基于STM32控制的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32控制的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個(gè)可移動(dòng)聲源S和3個(gè)聲音接收器A、B、C構(gòu)成。由一片從控STM32單片機(jī)控制無線發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)聲音導(dǎo)引信號的發(fā)送。主控單片機(jī)根據(jù)無線接收模塊所接收到的信息來判斷可移動(dòng)聲源運(yùn)動(dòng)的啟停。

引言
聲音導(dǎo)引系統(tǒng)，主要是靠聲音來完成對機(jī)器的智能控制，既方便又快捷。尤其是環(huán)境比較惡劣、不適合人類停留的地方，可以依靠聲音來控制機(jī)器的正常運(yùn)行。聲音導(dǎo)引系統(tǒng)也是智能化控制的一個(gè)方面，對未來的智能化發(fā)展有較大的促進(jìn)作用，對未來智能機(jī)器人的研究也大有幫助。

1 系統(tǒng)總體方案
如圖1所示，聲音導(dǎo)引系統(tǒng)由1個(gè)可移動(dòng)聲源S，聲音接收器A、B和C構(gòu)成。其中，可移動(dòng)聲源由發(fā)聲模塊和無線接收模塊組成；A、B、C三處各放置一個(gè)聲音接收器。

針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可以采用以下實(shí)現(xiàn)方案：在O點(diǎn)設(shè)置一個(gè)STM32單片機(jī)控制器，作為A、B、C三個(gè)聲音接收器的公共控制器，并通過一個(gè)公共無線發(fā)送模塊向可移動(dòng)聲源發(fā)送反饋信號?？梢苿?dòng)聲源開始運(yùn)動(dòng)并發(fā)出聲音后，聲音接收器A、B和C收到聲音，將聲音信號分別傳送給STM32單片機(jī)，由STM32單片機(jī)判別A、B和C哪個(gè)聲音接收器先接收到該聲音信號。
若聲音接收器B先收到，則不發(fā)送反饋信號給可移動(dòng)聲源。一旦聲音接收器A先收到聲音信號，表明可移動(dòng)聲源已經(jīng)在定位誤差的范圍內(nèi)到達(dá)Ox線，無線發(fā)送模塊立即向可移動(dòng)聲源發(fā)送反饋信號，可移動(dòng)聲源接收到該信號后，立即停止運(yùn)動(dòng)。該方案電路簡單，只需要一套無線收發(fā)系統(tǒng)，因此也節(jié)約了成本。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中，可移動(dòng)聲源由EDC-CarX V1．0-2007．06四驅(qū)版DIY競賽小車、日本NEC電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1、STM32 Cortex-M3系列單片機(jī)、無線接收模塊、天線、蜂鳴器組成；音頻接收模塊、無線發(fā)送模塊、天線組成聲音接收器。

如圖2所示，本系統(tǒng)主要靠無線模塊實(shí)現(xiàn)主從控制器之間的通信，進(jìn)而通過MCU-1來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。由于該系統(tǒng)要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、功耗低、穩(wěn)定性高等，一般的C51單片機(jī)不能滿足要求，綜合考慮選擇ST公司Cortex-M3系列的STM32F1103VE作為主控芯片。該芯片基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。其特點(diǎn)如下：工作時(shí)鐘頻率最高達(dá)到72 MHz；單周期乘法和硬件除法；256～512KB的Flash，高達(dá)64 KB的SRAM；睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種低功耗模式；2通道12位D／A轉(zhuǎn)換器；多達(dá)13個(gè)通信接口；11個(gè)定時(shí)器，可以進(jìn)行輸入捕捉／輸出比較／PWM信號通道和增量編碼輸入。
可移動(dòng)聲源電機(jī)部分由STM32-F103VE、MMC-1和L293芯片驅(qū)動(dòng)，其控制、驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。MMC-1和L293都是直流電機(jī)的控制芯片，這種組合更有利于精確控制。

無線接收模塊電路如圖4所示。SCDRX2DS為無線接收模塊的控制芯片。301是電路的穩(wěn)壓芯片，起到電壓保護(hù)的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分主要分為移動(dòng)聲音模塊和聲音接收模塊。采用ST公司提供的函數(shù)庫進(jìn)行開發(fā)。該函數(shù)庫是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征，以及每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例。通過使用函數(shù)庫，無需深入掌握細(xì)節(jié)，用戶就可以輕松地應(yīng)用外設(shè)，從而大大縮短了用戶的編程時(shí)間，進(jìn)而降低了開發(fā)成本。為了減小開發(fā)難度，本設(shè)計(jì)以引用函數(shù)庫為主，添加自己的用戶程序完成整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分。
3．1 移動(dòng)聲音模塊
本模塊主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)聲音控制器的功能。利用延時(shí)的方法產(chǎn)生高低電平來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生聲源。通過SPI串口和NEC的從控芯片進(jìn)行通信，發(fā)送命令進(jìn)而來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過無線模塊接收的信息先暫存在SPI的緩沖區(qū)中，以備控制命令及時(shí)發(fā)送。發(fā)送的控制命令有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止信號。移動(dòng)聲音模塊控制流程如圖5所示。

3．2 聲音接收模塊
本模塊的功能主要是循環(huán)接收傳感器的信息，根據(jù)3個(gè)接收器傳回聲音的順序不同，來判斷移動(dòng)聲音的位置和運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而將前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)控制命令發(fā)送給移動(dòng)聲源。由于該控制器的采樣頻率要高，因此把主控制器的時(shí)鐘頻率通過PLL調(diào)到最大72 MHz。聲音接收模塊控制流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試
測試儀器包括：100 MHz數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表(型號VICTOR-VC890D)，STM32單片機(jī)開發(fā)板，秒表，卷尺。
用示波器觀測單片機(jī)、MMC-1芯片的輸入／輸出引腳信號波形，用數(shù)字萬用表檢查元件有無虛焊，從而確定對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)情況。
用秒表、卷尺測試小車運(yùn)動(dòng)的平均速度，并量取定位誤差。假設(shè)小車初始位置為S0，小車停止位置為S且SS0與間夾角為α，全程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，S與0x線間距離為d，則小車平均速度為SS0·tan(α／t)。
測試數(shù)據(jù)如表1所列。

結(jié)語
可移動(dòng)聲源開始運(yùn)動(dòng)并發(fā)出聲音，3個(gè)聲音接收器收到來自可移動(dòng)聲源的聲音信號后，立即發(fā)出各自載波頻率的反饋信號給可移動(dòng)聲源?？梢苿?dòng)聲源根據(jù)接收到的不同信號頻率判斷反饋信號的源頭，從而由MCU發(fā)出相應(yīng)控制信號(前進(jìn)、倒退和轉(zhuǎn)彎)，導(dǎo)引可移動(dòng)聲源在定位誤差的范圍內(nèi)。