科研訓(xùn)練結(jié)題報告

PAGE4聲源目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)化定位與特征辨識（1、南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院測控系江蘇省南京市2100942、南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院測控系江蘇省南京市2100943、南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院測控系江蘇省南京市210094）指導(dǎo)老師：**（講師）中文摘要：聲源目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)化定位與特征辨識技術(shù)的特點(diǎn)在于精確定位、信號特性識別和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。本小組針對該課題并結(jié)合自身能力，進(jìn)行了對單個聲源的定位和信息有線傳輸?shù)膶?shí)踐，經(jīng)歷前期知識儲備、成員工作分配、總體方案設(shè)計、定位算法和程序設(shè)計、電路搭建及調(diào)試等過程，利用msp430單片機(jī)和labview軟件搭建系統(tǒng)，確定三點(diǎn)直角坐標(biāo)的定位算法，完成系統(tǒng)的基本搭建，達(dá)到儲備知識、理解課題意義的目的。最終的調(diào)試結(jié)果存在較大的問題，需要進(jìn)一步檢驗和改進(jìn)。英文摘要：Networklocationandcharacteristicsofthesourceobjectrecognitiontechnologyischaracterizedbyprecisepositioning,signalcharacteristicstoidentifyandtransferthewirelessnetwork.Thetopicforthisgroupandwiththeirownabilitytocarryoutthepracticeofasinglesoundsourcelocalizationandinformationcabletransmission,throughpre-knowledgebase,workassignmentsmembers,theoverallprogramdesign,localizationalgorithmandprogramdesign,buildandcommissioningprocesscircuitusingmsp430microcontrollerandlabviewsoftwarebuildsystemtodeterminelocationalgorithmthreeCartesiancoordinates,thebasicbuildingcompletesystems,toreservetheknowledge,understandingthesignificanceofthepurposeofthesubject.Thereisabigissuefinalcommissioningresultsneedfurtherverificationandimprovement.關(guān)鍵詞：聲源定位、msp430型單片機(jī)、labview實(shí)踐具體內(nèi)容要實(shí)現(xiàn)完整的課題內(nèi)容是不太現(xiàn)實(shí)的，根據(jù)項目內(nèi)容、老師建議和自身能水平，我們決定本小組的實(shí)踐內(nèi)容為：1、在小范圍內(nèi)對單個聲源進(jìn)行定位；2、降低要求，使用有線信息傳輸方式；3、沒有進(jìn)行特征辨識的功能實(shí)現(xiàn)；最終決定為：利用msp430單片機(jī)和虛擬儀器labview，完成對單聲源的位和結(jié)果上傳到pc的功能。小組成員分工和大致流程我們小組組員大致的分工是***負(fù)責(zé)上位機(jī)軟件，***負(fù)責(zé)單片機(jī)部分，**負(fù)責(zé)接收電路調(diào)理電路工作，當(dāng)然實(shí)際過程中互有交集也互相幫忙。前期大部分時間以知識儲備為主，學(xué)習(xí)單片機(jī)、labview等基礎(chǔ)；中期確定好總體方案和各部分細(xì)節(jié)的設(shè)計；最后完成系統(tǒng)的搭建和測試，并對結(jié)果檢驗和改進(jìn)。三、方案設(shè)計（一）、單片機(jī)選擇：本小組使用的單片機(jī)型號是老師提供的msp430g2553，MSP430系列單片機(jī)是TI1996年開始推向市場的一種16位超低MSP430單片機(jī)，擁有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。使用的編譯環(huán)境為ti公司出品的dsp編譯器CCS5.3，編寫程序方便高效。（二）、聲傳感器選擇：一開始本小組在學(xué)長的指導(dǎo)下，計劃用駐極體、運(yùn)放等元器件自制接收電路，手焊了一些板子，但是由于手焊且是模擬輸出，不便于處理；后來我們決定上網(wǎng)購買數(shù)字輸出的聲傳感器模塊，價格便宜，其工作情況是沒有接受的聲音時輸出高電平，接收到聲音時輸出低電平。（三）、傳輸方式：出于器材限制和簡化操作的考慮，我們沒有計劃用無線傳輸?shù)姆绞剑侵苯邮褂脝纹瑱C(jī)自帶的uart串口傳輸模塊，uart為全雙工異步通信協(xié)議，其特點(diǎn)是只使用兩根線，傳輸速度比spi慢，且不能多主機(jī)。由于該單片機(jī)設(shè)計成可直接用uart模式通過usb數(shù)據(jù)線與pc通信的結(jié)構(gòu)，所以可以方便的使用該種串口模式。（四）、上位機(jī)軟件選擇：上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件我們選擇虛擬儀器軟件labview，虛擬儀器是借助計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力，用軟件模擬儀器使用和測量，LabVIEW是一種虛擬儀器程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW使用圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，使用方便。（五）、定位算法選擇：常用的測距定位算法有基于信號到達(dá)時間差的方法、基于信號到達(dá)方位角的方法和基于射頻干涉測距的方法等，我們使用的是信號到達(dá)時間差的方法，其原理如下：圖中A、B、C為聲音接收點(diǎn)，構(gòu)成直角坐標(biāo)，S為聲源，l1、l2、l3表示聲音傳播的路線，和SA即方位角和距離，x、y為直角坐標(biāo)下的坐標(biāo)，AB=d1，AC=d2；設(shè)聲源到A、C兩點(diǎn)的時間差為，聲源到A、B兩點(diǎn)的時間差為，則有：,（表示聲速）即有：①②根據(jù)余弦定理，有：③④可得：=⑤=⑥因為：可解得：SA=或其中：a=b=c=得到SA即可得到和，則：X=，y=所以在下位機(jī)需要測得參數(shù)是兩個時間差和，在上位機(jī)上根據(jù)算法計算出結(jié)果。四、單片機(jī)軟件設(shè)計（一）、基本思想：單片機(jī)進(jìn)行的是數(shù)據(jù)采集工作，需要記錄下時間差，考慮用單片機(jī)的定時器記錄時差；采集信號使用三個聲傳感器，每個傳感器接受到聲音時輸出低電平，所以可用io中斷判斷有無接受；聲音的速度為340m/s，實(shí)驗中聲源距兩個傳感器的距離差假設(shè)為20cm，則時差為5.8e-4s，為了記錄時差，定時器的時鐘頻率要足夠高，可定為8mhz，則相應(yīng)的計數(shù)值為4640，應(yīng)該足夠定量；三個傳感器對應(yīng)三個io中斷，在每次中斷里記錄下計數(shù)值，共記錄三個計數(shù)值，將計數(shù)值上傳到上位機(jī)，但要注意三個中斷的先后順序，在第一個中斷中開始計時，最后一個中斷發(fā)送三個計數(shù)值；在程序中配置好uart參數(shù)，波特率9600kps，8位數(shù)據(jù)位數(shù)，無奇偶校驗位，一位停止位。（二）、流程圖：（三）、程序代碼：#include<msp430.h>unsignedintlongth1=0;//P2.0接受時刻unsignedintlongth2=0;//P2.1接受時刻unsignedintlongth3=0;//P2.4接受時刻unsignedinti=0;//記錄次數(shù)unsignedintPush_Key=0;//判斷io口voiduart_init(void)//uart串口配置{ P1SEL=BIT1+BIT2;//P1.1=RXD,P1.2=TXD P1SEL2=BIT1+BIT2;//P1.1=RXD,P1.2=TXD UCA0CTL1|=UCSWRST; UCA0CTL1=UCSSEL_2+UCSWRST; UCA0MCTL=UCBRF_0+UCBRS_1; UCA0BR0=104; UCA0CTL1&=~UCSWRST;}voidmain(void){WDTCTL=WDTPW|WDTHOLD; //StopwatchdogtimerBCSCTL1=CALBC1_8MHZ;//設(shè)定cpu時鐘DCO頻率為8MHzDCOCTL=CALDCO_8MHZ;TA1CTL=TASSEL_2+MC_2+TACLR;//

選擇SMCLK為時鐘，增計數(shù)模式

uart_init();//uart串口配置//P2.0為一路輸入P2SEL&=~BIT0;P2DIR&=~BIT0;//P2.0設(shè)為輸入P2IES|=BIT0;//設(shè)為下降沿中斷P2IE|=BIT0;//允許P2.0中斷//P2.1為一路輸入P2SEL&=~BIT1;P2DIR&=~BIT1;//P2.1設(shè)為輸入P2IES|=BIT1;//設(shè)為下降沿中斷P2IE|=BIT1;//允許P2.1中斷//P2.4為一路輸入P2SEL&=~BIT4;P2DIR&=~BIT4;//P2.4設(shè)為輸入P2IES|=BIT4;//設(shè)為下降沿中斷P2IE|=BIT4;//允許P2.4中斷P2IFG=0; _enable_interrupts(); while(1);}//io口中斷程序#pragmavector=PORT2_VECTOR__interruptvoidPORT2_ISR(void){ if(P2IFG&BIT0) { if(i==0)//如果是P2.0首先觸發(fā) { TA1CTL|=TACLR; longth1=0; } else {longth1=TA1R; } i++; if(i==3) { while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1>>8;//longth1高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1;//longth1低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2>>8;//longth2高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2;//longth2低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3>>8;//longth3高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3;//longth3低八位發(fā)出 i=0; } P2IFG=0;//判斷io口時查詢了P1IEG，退出中斷時需手動清除 } if(P2IFG&BIT1) { if(i==0)//如果是P2.1首先觸發(fā) { TA1CTL|=TACLR; longth2=0; } else { longth2=TA1R; } i++; if(i==3) { while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1>>8;//longth1高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1;//longth1低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2>>8;//longth2高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2;//longth2低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3>>8;//longth3高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3;//longth3低八位發(fā)出 i=0; } P2IFG=0;//判斷io口時查詢了P1IEG，退出中斷時需手動清除} if(P2IFG&BIT4) { if(i==0)//如果是P2.4首先觸發(fā) { TA1CTL|=TACLR; longth3=0; } else { longth3=TA1R; } i++; if(i==3) { while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1>>8;//longth1高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth1;//longth1低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2>>8;//longth2高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth2;//longth2低八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3>>8;//longth3高八位發(fā)出 while(!(IFG2&UCA0TXIFG)); UCA0TXBUF=longth3;//longth3低八位發(fā)出 i=0; } P2IFG=0;//判斷io口時查詢了P1IEG，退出中斷時需手動清除 }}五、labview編程、基本思想：labview的編程主體是串口控件visa，主要是visa配置串口、visa讀取、visa關(guān)閉等控件；要注意的是visa讀取出的數(shù)據(jù)格式是字符串，而后續(xù)的數(shù)據(jù)處理需要是數(shù)值格式，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換好后在程序框圖中寫入算法。（二）、程序框圖：界面：數(shù)據(jù)處理部分：六、硬件制作此次科研訓(xùn)練中涉及的硬件設(shè)施不多，也沒有大量涉及到模擬電路，主要需要的是做一個測試板，三個角分布三個傳感器，實(shí)物圖如下：正面：背面：傳感器探頭：單片機(jī)：七、測試結(jié)果將整個系統(tǒng)連接好后，在坐標(biāo)大概為（0,10.375）cm的位置拍手發(fā)聲，理論計算的計數(shù)值應(yīng)為：longth1=4882，longth2=0，longth3=9323，但是顯示的結(jié)果并不對，如下