基于環(huán)境噪聲的廣播音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)

王玉芳 湯 杰 曹 輝 沈慧想

(南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化系,江蘇 南京 210044)

基于環(huán)境噪聲的廣播音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)

王玉芳 湯 杰 曹 輝 沈慧想

(南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化系,江蘇 南京 210044)

為實(shí)現(xiàn)廣播音量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了基于環(huán)境噪聲的廣播音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制器，通過噪聲檢測電路采集大廳內(nèi)的噪聲信號，利用MSP430片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并計(jì)算平均噪聲；根據(jù)處理后的平均噪聲，并利用音量控制電路切換分壓電阻，實(shí)現(xiàn)了廣播音量在動(dòng)態(tài)多變噪聲環(huán)境下的自適應(yīng)控制。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高，對廣播音量的自適應(yīng)控制效果顯著，能在保證大廳廣播傳播率的同時(shí)兼顧乘客的舒適度與節(jié)能性，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換器 自適應(yīng)控制 噪聲檢測 分壓電阻 語音播放

0 引言

在機(jī)場、車站及碼頭等公共交通樞紐中存在復(fù)雜的人為噪聲，如旅客的嘈雜聲、航班進(jìn)港離港以及機(jī)車進(jìn)出站所產(chǎn)生的噪聲等[1-2]。這些噪聲會(huì)直接影響乘客收聽大廳廣播的效果：若廣播音量較小，會(huì)導(dǎo)致乘客聽不清廣播內(nèi)容，錯(cuò)過出行的關(guān)鍵信息；若廣播持續(xù)大音量播音，則會(huì)大大降低乘客的舒適度。文獻(xiàn)[3]已關(guān)注公共廣播音量對環(huán)境的污染問題。為了實(shí)現(xiàn)公共廣播聲壓自動(dòng)調(diào)控功能，其從理論上討論了常用的信噪比自適應(yīng)技術(shù)及方法，但并未涉及完整的音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。因此，本文設(shè)計(jì)了基于環(huán)境噪聲的廣播音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)檢測到的實(shí)際環(huán)境噪聲大小自動(dòng)調(diào)節(jié)廣播音量，使播音音量略高于環(huán)境噪聲，既保證了廣播的信息傳播效率又兼顧了舒適性，同時(shí)也在一定程度上降低了廣播播音的電能消耗。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。噪聲檢測電路采集大廳內(nèi)的環(huán)境噪聲，通過電容式駐極體話筒MIC將噪聲聲波轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并計(jì)算平均噪聲；控制器根據(jù)平均噪聲自適應(yīng)調(diào)整音量控制電路中分壓電阻的電位切換，控制語音播放電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)音量的自適應(yīng)控制。為了便于觀測噪聲及播音音量大小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示電路及按鍵電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Block diagram of systematic structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

由于本系統(tǒng)需根據(jù)環(huán)境噪聲自適應(yīng)控制播音音量，兼顧最佳效果及節(jié)約能源的雙重目的，所以本系統(tǒng)選擇了美國德州儀器公司MSP430系列16位單片機(jī)MSP430F149作為控制器，其具有功耗低、運(yùn)算速度快[4-6]等特點(diǎn)。相對于51系列單片機(jī)而言，430系列單片機(jī)的I/O資源豐富，內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換模塊，更符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。系統(tǒng)的晶振頻率為8 MHz，指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)到125 ns，采用22 pF起振電容，效果較好且穩(wěn)定。

電源統(tǒng)一采用+3.3 V直流電源向控制器的數(shù)字電源和模擬電源供電，利用通用電源適配器輸出+5 V直流電壓，采用AM1117-3.3穩(wěn)壓芯片從+5 V中取得+3.3 V電壓，完全能夠滿足控制器電源電壓需求。同時(shí)，獲得的+3.3 V電壓被輸入至控制器的VeREF+端，可為后期ADC采樣提供參考電壓。為了穩(wěn)定電源，在控制器的數(shù)字電源和模擬電源引腳分別接0.1 μF的濾波電容。需要說明的是，在使用AM1117-3.3時(shí)，要在輸入端和輸出端并聯(lián)濾波電容，起到穩(wěn)定電源電壓的作用。在+5 V電源端串接一個(gè)D1發(fā)光二極管作為電源指示燈，可判斷電源有無電壓。

2.2 噪聲檢測電路

系統(tǒng)的噪聲檢測電路如圖2所示。

圖2 噪聲檢測電路

Fig.2 The noise detection circuit

電容式駐極體話筒MIC將噪聲聲波轉(zhuǎn)為電壓信號，由C21低頻濾波和C22高頻濾波后，再經(jīng)過可調(diào)電阻R21選擇適當(dāng)?shù)脑肼曅盘栯妷狠斎氲竭\(yùn)放LM386的IN+。LM386的1號和8號引腳是電壓增益倍數(shù)選擇端，接入10 μF電容，可實(shí)現(xiàn)LM386的200倍最高增益。當(dāng)選擇較高增益工作時(shí)，7號旁路引腳需要對地接入0.1 μF電容，以防止增益下降造成的不穩(wěn)定工作等情況。在5號引腳的音頻輸出端，串接C24和R22到地進(jìn)行高頻濾波，經(jīng)過C23電容低頻濾波和D11去除可能出現(xiàn)的電源負(fù)壓后到R20電位器，增益200倍的電信號在0～4 V范圍內(nèi)，超出單片機(jī)的最大采樣電壓+3.3 V，故通過R20調(diào)壓后送到單片機(jī)的P6.0引腳。在P6.0檢測端接入D10指示燈，即可直觀地觀察噪聲的有無及大小。輸出端接D12和R23，用來給C23電容放電，放電速度取決于R23的阻值，其目的是較快地反映噪聲信號的平均直流電壓，以保證噪聲檢測的實(shí)時(shí)性。為了消除電源適配器送出的5 V電源中可能夾雜的各種高低頻噪聲(尤其是低頻噪聲)，在檢測模塊電源輸入端需并聯(lián)C16大電容，以去除來自電源中的、不必要的噪聲干擾。

系統(tǒng)采用MSP 430單片機(jī)片內(nèi)集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，無需另外搭建外圍A/D轉(zhuǎn)換電路。MSP430F149的P6端口為8路模擬信號外部輸入通道，對模擬信息進(jìn)行檢查，以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的要求。MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換由寄存器AD12SSEL選擇內(nèi)核時(shí)鐘源，寄存器ADC12DIV選擇分頻系數(shù)，寄存器SHT控制采樣周期。該系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)置的采樣周期是128 μs。每次采樣后，ADC硬件會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的ADC12MEN寄存器中。本系統(tǒng)采樣128個(gè)點(diǎn)，去降極點(diǎn)后取所有有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值作為噪聲信號平均噪聲點(diǎn)。因?yàn)榄h(huán)境噪聲的不確定性，可能在某個(gè)瞬間出現(xiàn)異常較大噪聲，所以將檢測時(shí)間設(shè)置為3 s，并計(jì)算3 s內(nèi)平均噪聲作為環(huán)境噪聲值。

2.3 語音播放電路

為了模擬大廳的廣播播音，系統(tǒng)采用華邦公司的ISD1760語音芯片。該芯片可以進(jìn)行錄音，且芯片內(nèi)部具有自動(dòng)增益控制、內(nèi)置揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)等功能[7]。在ISD1760芯片20號引腳串聯(lián)振蕩電阻Rosc來自定芯片的采樣頻率，其采樣頻率可在4～12 kHz的范圍內(nèi)選取，不同的采樣頻率儲(chǔ)存的時(shí)間長度不同，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際播音的平均時(shí)長采用8 kHz的采樣頻率。ISD1760芯片的工作電壓為2.4～5.5 V，最高不能超過6 V。芯片有多個(gè)電源端，其中，1號引腳數(shù)字電源(Vccd)、14號引腳揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電源(Vccp)和21號引腳模擬電源(Vcca)均接+5 V電源端供電，同時(shí)在芯片輸入端并聯(lián)電容濾除干擾信號。在使用內(nèi)部自動(dòng)增益控制電路時(shí)，需要在芯片的18號引腳AGC端串接4.7 μF有極電容，以達(dá)到自動(dòng)增益的目的。ISD1760同樣可直接進(jìn)行按鍵操作，19號引腳VOL控制音量大小，23號引腳PLAY控制聲音的播放與停止。本系統(tǒng)只需要將VOL引腳和PLAY引腳連接到按鍵電路，其余引腳懸空不接。ISD1760的13號和15號引腳為語音播放的輸出端口。

2.4 音量控制電路

為了達(dá)到控制音量的目的，本系統(tǒng)采用電阻進(jìn)行信號分壓，分壓電阻的阻值取決于控制器P1.0、P1.1和P1.2引腳的狀態(tài)。根據(jù)ADC采樣得到平均噪聲大小，通過控制單片機(jī)P1.0、P1.1及P1.2端口的輸出狀態(tài)，控制常閉繼電器的吸合來切換分壓電阻，具體分壓電阻大小根據(jù)實(shí)際情況而定?？傮w而言，噪聲越小則和揚(yáng)聲器串聯(lián)的分壓電阻越大，揚(yáng)聲器播音越??；反之，揚(yáng)聲器串聯(lián)的分壓電阻越小，揚(yáng)聲器播音越大。分壓電阻的電位輸出分別接在ISD1760語音芯片的13號和15號引腳上。

2.5 按鍵電路

為了增加廣播音量控制的可靠性，設(shè)計(jì)了按鍵電路。S3按鍵接在ISD1760的23號引腳上進(jìn)行播放/停止控制，按下給予端口低電平信號，由語音芯片播放廣播語音。播放端口同時(shí)受控制器的控制，因?yàn)榭紤]到隨時(shí)有按下按鍵的可能，需要串聯(lián)一個(gè)100 Ω電阻，否則易造成控制器I/O口短路。S4和S5分別是中斷檢測端和單次/循環(huán)模式端，分別和控制器的P2.0和P2.1端口相連接。P2.0和P2.1須接上拉電阻，否則按鍵無法正常工作。S4中斷檢測是指在系統(tǒng)播放廣播時(shí)，人為進(jìn)行強(qiáng)制停止進(jìn)行檢測噪聲。S5單次/循環(huán)播放模式根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，單次模式指廣播進(jìn)行一次環(huán)境噪聲檢測并播放一段廣播錄音即停止，循環(huán)模式則是指系統(tǒng)在檢測狀態(tài)和播放狀態(tài)來回循環(huán)。

考慮到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，一旦音量自適應(yīng)控制出現(xiàn)故障，為保證音量可調(diào)，設(shè)計(jì)了手動(dòng)調(diào)節(jié)音量功能。S2音量增減鍵與語音芯片第19號引腳VOL相連。S2控制音量的加減操作，每按一下，音量便會(huì)減小一檔，達(dá)到最小檔位后再次按下S2鍵，音量跳到最大檔位，如此循環(huán)以控制音量大小。音量手動(dòng)調(diào)節(jié)功能共有8個(gè)音量檔位供選擇。每次按下S2鍵，音量大小會(huì)改變4 dB，初始上電時(shí)音量默認(rèn)設(shè)置為最大檔位。

2.6 顯示電路

為了便于觀測系統(tǒng)的工作過程，系統(tǒng)采用LCD1602液晶器[8]顯示平均采樣電壓(由噪聲檢測電路輸出經(jīng)過單片機(jī)濾波計(jì)算后的電壓)、系統(tǒng)工作狀態(tài)(檢測、播放和停止)、噪聲大小及當(dāng)前音量調(diào)節(jié)方式(自動(dòng)和手動(dòng))。LCD1602的1號和2號引腳分別為電源的對地端和+5 V電壓端，3號引腳為模塊顯示對比度控制引腳，接地時(shí)對比度最高，在此接入100 Ω可調(diào)電阻，方便隨時(shí)調(diào)節(jié)對比度；作為控制端口的4～6號引腳,分別由單片機(jī)的P4.5～P4.7端口控制;7～14號引腳為8位雙向數(shù)據(jù)端，與單片機(jī)的P5口相連;15～16號引腳為背光燈電源正負(fù)極。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，為了便于調(diào)試、提高軟件的可移植性，采用模塊化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

Fig.3 Flowchart of the system

系統(tǒng)上電后，初始化程序完成特殊功能寄存器和I/O端口設(shè)定，進(jìn)入主程序。首先檢測按鍵電路，判定音量調(diào)節(jié)方式。若按鍵電路為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，則檢測大廳內(nèi)的環(huán)境噪聲并計(jì)算其平均值，根據(jù)噪聲平均值切換分壓電阻，控制語音播放的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)音量的自適應(yīng)控制；若按鍵電路為手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，則通過按鍵狀態(tài)控制語音的多檔位音量輸出。顯示電路可直觀地顯示音量調(diào)節(jié)方式及系統(tǒng)狀態(tài)等信息。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

在系統(tǒng)試驗(yàn)中，利用語音播放芯片ISD1760錄制一段音頻模擬實(shí)際的廣播播音，通過電容式駐極體話筒MIC采集噪聲并輸入系統(tǒng)中，根據(jù)平均噪聲切換分壓電阻控制語音播放音量。實(shí)際檢測到的平均噪聲小則表明控制播音音量小，平均噪聲高則表明播音音量高，必須始終保持播音音量高于檢測到的環(huán)境平均噪聲。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定如表1所示的噪聲大小、分壓電阻、I/O狀態(tài)(P1.0、P1.1及P1.2)和輸出音量的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)環(huán)境噪聲變化時(shí)，系統(tǒng)的播音音量能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，對系統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)音量功能進(jìn)行了測試，通過音量增減鍵可人為控制音量大小調(diào)節(jié)。系統(tǒng)上電時(shí)，音量默認(rèn)設(shè)置為最大檔位，每按一次音量增減鍵，音量輸出減少4 dB， 共設(shè)置8個(gè)音量調(diào)節(jié)檔位。 當(dāng)音量減小至最低檔位， 再次按下音量增減鍵，音量將跳至最大檔位，如此循環(huán)手動(dòng)調(diào)節(jié)音量大小。

表1 音量控制關(guān)系Tab.1 Volume control relation

5 結(jié)束語

結(jié)合單片機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊及內(nèi)置資源豐富的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的廣播音量自適應(yīng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測到的噪聲大小自動(dòng)調(diào)整廣播音量，自適應(yīng)控制效果良好，既保證了復(fù)雜環(huán)境噪聲下乘客既能夠聽清廣播內(nèi)容，又避免了持續(xù)的大音量廣播對舒適度的影響和電力資源的消耗。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件設(shè)計(jì)靈活，性價(jià)比高，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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Adaptive Broadcast Volume Control System Based on Ambient Noises

To achieve the dynamic adjustment of the broadcast volume,the adaptive control system based on ambient volume for broadcast volume is designed.The system takes MSP430 single chip computer as the controller,and collects the ambient noises in the hall through noise detection circuit.The internal A/D converter in MSP430 is used to transform the ambient noises into digital values,and then calculate the average noise.According to the average noise,the dividing resistors are switched over by the volume control circuit,and the adaptive control of the broadcast volume under dynamically varied noisy environment is realized.The tests indicate that the system is simple in structure and offers high cost effectiveness,the adaptive control effect of broadcast volume is remarkable; the broadcast transmission rate is guaranteed,and both the passenger comfort and energy saving are satisfied.The system has good application and promotion values.

Single chip microcomputer A/D convertor Adaptive control Noise detection Dividing resistors Voice playback

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上基金資助項(xiàng)目(編號：16KJD460005);

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號：201513982007Y )。

王玉芳(1979— )，女，2015年畢業(yè)于東南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，講師; 主要從事智能控制系統(tǒng)及控制技術(shù)應(yīng)用方向的研究。

TH86;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612004

修改稿收到日期：2016-07-13。