車站廣播智能管控技術(shù)

陳佩耀

中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司西安站，陜西 西安，714000

0 引言

在高鐵車站內(nèi)，廣播系統(tǒng)的主要作用為播報列車的實時運行信息、緊急情況信息、天氣信息等，但由于在車站這種公共場合中，會出現(xiàn)諸如列車鳴笛聲、制動剎車聲、人聲等各種嘈雜的聲音，這將會對車站廣播的效果產(chǎn)生較大的影響。由于在不同的時間段和情況下，車站內(nèi)的嘈雜聲會有很大的區(qū)別，為了既能夠保證廣播的效果，又不影響旅客的休息，車站廣播的分貝是需要結(jié)合實際情況來做出調(diào)整的，但使用人工來進(jìn)行手動的調(diào)整是不切合實際的，這時就需要具備一套車站廣播智能管控系統(tǒng)，以達(dá)到既能夠保證車站廣播的實際效果，又避免產(chǎn)生噪聲污染的目的。

1 高鐵車站廣播效果測試

本文以國內(nèi)某個已經(jīng)投入使用的高鐵車站為例，使用一種系統(tǒng)的車站廣播檢測方法來對其候車廳內(nèi)的廣播效果進(jìn)行了測試，具體的測試流程如圖1所示。

圖1 高鐵車站廣播效果測試流程

1.1 候車廳的結(jié)構(gòu)特征

該車站主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)，共有上下兩層，候車室內(nèi)地面為大理石地磚，支架為水凝柱，四周安裝玻璃幕墻，天花板多使用柵欄進(jìn)行裝飾，車站大廳內(nèi)墻壁較為光滑[1]。翻閱車站建造時的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，車站一層候車廳的建筑面積為6324平方米，二層候車廳的建筑面積為7030平方米。

1.2 背景噪聲測試

背景噪聲主要包含廣播音響設(shè)備噪聲以及放音環(huán)境噪聲兩大部分內(nèi)容。車站內(nèi)存在過大的背景噪聲不僅會導(dǎo)致人心情煩躁，而且還會影響有用信息的傳播，使得廣播聲音的信噪比以及動態(tài)范圍變得更小，破壞聲音質(zhì)量。本次測試總計在車站候車廳內(nèi)選取了5個不同的點位進(jìn)行背景噪聲測試，其中每個點位收集6組測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表1所示，由此表我們可以得出，車站候車廳內(nèi)的背景噪聲均值約為71dB，其噪聲大小適中。

表1 車站內(nèi)背景噪聲測試數(shù)據(jù)（dB）

1.3 語音清晰度測試

本次測試所選取的時間段為車次均已停運，候車大廳處于無人的控場狀態(tài)，分別在一層候車廳和二層候車廳內(nèi)選取了9個測試點，其測試的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示，由此表中數(shù)據(jù)我們可以得知，車站一層候車廳的語言傳遞指數(shù)為0.39，二層候車廳的語言傳遞指數(shù)為0.29。

表2 車站候車廳RASTI

1.4 混響時間測試

混響時間指的是在廣播聲場到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時并同時聲源停止發(fā)生之后，聲壓降低至60dB所需要的時間。混響時間過短或者過長都會對廣播的效果產(chǎn)生影響，過短則會出現(xiàn)聲音不自然的現(xiàn)象；過長則會出現(xiàn)廣播聲音含混不清[2]。本次測試同樣選擇候車廳一層和二層作為測試點，其具體的測試結(jié)果如表3所示，經(jīng)過對車站混響數(shù)據(jù)進(jìn)行計算可以得知，其整體的混響時間較長。

表3 車站候車廳混響時間測試數(shù)據(jù)

2 車站廣播智能管控系統(tǒng)

基于噪聲檢測的智能廣播管控系統(tǒng)的工作原理為：首先噪聲檢測電路對候車廳內(nèi)的噪聲環(huán)境進(jìn)行采集，并通過電容式駐極體將造成轉(zhuǎn)換為電壓信號傳遞給單片機，然后單片機會將電壓信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號，并同時對噪聲進(jìn)行計算，此時控制系統(tǒng)會根據(jù)計算出的噪聲值來對電位大小進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)對語音播放電壓進(jìn)行控制的目的，其具體的流程如圖2所示。

圖2 智能管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機

基于本次設(shè)計既要實現(xiàn)對廣播音量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，又要兼具廣播效果的實際需要，我們選取了MSP430F149型單片機作為系統(tǒng)中的控制器。該型號的單片機相較于51系列的單片機具有更為豐富的I/O接口，并具有內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換模塊，因而更符合該系統(tǒng)的實際設(shè)計需求[3]。430單片機的晶振頻率為8MHz，指令執(zhí)行時間為125ns，采用的為22pF的起振電容，具有穩(wěn)定且良好的運行效果。

3.2 噪聲檢測電路

噪聲檢測的電路圖如圖3所示。

圖3 噪聲檢測電路

其具體的工作原理如下。

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\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10μF電容，可實現(xiàn)LM386的200倍最高增益。當(dāng)選擇較高增益工作時，7號旁路引腳需要對地接入0.1μF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0～4V范圍內(nèi)，超出單片機的最大采樣電壓+3.3V，故通過R20調(diào)壓后送到單片機的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時性。

為了消除電源適配器送出的5V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。

3.3 語音播放電路

為了仿真車站候車廳的廣播，系統(tǒng)中還安裝有ISD1760語音芯片，該芯片具有錄音的功能，且在語音芯片中還設(shè)置有自動增益控制、揚聲器驅(qū)動等實用功能。在ISD1760芯片的20號引腳串聯(lián)有震蕩電阻，來對芯片頻率進(jìn)行采樣；芯片所需的工作電壓最高不得大于6V。

3.4 音量控制電路

為了實現(xiàn)智能管控系統(tǒng)對于廣播音量的自動控制，本次設(shè)計采用了電阻對信號進(jìn)行分壓，電阻阻值的大小由單片機的對應(yīng)引腳決定。依據(jù)所采集到的噪聲值大小，通過對控制器端口輸出狀態(tài)的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對分壓電阻的大小進(jìn)行控制。既候車廳內(nèi)的噪聲值越小，則揚聲器所串聯(lián)的分壓電阻阻值就越大，那么廣播聲音就會越?。欢蜍噺d內(nèi)的噪聲值越大，則揚聲器所串聯(lián)的分壓電阻阻值就會越小，那么廣播聲音就會隨之變大。

3.5 按鍵電路

為了確保車站廣播系統(tǒng)的音量能夠處于隨時可控的范圍之內(nèi)，本次設(shè)計還增加了對應(yīng)的按鍵電路[4]。在語音播放芯片的23號引腳上連接S3按鍵，來實現(xiàn)對廣播播放或者暫停的控制，在端口自低電平得電之后，語音芯片就會自動播放廣播內(nèi)容。語音芯片的播放端口同時還受單片機的控制，而基于按鍵有可能隨時會使用的特點，還需要在系統(tǒng)之中串聯(lián)一個阻值為100Ω的電阻。S4為中斷檢測端口，S5為單次/循環(huán)模式切換端口，其分別與單片機的P2.0以及P2.1端口相連。

3.6 顯示電路

為了方便對于系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行觀測，本次設(shè)計還加裝了LCD1602液晶顯示器，用來對經(jīng)由噪聲檢測電路輸出后再控制器計算后的電壓、系統(tǒng)的停止或者播放等實時工作狀態(tài)以及音量自動調(diào)節(jié)等功能的顯示。該液晶顯示器的1號引腳與電源的接地端進(jìn)行相連，2號引腳與+5V電壓進(jìn)行連接，3號引腳是模塊顯示對比度控制引腳，而4～6號引腳則與控制器的P4.5～P4.7端口相連，7～14號引腳為顯示電路的雙向數(shù)據(jù)傳輸端，和控制器的P5端口相連，15、16號引腳為顯示電路背光燈電源的正負(fù)極接口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能廣播管控系統(tǒng)采用C語言編程語言來實現(xiàn)相關(guān)的控制功能，而為了方便系統(tǒng)的調(diào)試，并同時提升軟件的可移植特性，本次設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計語言和結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)的設(shè)計模塊和流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)的流程圖

從圖中可以清晰地看出，在該系統(tǒng)得電之后，會自動對系統(tǒng)程序進(jìn)行寄存器與輸入輸出端口進(jìn)行設(shè)定，在設(shè)定完成之后會進(jìn)入主程序。系統(tǒng)首先會對按鍵電路的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并在此基礎(chǔ)之上對廣播音量的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行確定，在自動調(diào)節(jié)模式下，系統(tǒng)會依據(jù)對候車廳內(nèi)噪聲的平均數(shù)值來切換分壓電阻，并同時對進(jìn)行語音播放的電壓實施控制，以最終實現(xiàn)對廣播音量的智能化控制；在手動調(diào)節(jié)模式下，系統(tǒng)則會依據(jù)按鍵工作狀態(tài)來對語音的輸出音量進(jìn)行控制。而無論是在那種工作模式下，顯示電路都會直觀、高效的對音量的調(diào)節(jié)方式以及廣播系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息等進(jìn)行實時顯示。

5 仿真實驗

在對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗時，使用ISD1760語音控制芯片首先錄制一段模擬語音，并通過電容式駐極體話筒MIC對候車廳內(nèi)的噪聲進(jìn)行采集，并將其輸入智能系統(tǒng)當(dāng)中，在經(jīng)過對噪聲的計算和分析之后，系統(tǒng)會利用切換分壓電阻阻值的大小來實現(xiàn)對廣播音量大小的控制[5]。在仿真實驗過程中，如果檢測到的噪聲值越小則表明系統(tǒng)控制廣播音量就越小，如果檢測到的噪聲值高則表明廣播控制的音量就越高，在此過程中還應(yīng)注意始終保持廣播音量要高于候車廳內(nèi)的噪聲。經(jīng)過多次的實驗，最終對噪聲的大小、分壓電阻阻值、控制器P1.0、P1.1、P1.2輸出和輸入端口以及廣播音量之間的一一對應(yīng)關(guān)系，其控制關(guān)系如表3所示。

表3 系統(tǒng)音量控制關(guān)系

6 結(jié)語

綜上所述，對于我國的高速鐵路系統(tǒng)來講，其在向著運行速度更高、車站建設(shè)更大的方向發(fā)展的同時，也應(yīng)對車站使用過程中的廣播效果進(jìn)行關(guān)注。鑒于在車站候車廳內(nèi)存在著人聲、列車鳴笛聲等多種雜聲，會對廣播的傳播效果造成嚴(yán)重的影響，本文在分析車站噪聲的基礎(chǔ)之上，對智能化的車站廣播系統(tǒng)開展了設(shè)計，該系統(tǒng)具有結(jié)合場內(nèi)噪聲大小來自動調(diào)節(jié)廣播音量的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對廣播的智能化控制，雖說該系統(tǒng)目前還存在著很多的不足和缺陷，但經(jīng)過不斷地優(yōu)化和完善，必將在未來就有廣闊的應(yīng)用前景。