聲探測無線傳感器網絡節點信號采集電路設計

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

閆安斌1,2　甄成方1,2　劉文怡1,2

(中北大學電子測試技術國家重點試驗室1，山西 太原　030051；儀器科學與動態測試教育部重點試驗室2，山西 太原　030051)

聲探測無線傳感器網絡節點信號采集電路設計

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

閆安斌1,2甄成方1,2劉文怡1,2

(中北大學電子測試技術國家重點試驗室1，山西 太原030051；儀器科學與動態測試教育部重點試驗室2，山西 太原030051)

摘要：無線傳感器網絡節點的優劣直接關系到無線傳感器網絡的生存周期及其傳遞數據的可靠性，考慮到無線傳感網絡節點對外界信息感知的要求，設計了一種帶通濾波的聲音信號采集電路。聲信號經模電轉換后，濾波、偏置、放大、跟隨和A/D轉換，將模擬電信號轉換為數字信號。測試結果表明，信號轉換過程中對通頻帶中的信號有良好的傳遞特性，保證不失真和相位偏差最小且穩定，對通頻帶外信號的抑制效果很明顯。

關鍵詞：無線傳感器網絡帶通濾波聲音信號采集A/D轉換相位偏差

Abstract：The pros and cons of the wireless sensor network (WSN) nodes is directly related to the life cycle of WSN, and its reliability for transferring data. Considering the demands for information perception outside world of WSN, the sound signal acquisition circuit with band pass filtering is designed. The analog signal is converted into digital signals through filtering, biasing, amplifying, following and A/D converting. The results of test indicate that in signal converting process, the signals in pass band possesses excellent transfer characteristics, no distortion and minimum phase deviation are guaranteed, while the signals outside pass band are eliminated obviously.

Keywords：Wireless sensor networkBand pass filteringSound signal acquisitionA/D conversionPhase deviation

0引言

噪聲是物體在工作中產生的不可避免的副產品，被動聲探測無線傳感器網絡就是利用目標的這一特征，實現對目標的探測、識別、定位以及追蹤[1]。被動聲探測無線傳感器網絡系統具有隱蔽性好、不受視線和能見度的限制、不易被干擾、探測范圍不受限制等幾大優點，目前正受到國內外軍事界、工業界乃至學術界人士的廣泛關注[2]。

本設計的主要目的是提供一種以聲音為采集信號的無線傳感器網絡節點硬件設計電路。設計電路中包含信號調理電路與模數轉換電路，通過設計的信號調理電路，對傳聲器采集到的聲音進行濾波、偏置、放大與信號跟隨，實現信號的有效性和穩定性，減少模數轉換芯片的工作量，便于信號采集。同時本設計中的調理電路對幅值小于2 V、頻率小于20 kHz的交流信號有良好的傳輸特性。

1節點總體設計方案

傳感器節點為無線傳感器網絡的基本組成單位[3]，無線傳感器網絡的使用特性和使用環境，決定了傳感器節點的硬件設計的考慮重點。本次設計的節點在不影響性能的前提下，采用了較少的芯片和封裝更小的同類器件，而且設計的PCB板采用多層設計結構，使得節點體積盡量小、成本盡量低。電路供電模塊中采用了FPGA控制繼電器通斷的方式，使得節點的部分芯片在無數據處理的情況下，處于掉電模式，從而達到低功耗的要求。最后是穩定性設計，由于能量供應模塊采用高容量電池，所以節點的芯片工作電壓能夠保持穩定，不受外界干擾。本次設計的總體設計方案如圖1所示。

圖1　總體電路設計示意圖

2硬件電路設計

2.1　供電電路設計

供電電路能否提供穩定的電壓直接影響著系統是否能夠保證穩定高效的運行。本系統中由于使用到的芯片種類較多，而且FPGA在使用中對電壓的穩定性要求較高，所以在本系統中，電源模塊顯得十分重要。本系統中具體的電壓轉換示意圖如圖2所示。

圖2　電源模塊電壓轉換示意圖

本系統中的電源模塊采用兩個12 V的移動電源串聯構成24 V電壓作為能量供應裝置。圖2中，3 mA恒流源是為傳聲器提供能量供應。根據產品使用說明書，該傳聲器的正常工作需要提供3 mA的恒流源。本設計中的恒流源是通過采用三端可調的電流源芯片LM134外接電阻實現的，其輸出電流的大小，可通過改變外接電阻的阻值進行調節，使用十分靈活方便。該芯片可通過外接二極管，與電阻搭配，使芯片的溫漂最小化，使得電流輸出相對穩定。這為后續的傳聲器進行信號采集提供了一個相對較好的環境，使采樣結果更加可靠。

由圖2可看出，本設計中涉及到2.5 V基準電壓的使用。本設計中為使基準電壓不受電路板上其他芯片的影響，采用24 V轉5 V、再轉2.5 V的方式。LM136H-5 V是一款穩定性十分良好的電壓轉換芯片，具有較寬的輸入電壓范圍(6~36 V)，而且其輸出電壓受溫度影響很小。此外該芯片對外部供電電壓沒有十分苛刻的要求，只要供電大于6 V，即可輸出穩定的5 V電壓，不會因為供電電壓的不穩定而導致輸出電壓不穩定。5 V轉2.5 V電壓的設計是使用OPA234高精度的集成運放外接電阻實現的。經測試,其實際輸出電壓為2.49 V，基本滿足后續電路的設計要求。

由于本系統中其余各大模塊均是采用5 V電壓或者經5 V轉為其他的電壓等級，功耗相對較高，因此經綜合考慮，系統選用散熱性和允許通過電流值較大的電壓轉換芯片LT1084。其余電壓等級(3.3 V、1.2 V)采用AMS1117與電源芯片TPS70358實現。

2.2　調理電路的設計

本系統的功能主要是采集節點周邊的聲音信號，基于聲達時間差確定發聲體的位置，所以信號采集的精度直接影響著后續的數據處理，因而也直接影響著整個節點的精度。該系統中數據采集模塊顯得十分關鍵。本設計中，信號采集主要分為信號調理和A/D轉換兩大部分。采集模塊利用高精度的傳聲器接收節點周圍的聲音信號，并轉換為模擬電信號；模擬電信號通過信號調理電路調理之后，傳送給A/D轉換芯片，轉換為數字信號。

為達到信號衰減最小、相位偏差最小而又不影響調理電路的基本功能要求，綜合考慮后，在設計中采用了較少的芯片，達到了最佳的效果。具體電路設計如圖3所示。

圖3　調理電路設計

從圖3可以看出，本次設計的調理電路包含了濾波、放大、偏置、信號跟隨的基本功能。

圖1中，典型的壓控式電壓源二階低通濾波電路[4]對通帶信號的電壓有放大作用。由于本次試驗所采集的聲音模擬信號為人耳可識別的聲音，即20 Hz～20 kHz頻率范圍內的聲音信號，所以該濾波電路選擇低通濾波，將20 kHz以上的信號濾掉，即截止頻率fH=20 kHz。由于二階低通濾波器的截止頻率fH=0.37f0(f0為濾波電路的特征頻率),因此根據低通濾波電路的特征頻率計算公式為：

(1)

從而可以得出:

(2)

電容C的容量一般選擇低于1 μF，本次設計中結合RC的值，采用1 nF電容，則R=2.94 kΩ。根據貼片電阻的標準阻值，選擇R1=R2=3 kΩ[5]。

該二階壓控式低通濾波電路具有放大作用，它是由R4、R5與集成運放共同實現，其放大倍數為：

(3)

由于本次使用的傳聲器，其輸出電壓為正負交變的交流信號，最大幅值接近2 V，且考慮到集成運放的實際應用，其輸出電壓的范圍為0~4.6 V，傳聲器信號經偏置后電壓范圍為0.5~4.5 V，因此，為保證信號不失真，綜合考慮后，該放大電路的放大倍數應趨近于1，故本次設計選擇R4=10 kΩ，R5=1 MΩ。

本次設計的調理電路還包含電壓偏置作用。偏置電路是通過給集成運放的正向輸入端(即信號輸入端)串聯電阻接入2.5 V的直流電壓實現的。接入2.5 V的直流電壓使得輸入為正負交錯的交流信號整體偏置2.5 V，便于A/D芯片的采集及隨后的數據分析。最后，為使采集到的模擬信號比較穩定，系統特意添加了電壓跟隨電路。

2.3　A/D轉換電路的設計

數據的數模轉換[6-7]選用了ADS8365芯片。該芯片能夠實現6路同時采樣，是一種高速、低功耗、同步采樣轉換器件，具有16位高速并行接口。每片ADS8365由3個轉換速率為250 kS/s的ADC構成，每個ADC有2個模擬輸入通道，每個通道都帶有采樣保持器。3個ADC可組成3對模擬輸入，可對其中的輸入信號同時采樣保持，最大采樣吞吐率可高達5 MHz。該芯片的輸出信號為16位二進制數字信號，分辨率可達1/(216-1)，精度滿足試驗需求。此外，該芯片在50 kHz的高噪環境中，共模抑制比可達80 dB，特別適用于高噪環境。A/D轉換電路的設計示意圖如圖4所示。

圖4　模數轉換電路設計示意圖

3試驗結果及數據分析

本設計的主要目的是設計一個高精度的調理電路。調試試驗主要包括：檢測采集板電源模塊的各個電壓等級是否滿足設計試驗要求；調理電路是否能夠保證波形的不失真；波形經調理電路之后輸出電壓的范圍是否合適；A/D采集應首先保證其外圍電路工作正常。出現問題時,應檢查外接晶振是否起振,外圍電路是否與芯片技術資料中介紹的工作狀態一致，信號接入是否合適等[8]。

試驗中，輸入信號擬采用信號發生器給定一個頻率為1 kHz、幅值為±2.000 V的正弦交流信號和頻率為50 kHz、幅值為±2.000 V的正弦交流信號，其中1 kHz信號屬于通帶頻率信號，50 kHz信號為阻帶頻率信號。經試驗，該電路對通帶頻率信號有良好的傳遞特性，對阻帶頻率信號的抑制作用很明顯。

多次試驗后，調理電路對通帶信號的滯后延時Δt均在6 μs左右。由于本次輸入波形的頻率為1 kHz，因此可知該調理電路的相位差為：

Δα=Δt×360°×f=10×10-6×360×1×103=3.6°

(4)

該相位偏差比較穩定，且相位偏差比較小，基本滿足試驗設計要求。A/D數據統計及實際電壓值如表1所示。

表1　A/D轉換數據統計及對應的實際電壓值

試驗中為檢測A/D轉換芯片的轉換精度，對A/D采集回的數據進行了分析處理，輸入信號為頻率12.5 kHz、幅值2 V的交流正弦波信號。

由于本次采用的A/D轉換芯片的采樣率為250 kS/s，輸入信號為12.5 kHz，計算得出采樣數據每20個數據一個輪回，所以在此只列出其中20個連續的數據。根據表1所示數據，我們可以繪出其對應的二維坐標曲線，如圖5所示。

圖5　Matlab繪制的二位曲線坐標圖

由圖5可以看出，經模數轉換芯片轉換之后還原的波形趨近于正弦波。隨著周期采樣個數的增加，這條曲線會變得更加光滑，更加貼近實際效果。

4結束語

本次設計的信號采集電路，其主要設計目的是保證采集到的信號不會發生失真，且信號經過調理、轉換后，相位偏差比較小且穩定。經過上述數據分析不難得到，設計的調理電路能夠保證以上要求，基本達到了設計的預期目的。

參考文獻

[1] 劉文怡,馮耀輝,李海宏，等.分布式聲探測無線網絡時間同步算法研究[J].電子測試,2008,168(8)：4-8.

[2] 崔莉,鞠海玲,苗勇，等.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展，2005,42(1):163-174.

[3] Ma Xing,Liu Jun,Li Jie.Research on CPLD application in the high accuracy and synchronous data acquisition system based on DSP[C]∥Seventh International Testing Technology Seminar,2007.

[4] 陳仲韜,馬少偉.對UWB接收機脈沖檢波器放大器仿真及硬件電路設計[J].信息通信,2009(5)：29-32.

[5] 畢滿清.模擬電子技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2010.

[6] 丁海飛,王紅亮,張會新,等.基于ADS8365的多路數據采集存儲系統設計[J].化工自動化及儀器，2011(9)：81-84.

[7] Texas Instruments.ADS8365 data book[Z].United States:Texas Instruments,2006.

[8] 李海真,孫運強,許鴻鷹.高精度多路溫度采集模塊硬件電路設計[J].電子測試，2008(12)：58-64.

中圖分類號：TN925+.1

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502022

國家“863”計劃基金資助項目(編號：2011AA0404040)。

修改稿收到日期：2014-04-25。

第一作者閆安斌(1989-)，男，現為中北大學電子與通信工程專業在讀碩士研究生；主要從事無線傳感器網絡聲定位目標跟蹤的研究。