声探测无线传感器网络节点信号采集电路设计

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

闫安斌1,2　甄成方1,2　刘文怡1,2

(中北大学电子测试技术国家重点试验室1，山西 太原　030051；仪器科学与动态测试教育部重点试验室2，山西 太原　030051)

声探测无线传感器网络节点信号采集电路设计

Design of the Signal Acquisition Circuit

Based on Acoustic Detection for Wireless Sensor Network Nodes

闫安斌1,2甄成方1,2刘文怡1,2

(中北大学电子测试技术国家重点试验室1，山西 太原030051；仪器科学与动态测试教育部重点试验室2，山西 太原030051)

摘要：无线传感器网络节点的优劣直接关系到无线传感器网络的生存周期及其传递数据的可靠性，考虑到无线传感网络节点对外界信息感知的要求，设计了一种带通滤波的声音信号采集电路。声信号经模电转换后，滤波、偏置、放大、跟随和A/D转换，将模拟电信号转换为数字信号。测试结果表明，信号转换过程中对通频带中的信号有良好的传递特性，保证不失真和相位偏差最小且稳定，对通频带外信号的抑制效果很明显。

关键词：无线传感器网络带通滤波声音信号采集A/D转换相位偏差

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

噪声是物体在工作中产生的不可避免的副产品，被动声探测无线传感器网络就是利用目标的这一特征，实现对目标的探测、识别、定位以及追踪[1]。被动声探测无线传感器网络系统具有隐蔽性好、不受视线和能见度的限制、不易被干扰、探测范围不受限制等几大优点，目前正受到国内外军事界、工业界乃至学术界人士的广泛关注[2]。

本设计的主要目的是提供一种以声音为采集信号的无线传感器网络节点硬件设计电路。设计电路中包含信号调理电路与模数转换电路，通过设计的信号调理电路，对传声器采集到的声音进行滤波、偏置、放大与信号跟随，实现信号的有效性和稳定性，减少模数转换芯片的工作量，便于信号采集。同时本设计中的调理电路对幅值小于2 V、频率小于20 kHz的交流信号有良好的传输特性。

1节点总体设计方案

传感器节点为无线传感器网络的基本组成单位[3]，无线传感器网络的使用特性和使用环境，决定了传感器节点的硬件设计的考虑重点。本次设计的节点在不影响性能的前提下，采用了较少的芯片和封装更小的同类器件，而且设计的PCB板采用多层设计结构，使得节点体积尽量小、成本尽量低。电路供电模块中采用了FPGA控制继电器通断的方式，使得节点的部分芯片在无数据处理的情况下，处于掉电模式，从而达到低功耗的要求。最后是稳定性设计，由于能量供应模块采用高容量电池，所以节点的芯片工作电压能够保持稳定，不受外界干扰。本次设计的总体设计方案如图1所示。

图1　总体电路设计示意图

2硬件电路设计

2.1　供电电路设计

供电电路能否提供稳定的电压直接影响着系统是否能够保证稳定高效的运行。本系统中由于使用到的芯片种类较多，而且FPGA在使用中对电压的稳定性要求较高，所以在本系统中，电源模块显得十分重要。本系统中具体的电压转换示意图如图2所示。

图2　电源模块电压转换示意图

本系统中的电源模块采用两个12 V的移动电源串联构成24 V电压作为能量供应装置。图2中，3 mA恒流源是为传声器提供能量供应。根据产品使用说明书，该传声器的正常工作需要提供3 mA的恒流源。本设计中的恒流源是通过采用三端可调的电流源芯片LM134外接电阻实现的，其输出电流的大小，可通过改变外接电阻的阻值进行调节，使用十分灵活方便。该芯片可通过外接二极管，与电阻搭配，使芯片的温漂最小化，使得电流输出相对稳定。这为后续的传声器进行信号采集提供了一个相对较好的环境，使采样结果更加可靠。

由图2可看出，本设计中涉及到2.5 V基准电压的使用。本设计中为使基准电压不受电路板上其他芯片的影响，采用24 V转5 V、再转2.5 V的方式。LM136H-5 V是一款稳定性十分良好的电压转换芯片，具有较宽的输入电压范围(6~36 V)，而且其输出电压受温度影响很小。此外该芯片对外部供电电压没有十分苛刻的要求，只要供电大于6 V，即可输出稳定的5 V电压，不会因为供电电压的不稳定而导致输出电压不稳定。5 V转2.5 V电压的设计是使用OPA234高精度的集成运放外接电阻实现的。经测试,其实际输出电压为2.49 V，基本满足后续电路的设计要求。

由于本系统中其余各大模块均是采用5 V电压或者经5 V转为其他的电压等级，功耗相对较高，因此经综合考虑，系统选用散热性和允许通过电流值较大的电压转换芯片LT1084。其余电压等级(3.3 V、1.2 V)采用AMS1117与电源芯片TPS70358实现。

2.2　调理电路的设计

本系统的功能主要是采集节点周边的声音信号，基于声达时间差确定发声体的位置，所以信号采集的精度直接影响着后续的数据处理，因而也直接影响着整个节点的精度。该系统中数据采集模块显得十分关键。本设计中，信号采集主要分为信号调理和A/D转换两大部分。采集模块利用高精度的传声器接收节点周围的声音信号，并转换为模拟电信号；模拟电信号通过信号调理电路调理之后，传送给A/D转换芯片，转换为数字信号。

为达到信号衰减最小、相位偏差最小而又不影响调理电路的基本功能要求，综合考虑后，在设计中采用了较少的芯片，达到了最佳的效果。具体电路设计如图3所示。

图3　调理电路设计

从图3可以看出，本次设计的调理电路包含了滤波、放大、偏置、信号跟随的基本功能。

图1中，典型的压控式电压源二阶低通滤波电路[4]对通带信号的电压有放大作用。由于本次试验所采集的声音模拟信号为人耳可识别的声音，即20 Hz～20 kHz频率范围内的声音信号，所以该滤波电路选择低通滤波，将20 kHz以上的信号滤掉，即截止频率fH=20 kHz。由于二阶低通滤波器的截止频率fH=0.37f0(f0为滤波电路的特征频率),因此根据低通滤波电路的特征频率计算公式为：

(1)

从而可以得出:

(2)

电容C的容量一般选择低于1 μF，本次设计中结合RC的值，采用1 nF电容，则R=2.94 kΩ。根据贴片电阻的标准阻值，选择R1=R2=3 kΩ[5]。

该二阶压控式低通滤波电路具有放大作用，它是由R4、R5与集成运放共同实现，其放大倍数为：

(3)

由于本次使用的传声器，其输出电压为正负交变的交流信号，最大幅值接近2 V，且考虑到集成运放的实际应用，其输出电压的范围为0~4.6 V，传声器信号经偏置后电压范围为0.5~4.5 V，因此，为保证信号不失真，综合考虑后，该放大电路的放大倍数应趋近于1，故本次设计选择R4=10 kΩ，R5=1 MΩ。

本次设计的调理电路还包含电压偏置作用。偏置电路是通过给集成运放的正向输入端(即信号输入端)串联电阻接入2.5 V的直流电压实现的。接入2.5 V的直流电压使得输入为正负交错的交流信号整体偏置2.5 V，便于A/D芯片的采集及随后的数据分析。最后，为使采集到的模拟信号比较稳定，系统特意添加了电压跟随电路。

2.3　A/D转换电路的设计

数据的数模转换[6-7]选用了ADS8365芯片。该芯片能够实现6路同时采样，是一种高速、低功耗、同步采样转换器件，具有16位高速并行接口。每片ADS8365由3个转换速率为250 kS/s的ADC构成，每个ADC有2个模拟输入通道，每个通道都带有采样保持器。3个ADC可组成3对模拟输入，可对其中的输入信号同时采样保持，最大采样吞吐率可高达5 MHz。该芯片的输出信号为16位二进制数字信号，分辨率可达1/(216-1)，精度满足试验需求。此外，该芯片在50 kHz的高噪环境中，共模抑制比可达80 dB，特别适用于高噪环境。A/D转换电路的设计示意图如图4所示。

图4　模数转换电路设计示意图

3试验结果及数据分析

本设计的主要目的是设计一个高精度的调理电路。调试试验主要包括：检测采集板电源模块的各个电压等级是否满足设计试验要求；调理电路是否能够保证波形的不失真；波形经调理电路之后输出电压的范围是否合适；A/D采集应首先保证其外围电路工作正常。出现问题时,应检查外接晶振是否起振,外围电路是否与芯片技术资料中介绍的工作状态一致，信号接入是否合适等[8]。

试验中，输入信号拟采用信号发生器给定一个频率为1 kHz、幅值为±2.000 V的正弦交流信号和频率为50 kHz、幅值为±2.000 V的正弦交流信号，其中1 kHz信号属于通带频率信号，50 kHz信号为阻带频率信号。经试验，该电路对通带频率信号有良好的传递特性，对阻带频率信号的抑制作用很明显。

多次试验后，调理电路对通带信号的滞后延时Δt均在6 μs左右。由于本次输入波形的频率为1 kHz，因此可知该调理电路的相位差为：

Δα=Δt×360°×f=10×10-6×360×1×103=3.6°

(4)

该相位偏差比较稳定，且相位偏差比较小，基本满足试验设计要求。A/D数据统计及实际电压值如表1所示。

表1　A/D转换数据统计及对应的实际电压值

试验中为检测A/D转换芯片的转换精度，对A/D采集回的数据进行了分析处理，输入信号为频率12.5 kHz、幅值2 V的交流正弦波信号。

由于本次采用的A/D转换芯片的采样率为250 kS/s，输入信号为12.5 kHz，计算得出采样数据每20个数据一个轮回，所以在此只列出其中20个连续的数据。根据表1所示数据，我们可以绘出其对应的二维坐标曲线，如图5所示。

图5　Matlab绘制的二位曲线坐标图

由图5可以看出，经模数转换芯片转换之后还原的波形趋近于正弦波。随着周期采样个数的增加，这条曲线会变得更加光滑，更加贴近实际效果。

4结束语

本次设计的信号采集电路，其主要设计目的是保证采集到的信号不会发生失真，且信号经过调理、转换后，相位偏差比较小且稳定。经过上述数据分析不难得到，设计的调理电路能够保证以上要求，基本达到了设计的预期目的。

参考文献

[1] 刘文怡,冯耀辉,李海宏，等.分布式声探测无线网络时间同步算法研究[J].电子测试,2008,168(8)：4-8.

[2] 崔莉,鞠海玲,苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，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] 陈仲韬,马少伟.对UWB接收机脉冲检波器放大器仿真及硬件电路设计[J].信息通信,2009(5)：29-32.

[5] 毕满清.模拟电子技术基础[M].北京：电子工业出版社，2010.

[6] 丁海飞,王红亮,张会新,等.基于ADS8365的多路数据采集存储系统设计[J].化工自动化及仪器，2011(9)：81-84.

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

[8] 李海真,孙运强,许鸿鹰.高精度多路温度采集模块硬件电路设计[J].电子测试，2008(12)：58-64.

中图分类号：TN925+.1

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502022

国家“863”计划基金资助项目(编号：2011AA0404040)。

修改稿收到日期：2014-04-25。

第一作者闫安斌(1989-)，男，现为中北大学电子与通信工程专业在读硕士研究生；主要从事无线传感器网络声定位目标跟踪的研究。