声音导引系统的设计
声音导引系统的设计
摘要
本项目是基于两块AVR微处理器Atmega64L完成的声音导引系统的设计。它们分别构成上位机和下位机，通过无线NRF905无线模块进行通信。上位机连接3个（A、B、C）声音传感器，下位机安装在移动声源上。首先，由上位机产生控制信号，让下位机发送音频信号；其次，声音接收器将接收到的信号传给上位机进行处理,获得移动声源的当前坐标值；最后,上位机通知移动声源移动到指定坐标。该系统的设计具有功耗低、定位准确（误差1cm以内）、速度快（12cm/s）的优点。
关键词： AVR微处理器 ；声音接收器； 移动声源； 无线模块 ；
一、方案论证和选择
1.系统处理器的选择
方案一：采用AT89C52芯片进行控制，其主要特点是拥有8k字节Flash 闪速储存器，256字节内部RAM，32个I/O口线，三个16位定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统。掉电方式保存RAM中的内容。
方案二：采用FPGA的芯片进行控制。主要特点是可以在FPGA内嵌IP软核，并且通过锁相环方式以较高的频率进行控制，但是如果涉及到完成各种通信模式会显得比较复杂。
方案三： 采用AVR微处理器Atmega64L芯片进行处理。它具有两个独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/计数器 ；两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16位定时器/计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC ；两路8 位PWM 通道，6路编程分辨率从1 到16 位可变的PWM 通道，8路10位ADC， 8个单端通道，7个差分通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道；面向字节的两线接口：可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口； 53个可编程的I/O口。其主要的优点是功耗低，速度快，端口控制方式灵活。
方案三的器件运算速度相对方案一的器件要快，同时，数字运算方式比方案二的器件简单。所以我们选择方案三的AVR微处理器Atmega64L作为处理器芯片。
2.无线传输芯片的选择
方案一 ：选择红外发送和接受芯片作为无线传输的途径。虽然电路简单，但是接收端和发射端的角度要求比较高，如果移动声源在运行过程有使得接收端和发射端信号被阻隔，那么对于信息的传输将是致命的错误。另外，它的数据传输速度和能力也是非常低的。因此它的使用在本项目中会受到限制。
方案二：选择NRF905无线模块作为无线传输的途径。它的工作频段:433/868/915MHz，三频段收发合一，工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz?GMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好，灵敏度高，达到-100dBm?低工作电压（2.7V），功耗小，待机状态仅为1uA，可满足低功耗设备的要求最大发射功率达?+ 10dBm?具有多个频道(最多170个以上)，特别满足需要多信道工作的特殊场合工作速率最高可达76.8Kbps?，外围元件最少（仅10个），基本无需调试。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米。最重要的一点，它不存信息传输被隔断的缺点。
由上可见，选择NRF905无线模块比红外发送和接受芯片具有很好的信息传输稳定性、快速性和低功耗的优点。
3.电机的选择
方案一:步进电机作为移动声源（有声源的小车）的动力电机。它的优点是根据路径需要缺点电机需要的脉冲数，这样的控制会比较准确。缺点是速度太慢，不太符合项目对速度的要求。
方案二：直流电机作为移动声源（有声源的小车）的动力电机。它的优点是运行速度快而且控制比较准确。缺点是速度会受到供电电压的影响。供电电压高，运行速度快；供电电压低，运行速度慢。如果在设计的时候采用稳压电源进行控制，那么就可以将这个缺点克服。
由上可见，选择直流电机比选择步进电机具有较大优势，在本项目中使用的是直流电机。
4.声音引导控制方案的选择
方案一:整个设计将分成两个阶段。
（一阶段）声源（下位机）发送声音信号→声音接收器接收信号→上位机获得A、B点的信号差→上位机发送信号给下位机运动的方式→小车运行固定时间停下→下位机重新发送声音信号→……→直到声音上位机获得A、B点的信号时间差相等，小车停下（到达OX线）10S→（二阶段）小车旋转90度→声源（下位机）发送声音信号→声音接收器接收信号→上位机获得A、C点的信号差→上位机发送信号给下位机运动的方式→小车运行固定时间停下→下位机重新发送声音信号→……→直到声音上位机获得A、C点的信号时间差相等，小车停下（到达M点）。
它的缺点是声音信号的干扰比较大，系统响应占用的时间比较长，引入误差的次数较多。
方案二:整个设计只有两步。
第一步：当上位机给下位机发送“发射”指令时，下位机发送音频信号。三个声音接收器将会在相应的时间内接收到声音信号（声音在空气中的传播速度约为340m/s）。经过一次或多次测量，上位机根据这些时间值，可以计算出可移动声源距声音接收器的距离，从而可以准确获得移动声源的坐标位置，从而建立一个平面坐标系统（OX线和M点均在内），计算出可移动声源的运动距离及是否完成任务，再给下位机电机发送准确的运动信息。
第二步：下位机收到信号后，如果是移动命令，则按照所给的数据运行相应的距离，再给上位机传送移动完成，再次检测命令；如果是已经到达OX轴命令，则可移动声源在OX轴停留5~10S，同时发出声音提示；如果是转动命令，则按命令旋转90度；最后可移动声源按要求完成任务。
第二个方案相对第一个方案的优点是控制相对简单，同时系统指令运行时间较短，可以提供更多的时间给电机的准确运行；另外系统声音接收器可以减少来自其它声源的干扰。
二、硬件电路的设计
根据设计的要求，系统的硬件主要包括两个大的部分。上位机部分和下位机部分。
上位机的硬件组成
上位机主要完成包括的硬件框图如图1.1所示
图1.1 上位机组成框图
主要功能是：主机首先通过无线发射接收模块命令下位机发射音频信号；当三个声音接收器收到信号后，陆续传送到主机。主机将根据这些信号判断当前移动声源的位置，并将该位置坐标数据传送到那液晶显示器进行显示。同时，再一次发送无线数据通知与下位机连接在一起的小车上直流电机的工作方式和工作状态，从而控制移动声源向目的地移动。
下位机的硬件组成。
下位机主要完成包括的硬件框图如图1.2所示
图1.2下位机组成框图
主要功能：当下位机的主机收到上位机的“发射”信号后，发送一个由单片机生成3KHZ左右的方波信号，通过喇叭传后送出去。当上位机发送了电机的控制指令后，由无线发射接收模块接收该信号并转为下位机控制电机运行的各项指令。
三、系统软件的设计
1.上位机的软件流程
根据前面对上位机硬件组成的描述，上位机的软件设计主要包括以下两个部分。（限于篇幅，上位机的其它程序流程图不介绍了）
1）无线接收发送模块的流程控制图。如图1.3所示。
图1.3 无线接收发送模块的流程控制图
2）移动声源坐标获得的流程控制图。如图1.4所示。
图1.4 移动声源坐标获得的流程控制图
2.下位机的软件流程
根据前面对下位机硬件组成的描述，下位机的软件设计主要包括直流电机的控制流程图。如图1.6所示。（限于篇幅，下位机的其它程序流程图不介绍了）
图1.5 直流电机的控制流程图
四、实际测试
1.测试设备
秒表（精度0.01S）、2.5米卷尺（精度0.001M）
2.测试结果
在按照项目要求布置好三个声音接收器后（它们与上位机均相连），随机将移动声源放置在OX线的右侧进行测量。
基本部分测试结果。如表1.1所示。
表1.1 基本部分测试结果
注：
1.本系统建立的坐标系统是以A点为原点，AB为X轴,AC为Y轴
2.此时的终点指的是移动声源运动到OX线停下时的坐标值。
如表所示，该项目的基本部分得到了数据上很好的验证。
首先，移动声源的速度在整个运动平面是不一样的，当水平距离大于90cm时小车整个运行速度会相对变快，因为此时小车定位所需要的时间占用比相对较少一些。从表中可以看出，在移动声源运行的有效范围内，移动的平均速度可以达到10cm/s。
其次，移动声源在运行过程中，定位标志线均没有超过Ox线左侧2cm，与OX轴的误差不超过1cm。
最后，由于采用了低功耗高性能的AVR处理器和电机及无线接发收芯片，使得系统的功耗低、性能却很好。
发挥部分测试结果。如表1.2所示。
表1.2 发挥部分测试结果
注：
1.本系统建立的坐标系统是以A点为原点，AB为X轴,AC为Y轴
2.此时的响应时间t2指的是移动声源从起始点运动到OX轴后再一次运行到终点M所用的时间，终点Y坐标指的是声源运动到M点停下时的Y坐标值。平均速度v2指的是整个起点到终点的平均速度。平均速度v2指的是移动声源从响应时间t2中扣除声源原地旋转所需要的1秒时间后走到M点的速度。
如表所示，该项目的发挥部分得到了数据上很好的验证。
首先，移动声源t2时间段里的速度随着路径的增加速度会有一些变化，并不是常值。如果单独看v2’还是基本能够满足项目的要求的。
其次，移动声源也可以转向180度工作；定位误差小于1cm；没有超Ox线左侧2cm的情况出现，有声光显示。
最后，在移动到Ox线上后，可移动声源在原地能够停止5.6s左右。说明系统的设计是成功的。
3）移动声源有效测试区域：OX右侧1.2米以内。
3.测试中出现的问题及解决方法
1）在调试小车的过程中，小车在直线移动过程中存在跑偏的问题，经过分析，问题在于NEC提供的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）输出脉冲宽度不一样导致的。经过分析，我们改变了它的触发方式，最终解决了该问题。
2）在调试小车的过程中，小车在运行过程到目的地时会有定位偏差，解决的方法是增加对距离探测的次数。这样虽然解决了大部分误差，但是由于还有引起误差产生的诸多原因，仍然会有较少的误差不能完全克服，而且会随着精度的提高减慢系统的运行速度以及减少系统的抗干扰能力。
3）在调试小车的过程中，小车起始点远距离的声音引导系统也遇到了一些问题。一方面，是由于声音信号衰减使得声音接收器不能正常工作，另一方面，整个系统测量误差随着距离的增加而加大了。因此，在测试过程中，移动声源只能处于一个有限的范围进行测试，本项目中为距离OA线右侧1.2米左右，另外通过各种补偿方式减少系统的误差。
五、结束语
从设计开始到结束，经历了从模块到整机的调试过程。每一个方案的确定都需要平时知识的积累，特别是对新器件、新通信模式的学习。AVR单片机的成功应用，也说明当今微处理技术的迅猛发展对当今电类大学生的要求越来越高了。声音引导系统的完成给小车的控制方式提供了新的思路和结局方案。
附 录
1.上位机控制部分电路原理图
2.声源检测模块电路原理图
3.可移动声源电路原理图
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