专利名称：声源定位装置及其方法及采用该装置的电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音信号采集及处理技术，特别是涉及一种声源定位装置及其方法及采用该装置的电子设备。
背景技术：
随着社会及科技的发展，各类电子产品日益普及，为人们的学习、工作和生活等诸多方面带来了较大的便利。
现有技术中，存在一些利用声波来确定方位的电子产品。例如，某些消费类电子产品，如小车、机器人等，可以通过辨识语音位置来确定运动的方向。再如，专利号为US 5,901,232的美国专利揭示一种声学系统，通过声音来确定外部声源的方位，并相应地将麦克风指向该声源，以更好地实现双向通讯。
所述美国专利US 5,901,232揭示的声学系统包括声音强度探测器，用于接收并检测外部声源的声音强度；麦克风；计算机，用于接收该探测器的强度数据，并根据该强度数据计算该麦克风的指向；马达，在计算机的控制下调整麦克风的指向。
与现有技术中的该声学系统类似，现有技术中还存在一些听音辨位的方法和装置。其工作原理一般是采集音源波形，通过模数转换方式进行量化、编码，随后将信号输入计算机的CPU(中央处理器)，在其内使用FFT(快速傅立叶变换，Fast Fourier Transform)算法，确定其相关性，来确定音源的方位。
上述现有技术的缺陷在于由于通过中央处理器处理的是经过A/D量化、编码后的信号，而且经过FFT等算法的处理，因此，其运算量过大，对CPU处理要求相应较高，从而增加整个系统的成本；并且，由于微处理器(MCU)的运算量有限，因此不能在MCU上实现相关功能，而目前基于成本的考虑，消费类电子产品中通常使用MCU来进行数据处理，这也限制了听音辨位功能在消费类电子产品中的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种声源定位装置及其方法，可以降低声音信号处理过程的运算量、实现简单并节省整体成本。
本发明解决的另一技术问题在于提供一种采用前述声源定位装置的电子设备，可以降低运算量、实现简单并节省整体成本。
为此，本发明解决技术问题的技术方案是提供一种声源定位装置，包括多个用于在不同位置采集外部声源的声音信号并将其转换为电信号的信号接收电路，还包括多个信号预处理电路，分别对应于所述信号接收电路，用于对所述信号接收电路产生的电信号进行预处理并输出电平信号；声源相位处理器，用于比较前述多个信号预处理电路产生的电平信号之间的相位差，得到外部声源的方位；方位信息输出电路，用于在微处理器的控制下输出外部声源的方位信息。
优选地，所述信号预处理电路包括放大电路，用于放大来自信号接收电路的电信号；整形电路，用于将放大后的电信号转换为电平信号。
优选地，所述整形电路是过零比较电路。
优选地，所述声源相位处理器是微处理器，所述微处理器包括存储单元，用于缓存所述信号预处理电路输出的电平信号；相位识别单元，用于识别所述电平信号的相位和高电平持续时间；方位确定单元，用于比较不同的信号预处理电路的电平信号的相位，根据比较结果来确定外部声源的方位。
优选地，所述微处理器还包括中断处理单元，用于定时读取所述信号预处理电路输出的电平信号并写入该存储单元；相位读取单元，用于从存储单元读取该电平信号。
优选地，所述微处理器还包括合法性判断单元，用于根据所述电平信号的相位和高电平持续时间来确定电平信号是否符合条件。
优选地，所述声源相位处理器包括读取识别电路，用于读取并识别来自信号预处理电路的电信号；第一比较电路，用于进行合法条件判断，判断所述电信号是否合法；第二比较电路，用于根据合法的电信号来判断并确认外部声源的方位。
本发明还提供一种声源定位方法，应用于如权利要求1所述的声源定位装置以确定外部声源的方位；包括步骤1)在多个不同位置采集外部声源发出的声音信号并转换为电信号；2)分别对所述多个电信号进行预处理，生成对应的电平信号；3)比较前述多个电平信号之间的相位差，得到外部声源的方位；4)输出外部声源的方位信息。
优选地，所述步骤2)的预处理包括对该电信号进行放大和整形。
优选地，所述步骤3)的比较相位差具体包括读取并缓存所述预处理后的电平信号；读取并识别所述缓存的电平信号的相位和高电平持续时间；比较不同的电平信号的相位，根据比较结果来确定外部声源的方位。
优选地，所述步骤3)的比较相位差还包括合法性判断，根据所述电平信号的相位和高电平持续时间来确定电平信号是否符合条件。
本发明还提供一种具有声源定位装置的电子设备，其中，所述声源定位装置是前述的声源定位装置。
相对于现有技术，本发明的有益效果是本发明依据不同位置确定的信号接收电路来获得音源波形，使用外围电路(信号预处理电路)来简化获取的音源信息，将模拟量转化为电平信号(脉冲信号)来表示；微处理器获得二进制信号后，通过比较相位差即可确定不同的信号接收电路获得声音信息的时间差，从而确定声音方位。由于MCU处理的信号为脉冲信号或称电平信号，即仅由高、低电平组成，而不是经过A/D量化、编码后的信号；且由于MCU通过对相位差的比较，即可确定声音方位，而不必通过FFT(快速傅立叶变换，Fast Fourier Transform)算法，确定其相关性，来确定音源的方位，因此，其具有运算量小、对后续处理要求不高的优势，从而使得整个系统的成本得以降低。
图1是本发明声源定位装置的框图；图2是图1所示装置中信号接收及预处理设备的框图；图3是本发明的实例中声音接收器件的位置示意图；
图4是本发明的实例中信号接收及预处理设备的电路原理图；图5是本发明的实例中信号接收及预处理设备的输出信号的示意图；图6是本发明的实例中微处理器进行声源定位的流程；图7是本发明的实例中空间区分的示意图；图8是本发明的实例中微处理器内部的模块示意图；图9是本发明的实例中初始化单元的工作流程图；图10是本发明的实例中相位读取单元的工作流程图；图11是本发明的实例中相位识别单元的工作流程图；图12是本发明的实例中合法性判断单元的工作流程图；图13是本发明的实例中方位确定单元的工作流程图；图14是本发明的实例中中断处理单元的工作流程图；图15是本发明另一实例的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的主要构思在于采用外围电路来简化声音获取元件获得的声音信息，转换成电平信号进入MCU，MCU内简单识别不同声音获取元件的信号之间的相位差，通过计算来获得音源方位，使得听音辨位功能在MCU上得以实现。
请参阅图1，是本发明声源定位装置的框图。
声源定位装置包括信号接收及预处理设备100、微处理器200和方位信息输出电路300；其中信号接收及预处理设备100连接至微处理器200，微处理器200连接并控制方位信息输出电路300。
信号接收及预处理设备100在多个不同位置采集外部声源900发出的声音信号，相应产生多个电信号并输出至微处理器200。微处理器200对所述多个电信号的相位进行比较，获得声源的方位，从而控制方位信息输出电路300进行输出。
一并参阅图2，所述信号接收及预处理设备100包括多个信号接收电路110和信号预处理电路120；所述信号接收电路110连接至对应的信号预处理电路120，该信号预处理电路120连接至微处理器200。
多个信号接收电路110分别在不同位置采集外部声源900产生的声音信号，并将其转换成电信号后输入至对应的信号预处理电路120。显然，由于不同的信号接收电路110与外部声源900之间的距离以及方向的差距，其采集到的声音信号之间将存在差异。
信号预处理电路120对接收到的电信号进行预处理，例如放大、整形等，将模拟量转化为数字量来表示，根据声音到达各信号接收电路110的时间差，将产生多个相互之间具有相位差的电平信号。
微处理器200分别读取来自信号预处理电路120的电平信号的相位值，比较相位值之间的差异，并根据比较结果识别外部声源的方位。
方位信息输出电路300在微处理器200的控制下，将外部声源的方位信息采用预定的形式进行输出，可以采用可见光、声音等多种形式，此不赘述。
为便于对本发明的理解，下面结合具体实例对本发明进行详细描述。
请参阅图3，本发明的一个具体实例中，采用三个麦克风(MIC)来充当声音信号接收器件，其中MIC1、MIC2和MIC3构成一个等腰直角三角形，MIC1、MIC2的间距可以为6cm、7cm等等。
当然，本领域的技术人员应该了解，所述间距可以根据MCU的实际运算能力进行调整，例如，当MCU的主频为4M时，所说的MIC1和MIC2之间的距离S1-2的范围为6～10cm；MIC1、MIC2和MIC3也不限于形成等腰直角三角形，完全可以根据实际的需要进行调节，只要三个MIC不位于同一直线即可。
请参阅图4，是本实例中信号接收及预处理设备的电路原理图。
所述信号接收电路110中，电阻R1和三极管Q1为麦克风MIC供应电流。当麦克风MIC接收到声音信号时，将产生电压变化，反映在A点，A点即为信号接收电路110的信号输出端。
所述信号预处理电路120包括放大电路121和整形电路122。
放大电路121中，电容C1滤掉信号中的低频部分，电阻R2、电阻R3和运放U1A构成负反馈放大回路，放大后的信号经由B点输出。
整形电路122中，电容C2、电阻R4、电阻R5和运放U1B形成过零比较电路，整形后的电平信号通过点C输出。该电平信号通过微处理器200的端口输入到微处理器200进行相应的处理。其中，各整形电路均对应微处理器200的一个端口。
其中，Ref优选为1/2VCC，当然也可以采用其他电压值来作为各个部分的参考电压。
需要说明的是，图4仅为包括一个MIC的接收电路和外围预处理电路，另外两个MIC相关的电路与其类似。
请参阅图5，是本实例中信号接收及预处理设备的输出信号的示意图，依据声音到达各个MIC的时间差，各信号预处理电路输出具有相位差的相同的波形。
随后，微处理器200对前述信号接收及预处理设备100输出的电平信号进行处理。本实例中，以凌阳科技的MCU SPCE061作为控制核心。
请一并参阅图5和图6，下面介绍本实例中微处理器进行声源定位的流程。
步骤S110，微处理器进行初始化。
步骤S120，分别读取3个MIC的相位值。
步骤S130，对读取的相位值进行确认。
首先，进行相位识别，即分别获取Delay1、Delay2和Delay3，同时获取T1、T2和T3值。
随后，进行相位合法性的判断1)根据获取的T1、T2和T3值来判断是否满足T1＝T2＝T3；如果不满足，则不合法，退出流程；满足则进入2)；2)根据获取的最大Delay减去最小Delay得到一时间差Tmaxtomin，判断是否满足Tmaxtomin＜TS1-2(声音传播MCI1到MIC2的距离所需的时间)，如果满足，则合法，进入步骤S140；反之则不合法，退出流程；其中，1)和2)的判断顺序可以互换。
步骤S140，获取音源方向，根据合法的相位值来确定音源的方位。
一并参阅图7，本实例中，将空间区分为8个区间，步骤S140即根据相位值来确定声源所处的区间。如表1所示。
表1
请参阅图8，本实例中，微处理器200为实现声源定向的功能，其内部固化相应的程序模块，包括存储单元210、初始化单元220、相位读取单元230、相位识别单元240、合法性判断单元250、方位确定单元260和中断处理单元270。
所述存储单元210包括低电平保持时间存储区(LowToHighLatchTime)、高电平保持时间存储区(HighToLowLatchTime)、当前状态存储区(Status)和端口缓存区(IO_Buffer)。
低电平保持时间存储区用于记录各信号预处理电路的电平信号由低变高的时间；高电平保持时间存储区用于记录各信号预处理电路的电平信号由高变低的时间；当前状态存储区则用于记录各信号预处理电路的电平信号的当前状态，分别用不同的数值来表示当前是高电平、低电平还是发生电平转换，例如，0代表当前端口为高电平状态；1代表当前端口为维持低电平状态；2代表当前端口为维持高电平状态；3代表当前端口返回状态。
端口缓存区可以采用先进先出(FIFO)结构，用于中断处理单元270定时读取与各信号预处理单元对应的端口，能够准确地计算时间。
初始化单元220在微处理器200运行时初始化存储单元210以及各信号预处理电路对应的端口的当前状态。请一并参阅图9，是初始化单元220的工作流程。
请参阅图10，是相位读取单元230的工作流程。
步骤S121，判断端口缓存区是否不为空，如果是，则进入步骤S122；如果否，则进入步骤S124。
步骤S122，读取端口缓存区。
步骤S123，根据步骤S122的结果，启动相位识别单元240对各外围电路的信号进行处理。
步骤S124，判断是否满足流程结束条件，所述结束条件是各端口的状态均经历低电平、高电平和低电平之后，即当前状态存储区中各端口的状态值均为3。
请参阅图11，是相位识别单元240的工作流程。
相位识别单元240根据输入参数所代表的接收单元来确定选择当前处理的端口。
步骤S131，读取端口缓存区，判断当前是否为低电平，如果是，则进入步骤S132；如果否，则进入步骤S133。
步骤S132，读取当前状态存储区，进行相应处理如果状态值为0，则将状态值切换为1，低电平保持时间加1；如果状态值为1，则低电平保持时间加1；如果状态值为2，则将状态值切换为3；如果状态值为3，则不进行操作。
步骤S133，读取当前状态存储区，进行相应处理如果状态值为0，则高电平保持时间加1；如果状态值为1，则将状态值切换为2，高电平保持时间加1；如果状态值为2，则高电平保持时间加1；如果状态值为3，则不进行操作。
请参阅图12，是合法性判断单元的工作流程。
步骤S134，比较各端口的高电平保持时间是否相等，如果是，则进入步骤S135；如果否，则返回不合法。
步骤S135，将最大的低电平保持时间减去最小低电平保持时间得到一时间差，判断该时间差是否小于声音传播MCI1到MIC2的距离所需的时间，如果是，则返回合法；如果否，则返回不合法。
请参阅图13，是方位确定单元260的工作流程。
步骤S141，将MIC1对应的低电平保持时间加上MIC2对应的低电平保持时间，然后将和除以2，再比较商与MIC3对应的低电平保持时间的大小，进行相应处理如果相等，则初步定位在第1、5区间；如果小于，则初步定位于第6、7、8区间；如果大于，则初步定位在第2、3、4区间。
步骤S142，比较MIC1对应的低电平保持时间加上MIC2对应的低电平保持时间，进行相应处理如果相等，则初步定位在第3、7区间；如果小于，则初步定位于第4、5、6区间；如果大于，则初步定位在第1、2、8区间。
步骤S143，结合两次比较结果，获得声源所处的唯一的区间。
请参阅图14，是中断处理单元270的工作流程，用于定时读取微处理器200的端口的电平信号，并写入端口缓存区，同时协调端口缓存区的运作。
本实例的方位信息输出电路300采用8个LED(发光二极管)来分别表示前述8个区间，微处理器200根据处理得到的区间信息来控制LED，将输出的方位信息送到8个LED来表示识别的方位。
总之，本实例中，声源的信息通过外围电路(信号预处理电路)转化成1比特的数字信号；而MCU(微处理器)内部通过各个声音信号的相位差来获得各个声音采集元件(麦克风)采集声音的时间差，并计算出相应的传输距离，以此确定声音方位。本实例与一般的采用A/D方式所得到的转换信号之间区别在于1、MCU处理的信号为脉冲信号或称电平信号，即仅由高、低电平组成而不是经过A/D量化、编码后的信号；2、采用简单的相位差比较的方法来识别方位，而不需要经过类似FFT等算法较复杂的运算过程，因此，其具有运算量小、对后续处理要求不高的优势，从而使得整个系统的成本得以降低。
当然，本发明并不限于前述实例的方案的描述，例如，本领域的技术人员根据本发明的构思，可以了解方案中的SPCE061可用其它芯片替代；方案中的LED输出可以用其它的输出，比如小车转向马达等方式替代；方案中可以通过添加一个声音采集元件来获得三维上的方位；方案中的声音采集元件可以使用其它新型元件来替代MIC元件。
此外，本领域的技术人员熟知，基于数据处理技术的特殊性，微处理器200内部固化的程序模块所达到的功能也可以采用对应的硬件形式来实现。请参阅图15，是一个可能的实例的示意图。该实例中，音源相位处理电路500包括读取识别电路510、第一比较电路520、第二比较电路530和输出电路540；其中，读取识别电路510用于读取并识别来自声音采集电路(图未示)的电信号，并经过第一比较电路520进行合法条件判断，判断所述电信号是否合法，第二比较电路530根据合法的电信号来判断并确认外部声源的方位，并通过输出电路540输出音源方位信息。所述读取识别电路510包括多个读取电路511和鉴定识别电路512。
总之，本发明有以下特点依据位置确定的三个声音获取元件来获得音源波形；使用外围电路来简化获取的音源信息，将模拟量转化为一个比特的数字量来表示；MCU获得二进制信号后，通过比较相位差确定三个声音获取元件获得声音信息的时间差，从而确定声音方位。
基于本发明的声源定位装置和方法，将其应用于消费类电子产品领域，可以获得多种新型的消费类电子设备，如小车、机器人等，可以通过辨识语音位置，确定运动的方向，从而具有自动跟踪功能；并且发明人在凌阳公司的16位单片机SPCE061A上实现了声源定向功能和语音辨识功能的结合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种声源定位装置，包括多个用于在不同位置采集外部声源的声音信号并将其转换为电信号的信号接收电路，其特征在于，还包括多个信号预处理电路，分别对应于所述信号接收电路，用于对所述信号接收电路产生的电信号进行预处理并输出电平信号；声源相位处理器，用于比较前述多个信号预处理电路产生的电平信号之间的相位差，得到外部声源的方位；方位信息输出电路，用于在微处理器的控制下输出外部声源的方位信息。
2.如权利要求1所述的声源定位装置，其特征在于所述信号预处理电路包括放大电路，用于放大来自信号接收电路的电信号；整形电路，用于将放大后的电信号转换为电平信号。
3.如权利要求2所述的声源定位装置，其特征在于所述整形电路是过零比较电路。
4.如权利要求1至3任一项所述的声源定位装置，其特征在于，所述声源相位处理器是微处理器，所述微处理器包括存储单元，用于缓存所述信号预处理电路输出的电平信号；相位识别单元，用于识别所述电平信号的相位和高电平持续时间；方位确定单元，用于比较不同的信号预处理电路的电平信号的相位，根据比较结果来确定外部声源的方位。
5.如权利要求4所述的声源定位装置，其特征在于，所述微处理器还包括中断处理单元，用于定时读取所述信号预处理电路输出的电平信号并写入该存储单元；相位读取单元，用于从存储单元读取该电平信号。
6.如权利要求5所述的声源定位装置，其特征在于，所述微处理器还包括合法性判断单元，用于根据所述电平信号的相位和高电平持续时间来确定电平信号是否符合条件。
7.如权利要求1至3任一项所述的声源定位装置，其特征在于，所述声源相位处理器包括读取识别电路，用于读取并识别来自信号预处理电路的电信号；第一比较电路，用于进行合法条件判断，判断所述电信号是否合法；第二比较电路，用于根据合法的电信号来判断并确认外部声源的方位。
8.一种声源定位方法，应用于如权利要求1所述的声源定位装置以确定外部声源的方位；其特征在于，包括步骤1)在多个不同位置采集外部声源发出的声音信号并转换为电信号；2)分别对所述多个电信号进行预处理，生成对应的电平信号；3)比较前述多个电平信号之间的相位差，得到外部声源的方位；4)输出外部声源的方位信息。
9.如权利要求8所述的声源定位方法，其特征在于，所述步骤2)的预处理包括对该电信号进行放大和整形。
10.如权利要求8或9所述的声源定位方法，其特征在于，所述步骤3)的比较相位差具体包括读取并缓存所述预处理后的电平信号；读取并识别所述缓存的电平信号的相位和高电平持续时间；比较不同的电平信号的相位，根据比较结果来确定外部声源的方位。
11.如权利要求10所述的声源定位方法，其特征在于，所述步骤3)的比较相位差还包括合法性判断，根据所述电平信号的相位和高电平持续时间来确定电平信号是否符合条件。
12.一种具有声源定位装置的电子设备，其特征在于所述声源定位装置是权利要求1至7任一项所述的声源定位装置。
全文摘要
本发明公开了一种声源定位装置，包括多个用于在不同位置采集外部声源的声音信号并将其转换为电信号的信号接收电路，还包括多个信号预处理电路，分别对应于所述信号接收电路，用于对所述信号接收电路产生的电信号进行预处理并输出电平信号；声源相位处理器，用于比较前述多个信号预处理电路产生的电平信号之间的相位差，得到外部声源的方位；方位信息输出电路，用于在微处理器的控制下输出外部声源的方位信息。本发明相应公开了一种声源定位方法以及采用所述声源定位装置的电子设备。
文档编号H04R1/40GK1808171SQ200510001779
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月19日 优先权日2005年1月19日
发明者罗立声, 张学虎 申请人:北京北阳电子技术有限公司, 凌阳科技股份有限公司