[发明专利]一种面向行为感知的便捷超声多路收发硬件系统

说明书

一种面向行为感知的便捷超声多路收发硬件系统，包括USB同步收发声卡、带操作系统的平台、超声发生音响及麦克风阵列；USB同步收发声卡包括MCU、TXCO、USB、音频DAC、低噪声LDO及麦克风接口等电路，该声卡其能接入带操作系统的平台的USB接口，并识别为USB音频播放和录音设备，由上位机程序控制USB音频驱动实现自定义超声信号的收发；超声发生音响包括线性电源、信号冲击保护及节能电路、宽频功放电路及铝带式高音扬声器，声卡输出信号经功放电路功率放大后推动扬声器发出超声；麦克风阵列为1‑4个可采集超声频段的MEMS数字麦克风组成的阵列。本系统成本低且普适性好，能够便捷控制，实现在20K‑40KHz频段内任意超声信号的多路同步收发。

技术领域

本发明属于电子电路与信号系统技术领域，涉及一种利用超声波信号用于行为感知等应用研究的支撑平台，特别涉及一种面向行为感知的便捷超声多路收发硬件系统。

背景技术

近年来诞生了一个新兴的前沿研究热点—“无线感知”，无线感知技术主要通过普适的无线信号，如RF、WiFi、超声波等对人进行非接触式的行为感知，这些信号不受光线条件影响，不窥探隐私，能应用于健康监护、新型人机交互、行为识别等，受到了学术界和产业界的广泛关注与重视。超声波具有无辐射、易获取、不受环境噪声、光线、物体颜色等影响、不窥探隐私，与激光和红外相比能确保人眼安全等优点。因此，近年来，一些国内外著名无线感知研究团队利用超声波开展了一些高精度且极具实用价值的行为感知方面的研究，如：人体呼吸监测、步态识别、手势识别、轨迹追踪、跌落检测、入侵检测等。

目前面向行为感知的超声波收发硬件平台可分为商用设备和自制设备两类，但都存在种种缺陷。商用设备包括智能移动设备(如：PC、智能手机及手表等)和音响麦克风设备，这些商用设备一般不直接具备高采样率和超声频段的收发能力，目前普适性并不好，一般研究者能利用的是18-22KHz频段，据有关研究显示部分婴儿和儿童能听到略高于20KHz超声，可见应用于家居有干扰儿童的隐患。据相关资料显示，一些牲畜的听觉范围高于人的听觉范围(牛听觉上限约为35KHz，羊听觉上限约为30KHz，马听觉范围约为25KHz)，这就限制了目前商用设备无法应用于牲畜。还有，这些商用设备无法灵活地实现多发多收，有些甚至需要长时间软件矫正采样频偏。另一方面，目前基于自制设备所采用的压电超声换能器一般只能发送固定频率，实现调频的硬件成本很高，甚至需高压才能驱动，而且波束角和灵敏度很小，感知范围受限。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点并进一步拓宽基于超声的行为感知的应用范围，本发明的目的在于提供一种面向行为感知的便捷超声多路收发硬件系统，能够在20K-40KHz频段内任意设计发送的超声信号，并且能够接收信号；其次，能够灵活地组装并结合上位程序实现多路或单路的超声信号收发，是一种控制便捷、频带宽、能实现超声多发多收且收发同步的硬件平台。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向行为感知的便捷超声多路收发硬件系统，包括：

麦克风阵列，为1-4个可采集超声频段的MEMS数字麦克风组成的阵列；

USB同步收发声卡，包括微控制器、晶振、USB通信电路、音频DAC、低噪声LDO及麦克风接口，所述麦克风阵列通过麦克风接口与USB同步收发声卡连接，实现单收或多收；

带操作系统的平台，其USB接口与USB同步收发声卡通过USB通信线连接，识别所述USB同步收发声卡为USB音频播放和录音设备；

超声发生音响，通过音频线与USB同步收发声卡连接，包括线性电源、信号冲击保护及节能电路、宽频功放电路以及扬声器，所述USB同步收发声卡输出信号经宽频功放电路功率放大后推动扬声器发出声波，所述USB同步收发声卡采用分两条单声道的音频线连接两台超声发生音响，从而实现单发或独立两发。