声学键盘半实物系统的设计与实现

论文摘要

随着计算机技术的发展,人们对计算机的简洁化和人性化提出了更高的要求。减轻计算机的重量,减小计算机的体积,是现代计算机发展的一个重要方向,作为计算机一个必不可少的输入设备,键盘也将朝着这个方向发展。从键盘的应用背景和发展趋势出发,我们提出了声学计算机键盘的思想。即利用一张普通白纸,上面印有各种键盘符号,当需要输入信息时,只需要轻轻敲击白纸上的字符,利用麦克风阵列捕获敲击音信号,通过对敲击音的处理,可以得到被敲击的字符,将其嵌入到操作系统中,就实现了传统计算机键盘输入信息的功能。本文主要研究基于PC机设计与实现声学计算机键盘半实物系统的问题。首先简单介绍了麦克风阵列模型和近场源定位算法。为降低阵列模型的幅度和相位误差对定位算法性能的影响,本文在研究远场天线阵列误差校正方法的基础上,针对近场均匀麦克风线阵,提出了一种利用单一校正源对阵列模型误差进行校正的方法,并将其应用到了实际麦克风阵列的校正中。文中给出了半实物系统的整体结构,并简要分析了系统各组成部分需具备的功能,随后对各组成部分的设计思想和方法进行了详细的描述。为了完成基于麦克风阵列的数据采集,我们用NI公司的数据采集卡PCI-6024E构造了一个多路数据采集系统,并针对PCI-6024E不能进行多路数据同步采集的问题,提出了一个工程解决方案。此外,为提高采样率,解决了两块数据采集卡同步采集麦克风阵列数据的问题,并完成了双卡同步的软硬件设计。详细讨论了半实物系统上位机软件部分的设计方法,给出了各个部分的程序设计框图和设计效果图。讨论了系统调试过程中遇到的问题,对系统的运行效果进行了评估,本声学键盘半实物系统设计达到设计要求,可为深入研究近场声学被动定位问题和验证声学键盘方案的性能提供重要的支撑作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.2 课题提出
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 本文工作
• 1.4 本文结构
• 第2章 近场声源定位算法
• 2.1 敲击音信号特点
• 2.2 阵列模型
• 2.3 基于边沿检测时延估计的声源定位算法
• 2.4 时延-相关波束形成定位算法
• 2.5 改进的近场2D-MUSIC声源定位算法
• 2.6 基于高阶累积量的近场源定位算法
• 2.7 本章小结
• 第3章 近场条件麦克风阵列幅相校正技术
• 3.1 阵列模型误差的影响
• 3.1.1 增益误差的影响
• 3.1.2 相位误差的影响
• 3.2 阵列误差的校正
• 3.3 实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 声学键盘半实物系统硬件设计与实现
• 4.1 声学键盘半实物系统整体结构
• 4.2 纸键盘和麦克风阵列的设计
• 4.3 信号调理电路设计
• 4.3.1 运算放大器的选择
• 4.3.2 电路设计及制版注意事项
• 4.4 多路数据同步采集的设计与实现
• 4.4.1 数据采集卡PCI-6024的结构及其工作原理
• 4.4.2 采样保持电路的设计
• 4.4.3 采样保持控制信号的产生
• 4.5 双数据采集卡同步采集的设计与实现
• 4.5.1 RTSI总线
• 4.5.2 双数据采集卡的配置
• 4.5.3 双卡同步采集软件设计
• 4.6 数据采集部分的软件设计
• 4.6.1 数据采集及存储软件设计
• 4.6.2 动态链接库文件的生成
• 4.7 本章小结
• 第5章 声学键盘半实物系统的软件设计
• 5.1 半实物系统用户界面的体系结构
• 5.2 半实物平台设计
• 5.2.1 参数设置栏
• 5.2.2 现场采集数据的实现
• 5.2.3 数据载入栏
• 5.2.4 选择算法栏
• 5.2.5 结果显示栏
• 5.2.6 虚拟键盘
• 5.2.7 半实物平台整体设计效果
• 5.3 仿真平台1和仿真平台2设计
• 5.3.1 参数设置栏
• 5.3.2 选择算法栏、结果显示栏、虚拟键盘
• 5.3.3 仿真平台1和仿真平台2整体效果
• 5.4 使用说明部分设计
• 5.5 算法实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统调试及效果评价
• 6.1 系统的调试
• 6.2 系统运行效果评价
• 6.2.1 现场采集数据及运算过程验证
• 6.2.2 加载数据及运算过程验证
• 6.3 系统运行效果评价
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢