基于FPGA的異常聲音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍宗富　陳日新　朱明旱

摘要:通過對(duì)異常聲音的短時(shí)信號(hào)分析,使用FPGA對(duì)異常聲音的短時(shí)過零率、短時(shí)能量等目標(biāo)特征提取,實(shí)現(xiàn)將異常聲音從背景聲音中分離出來進(jìn)行識(shí)別報(bào)警,實(shí)現(xiàn)切削與切割等機(jī)械加工設(shè)備的智能化。

關(guān)鍵詞:異常聲音;FPGA;識(shí)別

中圖分類號(hào):TP 391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1引言

在進(jìn)行切削與切割等機(jī)械加工時(shí),對(duì)在某種特定的正常環(huán)境下所不應(yīng)該發(fā)生的異常聲音進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行報(bào)警保護(hù),有利于自動(dòng)化生產(chǎn)的智能化,并具有很高的實(shí)用價(jià)值。為了產(chǎn)品的集成與知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),本文提出了使用FPGA進(jìn)行異常聲音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過對(duì)聲音信號(hào)的現(xiàn)場采集和短時(shí)分析,并提取工作時(shí)的聲音信號(hào)特征,比較正常環(huán)境工作的聲信號(hào)特征和發(fā)生故障時(shí)的異常聲音特征,如有異常聲音則將其識(shí)別并發(fā)出報(bào)警和輸出控制指令進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備保護(hù)。

2 異常聲音報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

異常聲音報(bào)警系統(tǒng)工作流程可分為聲信號(hào)獲取、信息預(yù)處理、異常聲音識(shí)別和輸出控制。為了實(shí)現(xiàn)異常聲音報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的靈活性,使用FPGA器件進(jìn)行異常聲音報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)。因?yàn)镕PGA器件在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域有許多專用DSP不可比擬的優(yōu)點(diǎn),如速度、IP核的復(fù)用、可集成性等。還可使用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)其它邏輯與A/D、PWM等相關(guān)控制[1]。為了更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),使用MATLAB/Simulink、Altera公司的DSP Builder。在MATLAB/Simulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真,同時(shí)可通過Signal Compiler把MATLAB/Simulink的設(shè)計(jì)文件(.mdl)轉(zhuǎn)化成硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)文件(.vhd)以及生成用于控制綜合與編譯的TCL腳本。DSP Builder可以幫助設(shè)計(jì)者完成基于FPGA器件且類似文獻(xiàn)[2]等算法處理的DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。異常聲音報(bào)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

話筒是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電信號(hào)。為了有較高的靈敏度,宜選用動(dòng)態(tài)電阻大,直流特性好的駐極體話筒。

程控放大是為了使輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)保持在合適的動(dòng)態(tài)范圍,由FPGA器件根據(jù)幅度檢測的大小控制程控放大電路的放大倍數(shù),從而滿足后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求。

程控濾波是根據(jù)異常聲音報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)用功能,先行設(shè)定何種用途異常聲音報(bào)警的濾波器。在人的聽覺閾值范圍內(nèi),不同的異常聲音有不同的信號(hào)強(qiáng)度集中,其聲學(xué)特征所處的頻率范圍不同,如直升機(jī)聲音信號(hào)的能量主要集中在400 Hz以內(nèi),而坦克聲音信號(hào)的能量主要集中在2 kHz以內(nèi)。在此可選擇MAX264其通帶截止頻率達(dá)140 kHz,可滿足聽覺范圍20 kHz以內(nèi)濾波要求。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬的聲音信號(hào)進(jìn)行采樣/量化形成數(shù)字信號(hào)輸送到FPGA器件,以利于FPGA器件進(jìn)行相關(guān)異常聲音識(shí)別處理。

FPGA器件是將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行FIFO、預(yù)加重處理、分幀加窗、短時(shí)平均幅度、短時(shí)過零率、特征存儲(chǔ)、異常聲音警示輸出、異常聲音控制輸出等,從而實(shí)現(xiàn)異常聲音的報(bào)警與控制。

3異常聲音識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)觀測發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行切削與切割等機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生異常聲音的某子帶能量高于正常時(shí)其子帶能量,在此采用短時(shí)能量和短時(shí)過零率分析法[3]。異常聲音識(shí)別算法如圖2所示。

3.1預(yù)加重處理

預(yù)加重的目的是增加聲音信號(hào)中較弱的高頻部分,由于聲目標(biāo)信號(hào)的平均功率譜在高頻端大約在800 Hz 以上按6 dB/倍頻程跌落, 為此要進(jìn)行預(yù)加重處理,用FIR濾波器實(shí)現(xiàn)。其Z傳遞函數(shù)為H (Z ) = 1- uz -1,其中u值接近于1,實(shí)踐中取0.94。計(jì)算公式為data(n)=S(n)-0.94*S(n-1), DSP Builder中的圖形建模如圖3所示。

3.2異常聲音特征提取

在異常聲音探測系統(tǒng)中特征提取由子帶分幀和短時(shí)能量、平均過零率等組成。在此采用矩形窗進(jìn)行分幀加窗,窗口的長度設(shè)為60 ms,采樣頻率為40 kHz,這樣用矩形窗截取聲目標(biāo)信號(hào)形成分析幀,為了保證聲目標(biāo)信號(hào)幀的連續(xù)性,在此采用交疊分幀方法,幀長為矩形窗的取樣數(shù)2400點(diǎn),幀移10 ms,即400點(diǎn)。在加窗的同時(shí),用一個(gè)乘累加器就可以計(jì)算每幀的能量,其分幀的實(shí)現(xiàn)和累加如圖4所示。圖中Multiply Accumulate的b輸入是常數(shù)1,表示加權(quán)值一直是1(矩形窗),如果使用其它窗,可以把窗口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ROM存儲(chǔ)器中,然后按對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取窗口數(shù)據(jù)并與其相乘,實(shí)現(xiàn)其它窗口。

短時(shí)過零率的關(guān)鍵就在于符號(hào)函數(shù),用ExtractBit模塊取出整型的符號(hào)為生成+1或者-1。在短時(shí)能量數(shù)據(jù)輸入前加符號(hào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)電路,如圖5所示。

3.3異常聲音判別

聲音判決是根據(jù)計(jì)算出當(dāng)前子帶幀的能量與無異常的能量比較,判斷是否為異常聲音。當(dāng)只有背景聲音時(shí),可計(jì)算出無異常聲音時(shí)的能量E0,而當(dāng)有異常聲音時(shí),可計(jì)算出E',顯然E'≠E0。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)判決閾值E,當(dāng)E'>E時(shí),說明有異常聲音;當(dāng)E'

4系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

基于DSP builder實(shí)時(shí)計(jì)算聲音信號(hào)的短時(shí)平均幅度和短時(shí)過零率,其DSP builder 框架如圖6所示。

通過Signal Compiler把MATLAB/Simulink的設(shè)計(jì)文件(.mdl)轉(zhuǎn)化成硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)文件(.vhd)以及生成用于控制綜合與編譯的TCL腳本。在實(shí)驗(yàn)中以高精切割設(shè)備模擬正常背景下的不正常的撞擊聲音,最后通過FPGA調(diào)試下載,能滿足實(shí)際上異常聲音報(bào)警及輸出控制電平。

5結(jié)論

使用FPGA器件進(jìn)行信號(hào)處理及應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),有利于知識(shí)的自主性與靈活性。通過對(duì)異常聲音報(bào)警系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn),將其應(yīng)用在高精切割設(shè)備的生產(chǎn)控制和故障探測,有益于企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備故障診斷,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)備的智能化。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍宗富,王立.基于數(shù)字信號(hào)處理器的電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,(8):47-51.

[2] 伍宗富,陳日新,朱明旱. 基于圖像識(shí)別的汽車智能防撞系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) [J]. 機(jī)械與電子,2008,(9):56-60.

(下轉(zhuǎn)第58頁)

[3] 李晶皎.嵌入式語音技術(shù)及凌陽16位單片機(jī)應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[4] 伍宗富. 基于DSP的電子橫移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紡織機(jī)械,2008,(10):37-39.

作者簡介

伍宗富,副教授/碩士,主要研究領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)探測與識(shí)別、數(shù)字通信與數(shù)據(jù)傳輸、嵌入式系統(tǒng);

陳日新,副教授/碩士,主要研究領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)探測與識(shí)別、數(shù)字通信與數(shù)據(jù)傳輸。