2012TI电子设计大赛陕西D题报告

2012年陕西省第三届大学生德州仪器（TI）

杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛设计报告封面参赛队编号（参赛学校填写）学校;犒号组（队）编号选题编号0433参赛队编号（参赛学校填写）学校;犒号组（队）编号选题编号0433D本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；“参赛队编号"由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制的学校编码填写；“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，本科组数字编排范围（01-50）,高职高专组数字编排范围（从60开始顺延）;“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写。例如:“0206B”或“2862F”。本页允许各参赛学校复印。系统方案设计本设计是由声响模块，声音接收模块和信息处理模块组成。声响模块由555构成的单稳态触发器产生Is的定时，使555振荡器产生Is的500Hz的方波信号；4个固定的话筒接收声音信号，经驱动放大和选频以及最后的波形变换产生非负电平信号，接收模块经麦克风接收后经过带通滤波器选频网络，运放，和施密特触发电路后连接到信息处理模块：在信息处理模块根据归一化方形定位算法得出坐标值。系统框图如图1所示。系统总体框图1伯心处理模块声音接收模块系统总体框图1伯心处理模块声音接收模块各模块方案选择与论证2.1响声模块方案的选择和电路设计方案一：使用晶振作为信号产生源，晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。用分频器将晶振的频率分频产生500Hz,电路精度要求较高，但电路连接复杂。方案二：555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。使用555震荡器产生500Hz方波信号，不用分频，且555芯片消耗功率小，所需电压可为3V,产生的频率很稳定。拟选择选用方案二：根据题目要求，由于555工作可靠、使用方便、价格低廉为了保证后续关键环节能顺利完成，此处采用方案二。图31秒信号产生电路图4声响模块输出电路2.图31秒信号产生电路图4声响模块输出电路方案一：LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20,透过pin1和pin8位间电容的搭配，增益最高可达200.方案二：0P07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。这种低失调、高开环增益的特性使得0P07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。方案三：用同相比例运算放大电路串联组成的前置放大电路，电阻的选择应注意电阻的精度，要求选配精度尽可能高，最好选用高精度电阻，但这种电阻价格较贵，在此选用LM386作为前置放大，0P0「作为后置放大电路，因为这两种电路结构简单，对外围元件参数要求低。图5接收模块总体电路框图图6接收模块电路2.3信息处理模块方案选择与设计方案一：选用FPGA,即用74LS161作为定时计数器产生标准时间数据，通过4片74LS373和74LS253作为标准时间数据的锁存和选通进入单片机进行处理。该方案电路规模大且不易调试，生成芯片成本高。方案二：用单片机内部的计时器B和捕获模式通过软件来控制伪时间的产生,锁存与处理。此方案只用一片MSP430F149作为控制芯片编程控制信号读取处理。在此选方案二，此方案费用小，调试简单，电路体积小，符合精简要求。

信息处理模块算法及程序设计(1)算法本设计用归一化方形定位方法，四个换能器置于(1,1)、(-1,本设计用归一化方形定位方法，四个换能器置于(1,1)、(-1,1)、(-1,-1)和(1,-1)的位置上(如图示)。V为声速，tl为源传播到换能器1的时间，△tz、At3和At4分别为声波传播到换能器1与2、3和4之间的时差。那么声发射源应该位于分别以换能器1、2、3、4为圆心，以Vti、V(tl+At2)、V(tl+AtJ、V(tl+At4)为半径四个圆的交点上。四个圆的交点只有一个，即唯一解。信号源的位置坐标应满足下述四个圆方程:(x一1)2+(y一1)2=V2ti2(x+l)2+(y-l)M2(tl+At2)2(x+l)2+(y+l)2=V2(tl+E(x-)+(y+l)M2(tl+"解上述方程组：-402V2At，2A=-4-42V"At3=32V"(Ati-At3+At2)0-42V2At4-V2At2202V2At2Ax=-V2At32-42V2At3=8V*AtAx=-V2At32-42V2At3-V2At42-42V2At,-4-V2At222V2At2Ay=-4-V2At322V2At30-V2Ati22V2At4=8V1At1(At32-At3At4-At22+At,At2)X二竺Xv4&2(At2At4&2Atg+△《—At4)4v2(At4-At3+%)YAyv?&4(At|-&3&4-At2&3-At^+&2&4)△4v2(At4-At3+At2)由此可见，X与y的解结构一样，匀称易于记忆。速度由换能器1和2测出，从换能器1到2的声波到达时差为△tp那么，令N=l/At12,则v=2/At12=2N.若换能器位置的实际坐标为(L,L)、(-L,L)、(-L,-L)、(L,-L),那么源坐标应再乘以L,即为Y_n2L&2(At2&4_At2Atg+△《—△《)A△tq—&3+&2N?LAt4(△《—At3屋4—At2At3_At^+At2At4)=At4-At3+&2上面的算法可以确定X,Y的坐标，但这坐标是坐标系平移到坐标纸中心位置后的坐标系中的坐标值，X坐标应减去量250mm,Y坐标值应减去175mm。(2)程序初化时统系钟义定义模式单片机部分程序主要实现的功能是，蜂鸣器不断发出声波，根据接收模块通过无线接收器传来的处理信号，进行捕获处理，根据时间差，运用归一化正方形阵定位方法计算出坐标并显示在液晶屏上。四个声音接收模块分别为1,2,3,4将其输出端与MSP430F149的P4.1,P4.2,P4.3,P4.4各I/O口相接，这些口设为输入方式，计时器B工作在捕获模式，捕获四个I/O口的上升沿，送入到单片机内进行处理。计声标源坐显示计算时间差图8程序流程图测试方案与测试结果1测试方法与仪器（1）测试仪器秒表1米卷尺4位半（以上）数字多用表（2）测试方法测试方法：设定目标位置坐标，分别为有代表性的位置，当系统达到稳态时,观察并记录坐标的显示数据并计算误差误差；4.2测试数据序号实际坐标（x,y）显示坐标（x,y）误差（mm）1(250,175)(257,170)(7,-5)2(0,0)(4,7)(4,7)3(127,310)(123,301)(-4,-9)4(456,140)(450,149)(-6,9)5(270,320)(269,310)(T,-10)4.3测试结果分析通过测试结果分析，系统总体性能己达到设计要求。液晶能够顺利显示声源坐标，误差在允许范围内。可移动声源，功耗低，性价比较高。声源运动的误差主要来源于测试环境和程序算法中的有关参数的误差。声音在不同的环境中传播速度是有一定的偏差的。测试环境的不同，造成声音传播速率有小的误差。另外测试环境中可能存在干扰的声音信号，造成声源控制的偏差。在调试中测定，免不了引进误差，还可能在使用中被放大。结束语实现一个声源定位系统是本设计的目的。在算法研充比较充分的基础上，设计系统结构，实现声源定位。本文对传声器阵列声源定位系统进行了系统的研究,主要工作如下：（1）介绍了声源定位方法，总结归纳了基于时间差的定位方法的优缺点。（2）设计并实现了可连续定位并显示运动轨迹的声源定位系统。详细介绍了系统结构，给出了实验结果。着重介绍了基于时间差的定位方法。讨论了以上定位方法的凡何模型、数据采集、算法生成和定位。相对而言，基于时间差的定位方法运算量较大，但是在时间差估计有一定误差时，也能比较精确地定位。在此次设计中，我们每个模块尝试了多种实现方案，最后的定型，是在大量实际测量的基础上得到的。比如我们的声响模块的音频放大倍数，经过多次增加才使麦克风能够接收到声音信号。在软件设计中，液晶屏的显示由于液晶的最大运行频率小于8000Hz,而我们在软件中设定主时钟为1MHz,使液晶屏不能正确显示坐标数字，改变主时钟为4000Hz,后可正确显示数字坐标。

R寸^2./***************************************************程序功能：声音定位系统测试说明：观察液晶显示声源位置****************************************************/#include<msp430xl4x.h>#include,,Cryl2864.hninclude”Cryl2864.c”〃定义声速常量#definev345〃定义声速常量//typedefunsignedcharuchar;//typedefunsignedintuint;uintxzy;〃声源位置值ucharshuzi[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};〃显示0~9constucharzhil[]={”x=”};constucharzhi2[]={,,y=n);constucharzhi3[]={"mm”};ucharresult[3]={0};charflagb[4]={0};〃第一个上升沿标志函数staticucharflag=0;staticucharcnt=0;**********************************函数功能：将x,y的值化成十进制用于液晶显示*****************************************voidzhuanhuan(unsignedchardata)(result[0]=data/100;result[l]=data%100/10;result[2]=data%10;*******************************函数功能：计算x,y的值*/*************************************/voidjisuan(unsignedchard2,unsignedchard3,unsignedchard4)longfl,f2,f3,f4;fl=d3*(d3-d2);f2=d4*(d4-d2);f3=v*v*d2*(fl・f2);f4=1200*(d2+d4-d3);x=f3/f4+300;fl=d2*(d4-d2);f2=d3*(d4-d3);f3=v*v*d4*(fl-f2);f4=300«2-300;y=f3/f4+225;)/******************************函数功能：判断第一个上升沿***********************************/voidflagl(void)if(flag==0&&TBIV==0X02)(flag=l;flagb[O]=l;TBCTL=MC_0;TBR=0;TBCTL=MC_2;}if(flag==0&&TBIV==0X04)(flag=l;flagb[l]=l;TBCTL=MC_0;TBR=0;TBCTL=MC_2;}if(flag==0&&TBIV==0X06)(flag=l;flagb[2]=l;TBCTL=MC_0;TBR=0;TBCTL=MC_2;}if(flag==0&&TBIV==0X08)(flag=l;flagb[3]=l;TBCTL=MC_0;TBR=0;TBCTL=MC_2;})

****************************************函数功能：转化以右上角的麦克风为参考点时间差值*************************************************voidtrans()(flagb[l]=flagb[l]-flagb[O];flagb[2]=flagb[2]-flagb[0];flagb[3]=flagb[3]-flagb[0];****************************函数功能：显示声源位置*/*********************************voiddisplay()(uchari;*/jisuan(flagb[l]zflagb[2]zflagb[3]);zhuanhuan(x);Write_Cmd(0x81);for(i=0;i<3;i++)(Write_Data(shuzi[result[i]]);}zhuanhuan(y);Write_Cmd(0x85);for(i=0;i<3;i++)(Write_Data(shuzi[result[i]]);})voidmain(void)(inti;WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗/*下面六行程序关闭所有的1011*/P1DIR=OXFF;P10UT=OXFF;P2DIR=0XFF;P2OUT=0XFF;P3DIR=0XFF;P3OUT=0XFF;P4DIR=0XFF;P4OUT=0XFF;P5DIR=0XFF;P5OUT=0XFF;P6DIR=0XFF;P6OUT=0XFF;/*------选择系统主时钟为8MHz——♦/BCSCTL1&=-XT20FF;〃打开XT2高频晶体振荡器

doIFG1&=-OFIFG;〃清除晶振失败标志for(i=OxFF;i>0;i-)；〃等待8MHz晶体起振}while((IFG1&OFIFG));BCSCTL2|=SELM_2+SELS+DIVM_3;//MCLK和SMCLK选择高频晶振P4DIR=0xel;〃选择p4.l“p4.4为输入P4SEL=0Xle;〃定时器B初始化TBCTL=TBSSEL_2+TBCLR+MC_2;〃SCLK,清除TARTBCCTL4=CM_l+CCIS_0+SCS+CAP+CCIE;〃工作在上升沿，CCIXA输入同