…………………………一皇 蕴 一 Ｊ 基于革片讥的声音定位系统的设计 西华师范大学物理与电子信息学院 陆晓燕 【摘要】声音定位技术利用声学与电子装备，接收声波来确定声响模块具体位置的一种技术，它是一种重要的军事侦察手段，同时在其他方面也有广泛的应用。 本系统采用低功耗ＭＳＰ４３０单片机作为控制器，控制整个声音定位系统的协调工作，在一块平板上贴一张坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模块， 通过驻极体话筒检测音频信号，然后声音接收模块将声音信号传送至信息处理模块，判定声响模块所在的位置的ｘ、Ｙ坐标，并以数字形式在液晶上显示ｘ、Ｙ坐标 值。 【关键词】低功耗ＭＳＰ４３０单片机；声音定位；声音接收模块；声响模块 １．声音定位系统发展现状 声音定位在人的日常生活中着重要意 义。例如，当你独自行走时，突然听到一个 响声．你会想到这个声音什么意思，对你有 无威胁，它来自何方等等。确定声音的方向 和距离需要比较来自两耳信息，然后做出对 比判断和反应。 声音定位技术利用声学与电子装备接收 声波来确定声响模块具体位置的一种技术， 它是一种重要的军事侦察手段，产生于第一 次世界大战。开始根据火炮发出的声音测定 火炮位置。其系统有多个声测哨站与声测中 心组成，两者用电缆连接。声测哨站根据传 感器接受信号，声测中心记录信号并根据同 一信号到达不同传感器的时间差计算火炮位 置。 声音定位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 图１声音定位系统结构示意图 图２声音定位系统坐标示意图 中，更好地为耳障患者服务等。 ２．本系统的功能 本声音定位系统，在一块不大于ｌｍ２的 平板上贴一张５００ｒａｍ×３５０ｒａｍ的坐标纸，在其 四角外侧分别固定安装一个声音接收模块， 声音接收模块通过导线将声音信号传输到信 息处理模块，声音定位系统根据声响模块通 过空气传播到各声音接收模块的声音信号， 判定声响模块所在的位置坐标。 ３．系统总体设计方案 根据设计的基本要求，为完成相应功 能，本设计提出的方案如图１所示。整个系 统划分为以下几个基本模块：电源模块、 Ｍｓｐ４３Ｏｇ２５５３小系统、声响模块、声音接收 模块、信息处理模块、显示模块。 控制器模块采用ＴＩ公司的两片低功耗 ＭＳＰ４３０单片机作为主辅控制芯片。ＭＳＰ４３０单 片机工作频率高，功耗低，有大量的寄存器 以及片内数据存储器可参加多种运算，并且 ＭｓＰ４３Ｏｇ２５５３小系统简单，可以很方便的做 ｉ／ｏ口扩展，节约了资源。 声响模块用Ｍｓｐ４３０ｇ２５５３单片机做声响 模块。用Ｍｓｐ４３０ｇ２５５３单片机产生一个较稳 定的５００ＨＺ的方波信号，经三极管驱动后， 送入高精度电子扬声器发声。这样做出的声 响模块既简单，使用又方便，并且能够得到 比较稳定的基波频率为５００ＨＺ的声音信号。 此外，它还具备功耗小的特点。 声音接收模块用驻极体话筒拾音后， 接基本的三极管９０１２、９０１３￣ＩＪＬＭ３３９。由基 本三级管组成的电路可以自由控制放大基本 参数和能量原理，并且，在其中直接融入滤 波，配合示波器调试，可对每一级信号情况 进行细调和控制。声音接收模块首先将接收 到的微弱声音信号通过两级放大器放大。同 时，通过改变的其中耦合电容和加入输出回 路负载电容，滤除声源过来的高次谐波和杂 波，并放行５００ＨＺ左右一定带宽范围内的谐 波。最后用ＬＭ３３９对发大输出的波形进行比 较输出，其中声源过来的５００ｈｚ信号引起的 震动将比较大，而其它频率或拾音器拾得的 电信号的高次谐波却被滤除的基本忽略。所 以，只需调节最终极比较端的参考电平达到 一合理值，那么当声音到达拾音器引起震荡 时既能及时输出一方波下降沿，通过判断此 下降沿来判断是否有声音到达拾音器。 信息处理模块根据接收到的声音传输 时间差来对声响模块定位。声响模块发出的 声音传到不同的接收器时间不同，根据不同 的接收时间进行定时计数，做差值，可以判 断出声响模块距离不同声音接收模块的位置 差，从而确定出声响模块的具体位置坐标。 （ｉ）数据处理模块原理分析 开始计时，当话筒接收到扬声器发来 的音频信号，就通过拾音电路将第一个下降 沿传送至单片机Ｍｓｐ４３０Ｆ１４９信息处理模块处 理，从而通过中断初始化并开始计时。并通 过Ｍｓｐ４３０Ｆ１４９捕获模块判断其它路声音到达 后与第一路声音间的时间差，后续处理程序 计算，来判定声响模块所在的位置的Ｘ、Ｙ坐 标。 （２）数据处理模块计算 当前声响模块的位置Ｓ，如图３所示。 设ｓ的坐标为（ｘ，Ｙ），设Ｓ点到Ａ点的距离为 ＳＡ，到Ｂ点距离为ＳＢ，Ｎｃ点距离为ｓｃ，当声 响模块发声时，Ａ、Ｂ、Ｃ三点会根据ｓ点的位 置按一定先后顺序收到声音信号，比如图中 Ａ点先收到，设Ａ接收模块和Ｂ接收模块的时 间差为Ｔ１，Ａ和ｃ之间接收的时间差为Ｔ２，根 据三角形余弦定理可得：（已知声音在空气 中的传播速度为Ｖ＝３４０ｍ／ｓ） 船 ： ＋ＡＢ 一２ＸＸ＊ＡＢｃｏｓ（Ｏ） （１） ｃ ＝．ｓ ＋ＡＣ 一２ＳＡ＊ＡＣｃｏｓ（９０。 １ （２） ＳＢ＝ｓＡ＋Ｔ１ ｖ （３） ＳＣ＝ＳＡ＋Ｔ２＊Ｖ （４） Ｘ＝ＳＡｃｏｓ０ （５） Ｙ＝ＳＡｓｉｎ０ （６） 由上述（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、 （６）式用ＭＡＴＬＡＢ可解得ＳＡ、ｘ、Ｙ的代数式如 下所示： ＳＡ：（一６＋ ｉ： ）／２口 其中：ａ＝ｌ一（Ｖ＊Ｔ１） ／６００ 一（Ｖ，Ｔ２） ／４５０。， ｂ＝［６００ 一（Ｖ＊Ｔ １） ］ Ｖ Ｔ １／６００ ＋［４５０ ２ （Ｖ＇Ｔ２） ］￣Ｖ，Ｔ２／４５０２， Ｃ＝一［（（６０Ｏ－Ｖ＊Ｔ１）／１２００） ＋（（４５０一 Ｖ，Ｔ２）／９００） ］； Ｘ＝（６００ 一２ａｂ—ｂ ／１２００—５０， Ｙ＝（４５０ 一２ａｃ—Ｃ ）／９００—５０： 显示模块用液晶显示。液晶显示屏显 示看起来清晰，又具有低功耗，抗干扰能 电早世界 一１９— Ｉ 一皇 技 ……………………一 ４９ ９热敏型红外探测站设备常发故障原因分析及处理 沈阳铁路局科学技术研究所 陈 钢 【摘要】车辆轴温智能探测系统 ｝ＩＤＳ）是保障铁路货车运行安全的重要手段，而真正要发挥ＴＨＤＳ系统防燃灭切的作用，保｜止探测站设备正常琏行是关键 如俺在 故障发生后尽快恢复设备，避免故障扩大，值得深入思考。我局ＴＨＤＳ设备构成中，４９９热敏型占绝大部分。笔者结合从事红外维修工作经验，分析了较为常见 的 ４９９热敏型红外线设备的故障处理，并就减少设备故障提出自己想法，仅供参考。 【关键词】磁钢；探头；通迅；无线；黑体；定标；月检 一、简介 动，再检查磁钢板，ｎ丁通过动态过车检盘或 静态（信号发生器进行检查），后调整。Ｆ三 路可调式输入电阻，以不多轴、不漏轴为原 则，最后检查主机板以及信号防雷单元、各 干扰源，调整门限电阻至５—６Ｋ左右。 常时输｝Ｈ ｌｖ，误芹范 ±０．５Ｖ，此故障吱时 ４９９热敏型红外探测站设备主要有电 源、主机、磁钢、探头、控制、通信、无线 发射等部分组成，其中计轴计辆由磁钢系统 成，探头保护门、校零风机控制由控制系统 进行检测，应检查探头、校零电压，排除则 更换探头。 （４）探头板故障。４９９系统灾时监测探 完成，轴温信号采集与处理由探头系统完 部连线、以上都排除时，查看磁钢是否存在 头板基准电压２．４８５Ｖ，误差范围±０．５Ｖ，此 完成，通信及数据传输由通讯系统完成，动 （２）丢车故障。排除通信系统故障的 态检测通信由无线发射系统完成，主机系统 情况 ，其可能的原因是开关门磁钢不能机 头板、通讯板、控制板等的控制和管理。 二、常见故障类型及处理 根据以往工作，笔者将探测站存在的 故障分为五大类： １．电源系统故障 （１）雷击。检查探测站电源防雷箱空 开关磁钢）检查磁钢是否正常，排除后再检 查磁钢板、丰机板、Ａ／Ｄ板等。 （３）轴距偏大或偏小。调整方法比较 简单，偏大调大磁钢距离，反之亦然，调整 后通过报文检查结果，不理想继续调整。 （４）异常复位，磁钢干扰、反向来车 等弓Ｉ起。 ：３．探头系统故障 故障实时进行检测，应检奁探头电源，排除 则更换Ａ／Ｄ板。 （５）保护门 开或小父。 护门的除 制探头器件的漂移。此故障 从探测波形可 以看出，若保护门不开，则波形为直线；若 保护¨ 关，波形起点不在零点。此故障由 系统内部软件按照设定算法随车进行检测， 主要原因在于机械、控制两部分。应依次检 查保护¨电机轴承是否存在卡滞，保护门电 压、探头箱内控制电缆及连线等 （６） 箱温故障。此故障由系统内部 是以ＳＴＤ总线为标准，ＣＰＵ完成对磁钢板、探 牟，可模拟过车（用金属物体依次连续击划 对探头进仃防护外，更为关键的是作 是抑 开是否跳断或有电压输出，板件外观状态可 知。 软件按照改定算法随乍进行检测，排除氏气 是否正常，不正常则板坏，重点检查Ｉ ｃｗ 数据。先检查Ａ／Ｄ板中３２点采样芯片是否损 因素，主要是ＡＤ５９０管脚短路或损坏，风机 卅 良，探头板坏等，逐一 系列ｉ端稳压管、整流桥、滤波电容等。若 坏，更换后接车试验，排除后检查各部连线 坏及各部连线接触＿正常再检查各电压是否在正常范围内，其 是否良好。 检查或更换可恢复。 （２）直流电源故障。观察指尔灯工作 （１）过车正常而主机没有采集到任何 技术指标正常范围为＋５Ｖ＋０．２Ｖ，５Ｖ±０．２Ｖ， （２）探头无输出或幅值低故障。 （７）两侧均值差别大。如［１人１－ ‘ ±１２Ｖ±０．５Ｖ， （探头系统电压后文加以说 此故障若单侧发生，则应首先检 明），排除以上可能时，再查电源箱内部及 保护门是否存在卡滞，动作电压是否正常 连线是否可靠。 流电压允差一２Ｏ％～＋ｌ５％，配电箱以外故障都 （入：＋３ＯＶ～＋３２Ｖ，出：＋２８Ｖ～＋３ＯＶ）， 侧阳光照射， ‘侧迎风背阴则会出现此故 障。 先要排除阳光因索影响，查看该探测 站曰仅报文并对比，夜晚此故障仍然出现则 说明政备存在问题。依次检查保护门、探头 输出是否正常，进行探、头温度、角恒定标， 不合格则更换，仍末解决则更换探头板 ４通讯系统故障（不化乍） （１） 复设备运行。 （２）通道质量差。｛ｌｌ除ｊ．ｊ＝奎 ｒ ＆ 、停电、死机影响，及叫恢 （３）交流电源故障。红规要求２２０Ｖ交 控制板是否动作，可模拟过车或通过拨码 开关检查，排除后榆查再检查探头电源 由电力部门处理，查明确属配电箱至室内线 （±２ ０Ｖ±２Ｖ，超范刚则报电源故障）以 路存在问题（漏电或断路等），则需更换或 及校零指标（入：６Ｖ±ｌＶ，出：６Ｖ±ｌＶ）及 进行其他处理。 ２．磁钢系统故障 噪声。以上排除后检查该侧探头系统连线和 插头，最后检查探点是否偏移，重新进行定 标。 此故障若双侧发生，则应检查保护门 （３）探头静态故障。探头静态校零正 耗也没有超过２００ｍＷ。 路声音接收模块将 频率为５００ＨＺ左右的信号传送至信息处理模 （１）丢辆、丢轴故障。这种故障较为 典型，可引起误报或漏报热轴。首先应排除 值、绝缘、噪声等指标是否正常，有无松 串¨扳干ｕ数化板指示 ’状态，若各灯 突替 闪烁则检查信号防雷通信模块以及连线有无 短路、断路，排除后用听筒或用电平表、毫 【３】高茜祥全困大学生电子设１十竞赛培Ｉ川乐列教程 ＩＭ】电｝【业出版利 ，２０（１７ 车速过低或站外停车等影响，检查各磁钢阻 以及探头电源电压、控制板、探头板等。 力强等特点，而且外接电路简单。 （３）硬件电路制作 按照上述分析，就可以制作出所需要 ４】曹国华单片机原理及接口技术（第二版）ｆＭ Ｊ安 块，通过精确的算法能够定声响模块所在位 ｌ西安电子科技大学出版社，２００７，１２ 的各模块电路，并且用ｃ语言编写程序代 置的Ｘ、Ｙ坐标，并在液晶上显示坐标。码。 ５潭浩强．Ｃ语言程序设计（第二版）【Ｍ 北鼠：清华大学 （４）测试 参考文献 出版社，２０００ 测试结果表明，该系统能够完成基本 要求，每按键…次发声…次，声音信号的 频率能够稳定在５００ＨＺ左右，声音持续时间 约为１Ｓ。声响模块采用３Ｖ以下电池供电，功 一［１】陈益如，王博，邬杨波．基于声音导引的声源定位系 【６ Ｊ杨颂花数字电子技术基础（弟 版 Ｍｊ曲安ｌ 于 科技大学出版社，２００９ 统设计Ｕ】．工业控制计算机，２０１Ｏ，２３（１０）：１０１—１０４ ［２］沈建华，杨艳琴．ＭＳＰ４３０￣列１６５超低功耗单片机 原理与实践ＩＭ】北京：航空航天大学出版社，２００８． Ｉ７】童诗白，华成筵模拟电子技术基础（第删版）ＩＭｌ商 等教自出版社，２００６ ２（）一屯子世界
