来的控制命令做出相应的处理。探测小球为一次性设备，投放 后不再回收。接收部分称作接收主机或收端，主要完成接收探测小球发出的有效 信号并做出相应处理以及实现对各探测小球的控制。 探测小球：在一个探测区域，选择适当位置分别投放 16 个（根据实际情况可 改变数目）探测小球，并在投放点上做标记。每个探测小球内置高灵敏度传感器， 把探测到的声音信号实时地通过无线电发送出去。16 个探测小球采用不同的载波 频率，即每路声音信号采用不同的载波频率进行调制。并且可根据需要改变自身 的载波频率以便更好的掌握并判断现场的真实情况。 接收主机：随时对每路信号进行监听。如果某路出现明显的异常声音信号， 接收主机在首次接收到该路信号时，救援人员为了进一步判断该小球所探测到的 声音信号是否为有效信号（确定为被困幸存者所发出的声音信号） ，可迅速向该探 成都理工大学硕士学位论文 8 测小球发送一个改变载波频率的遥控命令，同时也改变自身的接收载波频率，然 后再次监听是否仍存在改变频率之前的异常声音信号，如此反复几次，即可防止 虚报和误报，从而提高了系统的可靠性，同时将该探测小球的编号在 lcd 上予以 显示。救援人员通过相应的地面标识对被困幸存者实施救援。 收发双方采取双工方式进行通信。探测小球平时处于待机状态，以便能长期 工作，一旦小球探测到周围存在有效声音信号时，立即退出待机模式，进入正常 工作模式，将所探测到的声音信号以投放前设置的默认频率发送出去，若正确接 收到主机的控制命令则先改变发送载波频率，再通过调频方式向周围空间发射出 去。主机则主要完成各种控制以及监听探测小球所传来的异常信号。系统采取主 动探测方式，由接收端主动向发端传送指令，要求发端将所探测到的异常信号传 送过来，并且可通过键盘和显示实现友好的人机交互。由于各探测小球的发射频 率均不一样，可有效避免相互之间的频率干扰。又因每个小球均有自身的编号， 主机可根据接收到的信号自动显示出小球的编号，可实现粗略定位。为确定被困 幸存者的较精确位置，需要通过设备实际测试结果和相应的概率统计规律，进行 定位的数学模型和算法的研究，以此获得较高精度的定位效果。主机每次只监听 一路探测小球的信号，由人工选择监听哪路信号，可实现实时监听。接收端以一 定时间间隔人工实行巡检，反复巡检可防止漏报，从而提高了系统在救援中的应 用效率。 第 3 章 系统硬件设计 9 第第 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 探测小球电路设计探测小球电路设计 3.1.1 概述 探测小球是分布式微型音频生命探测系统中的现场音频采集器，是装备研制 过程中的重点。根据设计要求，课题组在实际研制的过程中把探测小球分为以下 几部分进行研制，信号拾取和调理部分、fm 调制部分、fsk 解调部分、控制单元 及 id 号编码部分。探测小球原理框图如图 3- 1 所示。图 3- 2 为探测小球实物图。 图图 3- 1 探测小球原理框图 图图 3- 2 探测小球实物图 3.1.2 信号拾取和调理电路 通过声音信号的预处理及相关调理设计，滤除掉救援现场的干扰噪声，可以 实现清晰的声音信号输入。设计高灵敏度传感器相关电路，最重要的参数就是传 感器的灵敏度和声控电路的响应门限。灵敏度设计过高，将带来大量的干扰噪声， 给声音信号的处理增加很多困难。声控电路的响应门限设计过高将使灵敏度降低， 若灵敏度过低，给有效声音信号的提取增加诸多困难。因此，灵敏度的设计与声 控电路的响应门限的设计是矛盾的两个对立面，故为探测小球的设计难点之一。 声音信号提取及高灵敏度传感器相关电路原理框图如图 3- 3 所示。 成都理工大学硕士学位论文 10 图图 3- 3 声音信号提取及高灵敏度传感器相关电路原理框图 声响传感器：传感器采用高灵敏度的咪头，拾取被困幸存者发出的语音或敲 击信号，将其转换成电信号，并输送至后级电路。咪头的灵敏度将直接影响后级 电路（包括接收电路）的正常工作。因为如果咪头灵敏度过低，也就是说它对声 音信号不敏感，可能导致的结果就是不能正常监测周围的声音信号，在实际应用 中时，就表现为探测不到被困幸存者的呼救声或敲击声，这将给救援工作带来极 大的不便和延误施援时间。鉴于此，应尽量采用灵敏度高的咪头。 放大器：将声响传感器转换而来的微弱电信号进行放大，提高信噪比，选用 功耗低，稳定度好，失真小的放大器。 滤波器：通过预加重电路提高声音信号低频成分的幅度，并抑制超过声音频 率范围的其它信号及干扰，提高有效信号的纯度。 门限电路：在探测小球系统中，为满足低功耗设计要求，设计了此门限电路。 当探测小球周围无异常时，探测小球处于休眠低功耗状态，一旦有异常则立即启 动并进入正常工作状态，所以这个门限电路是用于检测模拟声音信号的峰值而设 计的，相当于探测小球工作状态的判别阀门。前面提到，由于响应门限与灵敏度 的设置是矛盾的两个对立面，在实际的研制过程中，通过多次试验来确定门限值 的范围，使得两者达到最佳状态。调整声控电路闭环设计，使得无异常信号时， 自动回到低功耗状态，并在监测到异常信号时立即切换到正常工作状态。 3.1.3 fm 调制电路 fm 调制采用数字锁相环电路，完成声音信号的调制发射及探测小球 id 号的 编码发送。根据任务书的要求，探测小球通道数量初步定为 16 个通道，发射频率 范围为 fm87.5mhz- fm89.0mhz，每个探测小球在投放到灾害现场前都默认设置 成使用其中的一个发射频率，同时每个探测小球的发射频率可以根据需要随时更 改，以避免广播干扰。 3.1.4 fsk 解调电路 fsk 解调部分，采用数字解码芯片，接收来自主机发送的，发射频率变换等 遥控命令。 遥控命令的发送与接收通道采用的是独立于声音信号发送与接收通道之外的 频率，相互之间不会构成干扰。当救援人员初次监听到某路探测小球的异常信号 第 3 章 系统硬件设计 11 时，为了进一步判断该小球所探测到的声音信号是否为被困幸存者所发出的声音 信号，可迅速向该探测小球发送一个改变载波频率的遥控命令，本 fsk 解调电路 即为接收此遥控命令以改变自身的载波频率。 3.1.5 id 编码电路 id 号编码部分，采用 4 位程控锁相编码芯片，可识别 16 个探测小球 id。 根据任务书要求，每个探测小球都有一个与之相对应的唯一 id 编号，以便救 援人员能根据此编号确定声源位置。 探测小球 id 编号如下所示，只列出 4 个探测小球的情况，其中，探测小球对 应遥控地址 id 是指当救援人员需要改变探测小球的发射载波频率时，由接收主机 向探测小球发送一遥控命令，此遥控命令是传达给该探测小球的，故遥控命令在 传达前需给定目标地址，该地址即为探测小球对应遥控地址。探测小球 id 编号设 置中的 a/b/c/d 是指探测小球硬件中的相关位字段， 探测小球对应遥控地址 id 编 号设置中的 1- 8 是指接收主机硬件中的相关位字段。 (1) 1 号探测小球 1 号探测小球 id 号编码及对应遥控地址 id 号编码设置分别如表 3- 1，表 3- 2 所示。 表表 3- 1 1 号探测小球 id 编号设置 id 号 a 备注 设置 x x x 0 代表接地，x 代表悬空 表表 3- 2 1 号探测小球对应遥控地址 id 编号设置 id 号 1 2 3 4 5 6 7 8 备注 设置 1 0 0 0 0 0 0 0 0 代表接地 1 代表接高 (2) 2 号探测小球 2 号探测小球 id 号编码及对应遥控地址 id 号编码设置分别如表 3- 3，表 3- 4 所示。 表表 3- 3 2 号探测小球 id 编号设置 id 号 a 备注 设置 x 0 x 0 0 代表接地，x 代表悬空 表表 3- 4 2 号探测小球对应遥控地址 id 编号设置 id 号 1 2 3 4 5 6 7 8 备注 设置 0 1 0 0 0 0 0 0 0 代表接地 1 代表接高 成都理工大学硕士学位论文 12 (3) 3 号探测小球 3 号探测小球 id 号编码及对应遥控地址 id 号编码设置分别如表 3- 5，表 3- 6 所示。 表表 3- 5 3 号探测小球 id 编号设置 id 号 a 备注 设置 0 x 0 x 0 代表接地，x 代表悬空 表表 3- 6 3 号探测小球对应遥控地址 id 编号设置 id 号 1 2 3 4 5 6 7 8 备注 设置 0 0 1 0 0 0 0 0 0 代表接地 1 代表接高 (4) 4 号探测小球 4 号探测小球 id 号编码及对应遥控地址 id 号编码设置分别如表 3- 7，表 3- 8 所示。 表表 3- 7 4 号探测小球 id 编号设置 id 号 a 备注 设置 0 x 0 0 0 代表接地，x 代表悬空 表表 3- 8 4 号探测小球对应遥控地址 id 编号设置 id 号 1 2 3 4 5 6 7 8 备注 设置 0 0 0 1 0 0 0 0 0 代表接地 1 代表接高 3.2 接收主机电路设计接收主机电路设计 3.2.1 概述 接收主机主要包括收音和遥控两部分，接收主机采取双工通信进行主动式呼 叫，由接收主机主动向探测小球传送指令，要求探测小球将所探测到的异常信号 传送过来，并且可通过键盘和液晶显示实现友好的人机交互。接收主机主要包括 fm 信号接收、信号调理、功放、fsk 调制以及主控单元、人机交互等电路构成。 接收主机原理框图如图 3- 4 所示。图 3- 5 为接收主机实物图。 第 3 章 系统硬件设计 13 图图 3- 4 接收主机原理框图 图图 3- 5 接收主机实物图 3.2.2 fm 解调电路 fm 解调电路主要采用 tea5767 收音集成模块，实现探测小球发射的声音信 号的接收，以及实现声音信号的解调输出，之后再输送至下一级电路进行相关处 理。tea5767 收音集成模块是一个集高频接收、放大滤波、噪声切除、预设接收 频率等功能于一体的收音集成模块。在接收主机向探测小球发送改变载波频率遥 控命令的同时，也改变了自身的接收载波频率，具体的讲，就是改变了收音集成 模块 tea5767 的接收频率，使其能正确接收到探测小球发射的声音信号。收音频 率点设置如表 3- 9 所示。 表表 3- 9 收音频率点设置表 频率点 十六进制 p5.0- - - p5.7 频率值 使用的频率点编号 f1 0000 0000 00 fm87.5 1 号 f2 0100 0000 40 fm 87.6 2 号 f3 1100 0000 c0 fm 87.7 3 号 f4 0010 0000 20 fm 87.8 4 号 f5 1010 0000 a0 fm 87.9 5 号 f6 0110 0000 60 fm 88.0 6 号 f7 1110 0000 e0 fm 88.1 7 号 成都理工大学硕士学位论文 14 f8 0001 0000 10 fm 88.2 8 号 f9 1001 0000 90 fm 88.3 9 号 f10 0101 0000 50 fm 88.4 10 号 f11 1101 0000 d0 fm 88.5 11 号 f12 0011 0000 30 fm 88.6 12 号 f13 1011 0000 b0 fm 88.7 13 号 f14 0111 0000 70 fm 88.8 14 号 f15 1111 0000 f0 fm 88.9 15 号 f16 1000 0000 80 fm 89.0 16 号 3.2.3 声音信号处理电路 声音信号处理电路包括信号调理、功放等，信号调理主要是对经前面 fm 解 调出来的信号进一步滤波，放大处理以便后端的监听，功放则是再进一步进行声 音的放大，以驱动耳机，便于救援人员对探测小球所发射的异常声音信号进行监 听。 滤波电路采用的是 maxim 公司的开关电容滤波器 max291， 电路图如图 3- 6 所示。滤除声音信号频率之外的信号，以便下级功放电路对其进行驱动。 图图 3- 6 滤波电路 max291 是一款易使用的，八阶低通巴特沃斯开关电容滤波器，其低通截止 频率范围是 0.1hz 至 25khz；实际使用时无需外部电阻或电容，使用方便；低通截 止频率可由内部时钟或外部时钟决定；既可工作在单电源（+5v）下，也可工作在 双电源（5v）下。 功放电路采用的是音频放大器 tda2822， 对滤波后的声音信号进行功率放大， 以驱动耳机，对其进行监听。功放电路如图 3- 7 所示。 第 3 章 系统硬件设计 15 图图 3- 7 功放电路 音频放大器 tda2822 是一个单片集成音频放大器,内部含两个低压功率放大 器,采用 8 引脚的双列直插式塑料封装,专门为便携式单放机和收音机而设计。它具 有极宽的电源电压范围(1.8v12v), 交越失真很小,电路的静态电流很低,有桥接/ 立体式两种配置等特点。 3.2.4 fsk 调制电路 fsk 调制部分，即遥控部分，采用数字编码芯片，向探测小球发送如开机， 机身号显示，发射频率变换等遥控命令。此系统具有 id 地址识别功能，含有独立 的地址 id，此 id 即为探测小球对应遥控地址 id。每个 id 对应着一个探测小球， 可实现对每个探测小球的选择监听及管理。遥控命令的收发通道采用的是独立于 声音信号收发通道之外的频率，相互之间不会构成干扰。当救援人员首次监听到 某路探测小球的异常声音信号时，为了进一步判断该小球所探测到的异常信号是 否为被困幸存者所发出的声音信号，由接收主机向该探测小球发送一个改变载波 频率的遥控命令，本 fsk 调制电路即为发送此遥控命令的硬件实现。 3.2.5 cpu 主控单元