1.1 設計目的

基于麥克風陣列模擬人耳進行三維空間的聲源定位，有著廣泛應用前景，可應用于大型機械產品的故障檢測以及新生嬰兒先天性心臟病檢測篩查等領域，這些應用要求定位精度高，空間定位分辨能力強，而聲源的定位精度與聲音信號的頻率、傳感器陣列的 大小及聲音信號的信噪比等因素密切相關。傳統的時間差或相位差定位算法，隨著麥克 風陣列的增加，計算量急劇增加，為了提高定位精度，本作品在GCC_PHAT 算法基礎上，利用 FPGA 的處理實時性，進行數字解碼，濾波，解算處理，多陣列可以并行運算， 大幅提高了聲音的空間定位精度。

1.2 應用領域

本作品應用前景廣泛。例如，在交通領域，可以用于鳴笛抓拍中。在麥克風陣列研究領域，可以用于波束形成算法的驗證；同時，也可以將其作為一個錄音設備，配合 Audacity 軟件，實現一些聲音處理功能，具有很好的實用價值。

1.3 適用范圍

本作品適用于需要近場聲源定位以及波束形成的場合，在此類場合中，作品可以完全發揮優勢，具有較高的速度和精度。

二、系統組成及功能說明 /System Construction & Function Description

2.1 系統介紹

本系統由數字麥克風陣列模塊、FPGA 處理器模塊、攝像模塊共同組成。Xlinx Artix7 FPGA 作為核心，將數字麥克風模塊產生的 PDM 碼轉化為 PCM 碼，然后使用 GCC_PHAT 算法對數據進行處理，得到時延值由傳給攝像頭，攝像頭再結合陣列中麥克風的幾何關系， 將具體的聲源位置計算出來，然后將其映射在攝像頭所拍的圖像上，同時，為了更好地調試， 我們麥克風陣列上集成了單片機芯片作為通信接口。

2.2 各模塊介紹

1.數字麥克風陣列模塊

采用性能優良的的數字麥克風 SPK0833LM4H，性能參數：100Hz ~ 10kHz 數字，PDM Microphone MEMS（硅） 1.6V ~ 3.6V 全向 （-26dB ±3dB @ 94dB SPL） 焊盤。兩個數字麥 克風共用一個數據線（分別占用左右聲道），然后通過兩路 I2S 送給 FPGA。數字麥克風實物 圖和陣列電路原理圖如下圖所示

2. FPGA 處理器模塊

處理器主要采用 basys3 開發板，其采用 Xilinx XC7A35T1CPG236C 芯片，含有 5200 個邏輯 Slices，每個包含 4 個 6 輸入 LUT 和 8 個觸發器，內部時鐘頻率達 450MHz，片上 4 自帶模數轉換器，含 1800Kbits 的 Block RAM 和 90 個 DSP48E 單元，有 5 個時鐘管理單元。包含多個外設，資源豐富。FPGA 通過板載的 Pmod 接口與數字麥克風陣列板連接。

3. 攝像模塊

OpenMV 是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊。以 STM32F427CPU 為 核心，集成了 OV7725 攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用 C 語言高效地實現了核心機 器視覺算法，提供 Python 編程接口。完成情況及性能參數 /Final Design & PeRFormance Parameters

本系統由數字麥克風陣列電路、FPGA 核心處理模塊、攝像頭模塊。預計實現功能：（1）四通道同步錄音功能；（2）聲源定位，可以定位出攝像頭所拍攝到的畫面中發聲體 6 的位置并在畫面中將其標出。目前，兩個功能均已實現，各模塊運作穩定，模塊間按功能連接。

3.1 數字麥克風陣列電路

此電路能夠正常的接受來自 FPGA 的時鐘信號并產生對應的 PDM 信號。

3.2 FPGA 核心處理模塊

此模塊可以準確地去除 PDM 信號中的直流分量并將其轉化為 PCM 音頻數據流，通過 USB 音頻傳輸協議，可以將其傳輸到 PC 機上，結合 Audacity 軟件，來實現高品質錄音和對聲音進行分析。同時，FPGA 也成功地實現了 GCC-PHAT 定位算法，定位精度高，效果好。

3.3 攝像頭模塊

此模塊圖像可以準確獲取清晰的獲取圖像，實現照片、視頻等的拍攝，成像穩定，質量高，且通過 wifi 無線圖傳擴展板，可以通過 WiFi 來獲取它所拍攝到的畫面。

4.1 主要創新點

（1）使用了數字麥克風，數字麥克風的最大優點是抗干擾能力強，無需像傳統傳聲器那樣 內置高頻濾波電容、濾波器電路。數字麥克風因其固有的特點，不會受到那些來自電腦、 網絡、射頻即磁場信號源的干擾、影響。（2）使用了麥克風陣列來收集聲音信號，相比于單麥克風，具有無可比擬的優勢。（3）在高速，并行的 FPGA 中實現了 GCC-PHAT 算法，波束形成算法，計算速度快，計算結果準確，定位精度好。（4）作品體積小，容易安裝，在各場合具有很強的實用性。

4.2 可擴展之處

（1）可以通過 FPGA 外接 SD 卡模塊，將轉化來的 PCM 音頻數據流存在 SD 卡中，可以與拍到的圖片相對應，便于后期回放與驗證。（2）增加麥克風數量，改變陣列結構，可以近一步地提高聲源定位的速度和精度。