基于C51单片机的声学换能基阵指向性研究

基于C51单片机的声学换能基阵指向性研究
刘炜1，陆兴华2
（1.广州番禺职业技术学院，广州511483；2.广东工业大学华立学院，广州511325）
摘要：声学换能基阵数据的指向性分析和算法研究是进行声通信和换能器设计的重要基础性工作。

提出采用C51单片机D/A 转换设计，基于单片机的D/A 转换功能，把采集的声信号转换为计算机能识别的电信号，结合相关的波束形成和波束指向性分析等算法，实现目标识别和检测的目的。

提出一种采用C51单片机DA 转换的声学换能基阵指向性分析算法与系统设计，首先设计C51单片机的D/A 转换系统，改进声学基阵指向性分析波束形成算法，进行多用户和多通道指向性分析。

实验结果表明，系统具有较强面向对象性和实用性，可为多用户进行参数设定和目标指向性分析，有效提高波束指向性精度，改善声通信质量。

关键词：单片机；换能器；指向性；波束形成中图分类号：TN911
文献标识码：A
文章编号：1001-7119（2015）02-0107-03
Acoustic Transducer Array Directivity Research Based on C51Single Chip
Liu Wei 1，Lu Xinghua 2
(1.Panyu Polytechnic ，Guangzhou 511483，China;2.Huali College Guangdong University of Technology ，Guangzhou 511325，China)
Abstract:Acoustic transducer array data point analysis and algorithm of acoustic communication and transducer design is an important basic work.The design of conversion chip D/A C51is proposed,single chip D/A conversion function based on
the acoustic signal acquisition,it makes the conversion into electrical signals can be identified with the computer,with re⁃lated beam forming and beam directivity analysis algorithm,target recognition and detection purposes is obtained.A trans⁃ducer array directivity analysis algorithm and system design using C51acoustic chip DA conversion,D/A conversion sys⁃tem,C51MCU,improvement of acoustic array directivity of beam forming algorithm is obtained,multi users and multi chan⁃nel direction analysis is completed.The experimental results show that,the system has strong object oriented and practical,can point to analysis for multiple users to set parameters and target,it can effectively improve the beam pointing accuracy,and it can improve the quality of voice communication.
Keywords:single chip microcomputer;transducer;directivity;beam forming
0引言
在声学换能器设计中，声学换能基阵数据的指向性分析研究是进行声通信和换能器设计的重要基础性工作，通过对声学换能器机制的指向性研究，才能在接收信号之前知道信号来自哪个方向，故要求换能器在需要具有水平方向的指向性和垂直方向的指向性[1,2]。

通过C51单片机技术，利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目
的，通过研究宽频带目标模拟器。

在前向通道中通过传感器将各种信号转换成电信号，然后将这些信号通过模拟预处理进行放大、滤波等，再通过ADC 将信号变成数字信号，实现对声学换能基阵的指向性研究[3]。

传统的设计方案中，主要是采用PCI 、VXI 、ISA 总线等插入计算机工作，实时性和指向性精度都不够理想，针对此问题本文结合C51单片机处理速度和精度上的优势，提出一种采用C51单片机DA 转换的声学换能基阵指向性分析算法与系统设计。

论文首先进行换能器设计研究，分析C51单片机DA 转换PCI 总线及PCI9054
收稿日期：2014-01-08
作者简介：刘炜（1981-），男，甘肃平凉人，硕士，讲师，研究方向:计算机算法、计算机控制。

第31卷第2期2015年2月
科技通报
BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol.31No.2Feb.2015
第31卷科技通报
桥接芯片的设计方法，给出了声学换能基阵的水平和垂直指向性波束形成算法，实现系统设计和算法的改进，最后采用系统测试方法进行性能验证。

1基于C51单片机的声学换能基阵设计
1.1声学换能基阵总体设计与PCI总线开发
系统中最为重要的一步是对声学换能基阵的各种仪器仪表的接口进行传感数据的采集，即进行与PCI总线开发。

这种采集是实时进行的，采样周期较短，对不会复现的问题也有着较好的采集。

对各个仪器仪表的各种状态进行实时跟踪采集。

系统中，采用较为流行的Xilinx的LogiCore和Altera的AMPP都提供经过严格测试的PCI接口功能模块，采用C51单片机进行D.A转换具有很好的信号采集作用，适合较大规模的声学数据采集[4-6]。

系统的硬件主要由3大部分组成：（1）信号传感器采集电路；
（2）通讯电路设计；
（3）外围存储、通讯接口电路。

其中，基于C51单片机PCI总线开发设计方法如图1所示。

图1C51单片机PCI总线开发
Fig.1C51MCU PCI bus development
从图可知PC9054内部有6种可编程的FIFO，以实现零等待突发传输及本地总线和PCI总线之间的异步操作。

1.2基于C51单片机的D/A转换设计
C51单片机提供了3种物理总线接口：PCI总线接口，LOCAL总线接口，及串行EEPROM接口。

LOCAL 总线的数据宽度为32位，时钟频率可达到50MHz，并且支持数据预取功能，外部I/O设备包括A/D转换器AD7864两片，D/A转换器AD8582四片。

本文设计的声学换能基阵有4通道输入、转换速度1.65us、输入通道可控制、转换精度12位、单电源+5V供电、双极性输入的高速A/D转换芯片。

由此得知，对声学换能器基阵的指向性研究和换能基阵设计中，需要进行基于C51单片机的D/A转换设计，变换器的拓扑结构是在发展过程中不断变化的，而降压（Buck）和升压（Boost）电路是构成变换器的最基本的两种拓扑结构，很多电路都可以由这两种拓扑电路转换而来。

采用双BUCK逆变器主电路。

当开关S1闭合时A 点的电压为+U d，当S1断开后A点电压变成-U d；当开关S2闭合时，B点的电压为-U d；当S2断开后，电流B点的电压变为+U d。

在对开关S1和S2进行脉宽调制控制时，就可以在A点和B点得到双极性电压。

再经过滤波后，就能得到低谐波含量的正弦电压，由此得到了基于C51单片机的D/A转换设计，实现了对声学换能基阵的设计的改进。

由此可得基于C51单片机的D/A转换设计的转换过程中读转换值的时序图如图2
所示。

图2基于C51单片机的D/A转换时序图Fig.2D/A conversion timing diagram based on C51single chip
2改进的声学基阵指向性分析波束形成算法实现
通过上述改进的基于收发转换C51单片机的D/A 转换设计，进行声学换能基阵的指向性研究，换能电路的工作原理相当于一个单刀双掷开关，一般情况下，开关一直接通在接收信号端，与发射端断开，从而形成水平指向性和垂直指向性。

采用收发转换C51单片机进行D/A转换，声学基阵指向性波束形成算法描述如下：首先构建比较大的输出声功率和较高的电-声转换效率仿真模型，为：
X
RL=R×θRL(1)
X
RR=R×θRR(2)
定义基阵的输出声功率和输入电功率的比值：
X
RL-X RR=D×δ(3)
X
P=X RM+L sinθP(4)
本系统中，根据C51单片机的D/A转换设计，要求声学基阵处于接收状态时有较宽的频带和高的灵敏，故在计算回波幅值时应该先将其放大适当的倍数，那么得到声学换能基阵的波束指向性状态方程为：
X
P=θP L cosθP+X RM(5)
Y
P=L cosθP(6)
Y
P=-θP L sinθP(7)
X
RR+X RL=2X RM(8)
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第2期其中，(6)式由(7)式微分得到，(8)式由(5)式微分得到。

本文对该系统进行了线性化处理，即在小角度范围内，取sin θp =θp ，
cos θp =1。

此外，J Pδ是电换能基阵的水平直线型矢量对时间轴的转动惯量，它的值还与θp 有关，由于系统在运行中θp 在一个较小的角度范围
内不断变化，为了简化，取J Pθ|θ
P
=0
来代替J Pδ，系统的波
束指向性向量T 和高频噪声分量分别为：
T =12M RL X RL .2+12M RR X RR .2+12
J RL θRL
.2
+12J RR θRR .2+12
M P [(θ.P L cos θP +X .
RM )2+(-θP L cos θP )2]+12.
J PθθP .2+12
J Pδδ
.2
(9)V =M P gL cos θ
P
(10)
从上述分析可见，传统的反电势转子超导永磁电机模型在对电流导数运算时需要进行偏微分计算导致系统高频噪声方法。

由此实现了基于C51单片机D/A 转换的声学换能基阵指向性研究，下一步将采用仿真实验对本文的系统设计和算法性能进行评估。

3系统实验与结果分析
为了测试本文提出的基于C51单片机D/A 转换的声学换能基阵指向性研究和声学换能基阵系统的性能，进行系统测。

试通过系统设计，得到基于C51单片机D/A 转换数据采集的设置面板。

主要设置的采集参数，包括采样通道设置、输入范围、耦合方式、采样率、触发和采集时间设置等，通过研究得出，本文设计的基于C51单片机的声学换能基阵D/A 转换系统具有较好的面向对象性，数据采集准确实时。

在上述系统中，进行声学换能基阵的波束形成仿真和指向性分析，得到仿真结果如图3
所示。

图3声学换能基阵指向性分析
Fig.3acoustics can switch array directivity analysis
从图3可见，采用本文算法，波束形成器的设计包括许多用户可设定的参数。

阵列类型为可选的均匀线阵、专用平面阵；阵元位置以平面坐标系的形式给出（X ，Y ）坐标。

用户也可通过数据文件倒入自己设定的加权方式，面向对象性和实用性较强。

通过改进的系统设计和声学换能基阵的指向性波束形成设计，能有效提高波束指向性精度，提高声通信质量，进而提高对目标的定位识别能力。

4结论
基于单片机的D/A 转换功能，把采集的声信号转换为计算机能识别的电信号，结合相关的波束形成和波束指向性分析等算法，实现目标识别和检测的目的。

提出一种采用C51单片机DA 转换的声学换能基阵指向性分析算法与系统设计。

通过声学换能基阵总体设计与PCI 总线开发，实现C51单片机的D/A 转换设计，提出了改进的声学基阵指向性分析波束形成算法及实现。

研究和系统测试结果表明，本系统能准确描述声学换能基阵的指向性，波束形成的面向对象性和通用性效果较好，对提高声通信性能和目标识别检测能力有帮助。

参考文献：
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刘炜等.基于C51单片机的声学换能基阵指向性研究109
基于C51单片机的声学换能基阵指向性研究
作者：刘炜， 陆兴华， Liu Wei， Lu Xinghua
作者单位：刘炜,Liu Wei(广州番禺职业技术学院,广州,511483)， 陆兴华,Lu Xinghua(广东工业大学华立学院,广州,511325)
刊名：
科技通报
英文刊名：Bulletin of Science and Technology
年，卷(期)：2015(2)
引用本文格式：刘炜.陆兴华.Liu Wei.Lu Xinghua基于C51单片机的声学换能基阵指向性研究[期刊论文]-科技通报 2015(2)。