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特定音頻識別系統的設計

添加時間:2020/07/02 來源:西南交通大學 作者:王啟猛
本課題通過采集列車運行時鐵軌中的音頻信號,利用 16 位單片機作為控制器核心進行數字音頻信號的處理、識別,并結合觸摸屏,無線通訊,設計具有操作便捷,高識別率,抗干擾能力強的便攜式列車專用預警器。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著智能化技術的飛速發展,音頻信號作為識別控制對象成為現階段各行各業研究的重要對象。目前所采用的技術手段大多數基于物聯網,其工作原理大致為,前端進行數據采集,通過網絡將數據傳遞到后臺進行大數據處理,再將處理的結果反饋至前端;對于無網絡地帶以及要求實時控制應用場景,該技術路線便不適用。為使音頻信號真正應用于工業領域的列車臨近預警監控中,本課題通過采集列車運行時鐵軌中的音頻信號,利用 16 位單片機作為控制器核心進行數字音頻信號的處理、識別,并結合觸摸屏,無線通訊,設計具有操作便捷,高識別率,抗干擾能力強的便攜式列車專用預警器。

  本文詳細介紹了特定音頻識別系統的硬件電路設計和軟件程序設計,其中硬件電路設計采用 PROTEL 進行設計,其主要包括電壓轉換電路,音頻信號采集電路,音頻信號前置放大電路,音頻信號高頻濾波電路,單片機基本工作電路,單片機與無線模塊、觸摸屏通訊電路等。軟件程序設計主要采用 C 語言與匯編語言混合編程,其主要包括 A/D 采樣程序的設計,音頻信號 FFT 變換程序的設計,因 FFT 變換結果是倒序輸出的設計了位反轉程序,音頻特征參數提取程序的設計,單片機與無線模塊 SPI、觸摸屏 UART、數據存儲器 I2C 通訊程序的設計等。本文利用示波器對音頻信號采集、前置處理電路進行分析,其結果與期望具有一致性;利用邏輯分析儀檢驗單片機各個通訊程序的正確性;利用 MATLAB 軟件對采集到的音頻信號進行 FFT 變換分析,并提取特征參數,該特征參數作為參考與單片機軟件程序設計得出的結果進行比對具有一致性。因此本識別系統在針對特定音頻識別上具有較強的識別能力。

  關鍵詞:音頻識別;單片機;觸摸屏;無線通訊;FFT;MATLAB

特定音頻識別系統

Abstract

  With the rapid development of intelligent technology, audio signals as an object of identification and control have become an important target for research in all walks of life at this stage. Most of the current technical methods are based on the Internet of Things. The working principle is roughly that the front end performs data collection, and the data is transmitted to the background for big data processing through the network, and the processing result is fed back to the front end; for the no network zone and the requirements The technical route is not applicable in real time to control the application scenario. In order to make the audio signal truly applied to the early warning and monitoring of trains in the industrial field, this topic collects the audio signal in the rail of the train during operation, and uses 16-bit single-chip microcomputer as the core of the controller to process and recognize the digital audio signal, and combined with the touch screen. Wireless communication, designed for portable train special warning device with convenient operation, high recognition rate and strong anti-interference ability.

  This paper introduces the hardware circuit design and software program design of the specific audio recognition system in detail. The hardware circuit design is designed by PROTEL, which mainly includes voltage conversion circuit, audio signal acquisition circuit, audio signal preamplifier circuit and high frequency signal of audio signal. Circuit, basic working circuit of single chip microcomputer, single chip microcomputer and wireless module, touch screen communication circuit, etc. The software program design mainly adopts C language and assembly language mixed programming, which mainly includes the design of A/D sampling program, the design of audio signal FFT transform program, and the bit reversal program designed for reverse output of FFT transform result, audio feature parameters Extraction program design, microcontroller and wireless module SPI, touch screen UART, data memory I2C communication program design. In this paper, the oscilloscope is used to analyze the audio signal acquisition and pre-processing circuits. The results are consistent with the expectation. The logic analyzer is used to verify the correctness of each communication program of the single-chip microcomputer. TheMATLAB software is used to perform FFT transformation analysis on the collected audio signals. And the feature parameters are extracted, and the feature parameters are used as a reference for comparison with the results obtained by the single-chip software program design. Therefore, the identification system has a strong recognition ability for specific audio recognition.

  Key words: audio frequency identification; Single chip; touch screen; Wireless communications; FFT; MATLAB

目 錄

  第 1 章 緒 論

  1.1 特定音頻識別系統的研究意義

  隨著智能化技術的飛速發展,音頻信號作為識別控制對象已逐漸成為現階段各行各業所研究的重要對象之一。隨著我國經濟的快速發展[1],國家提出智能制造"十三五"發展規劃,我國的高速鐵路技術實現了引領世界的發展目標。我國高速鐵路確定到 2020年鐵路運營規模將超過 12 萬公里[2],而我國高鐵"復興號"的運行時速已經能達到每小時 350 公里,隨著速度大幅度提高,保證鐵路運行的安全是至關重要不可忽視,因此對于鐵路線路、現場設備等都需要鐵路公務部門人員進行監護、維修[3].在頻繁的運輸任務中,工作人員進行現場作業時為使其生命安全得到有效的保障,需要在高速列車來臨時,設置安全撤離的防護區,促使工作人員有足夠的時間撤離工作現場,因此這種安全撤離防護區的設置就顯的十分重要。對于傳統的防護措施,采用預先設置一個離工作現場較遠的預警站點,當列車經過該站點時發出預警信號通知工作現場撤離。

  這種措施對于防護區間的確定沒有標準,一般都設置的比較遠,這對于工作人員來說工作效率將降低,同時由于各種各樣復雜環境以及人為因素的影響,從預警站點發出的預警信號就存在不能被工作現場及時收到的可能,這對于工作現場人員的人身安全存在著較大威脅。因此這對于利用列車行駛時鐵軌中產生的特定音頻信號,由單片機進行識別控制的便攜式專用預警器,實現及時、準確、可靠的預警信號發出保證工作人員安全撤離的系統就顯得十分重要。

  1.2 國內外發展與現狀

  1.2.1 國內發展現狀

  目前,我國針對列車臨近防護預警器系統的研制也有了一定的成功,一些專用報警設備也安裝并投入了使用,關于鐵路安全防護預警系統的研制主要有:

 。1)利用北斗衛星高精度定位和監控技術,實時動態地監視鐵路線路及現場施工人員[4];

 。2)聯控新型預警系統,其主要利用數字對講機中的 GPS 定位,結合探測器、控制主機等來實現預警[5].

 。3)用 80C31 單片微機構成的列車接近安全防護報警系統,該系統主要由總監視器和若干控制器、傳感器等器件按照 "積木"方式來實現預警[6].

 。4)基于DSP 和以太網技術的鐵路道口監測系統,將道口監測同信息網絡相結合,實時動態的采集列車運行數據,通過網絡將數據傳輸,再通過后臺處理實現預警[7].

 。5)基于嵌入式系統的鐵路道口報警系統,主要是利用磁性踏板開關來檢測列車行駛狀態,通過計算機顯示器等來實時監控實現預警功能[8].

 。6)基于鐵路計軸傳感器的列車接近報警系統[9],其工作原理大致為在距預警現場一定距離安裝列車臨近信號采集設備,將采集信號傳送到預警現場實現預警。

 。7)無人值守鐵路道口自動化系統[10],主要采用ARM 架構的 STM32F103RBT6 單片機,其工作原理安裝列車臨近信號采集設備,在將 信號轉換為預警信息。實現列車接近平交道口時自動報警。

 。8)列車接近無線報警系統的設計與實現[11],主要采用無線通信將報警信息傳輸到系統主機實現預警。

 。9)DX3型道口信號設備,主要利用繼電器控制方式來實現預警[12].

 。10)LJB 列車接近安全防護報警系統[13],主要利用單片微機技術及組網的方式來實現預警。

 。11)TF-02 型區間列車接近防護系統等等[14],針對以上系統的研究可大致分為以下幾類 GPS 定位、組網、電纜傳輸等,這些系統的缺點是設備復雜,安裝固定,需后臺處理等。

  1.2.2 國外發展現狀

  由于國外先進制造業技術水平發展較快起步較早,致使在列車預警器上的研究也要早于國內,日本于 1987 年就成功研制并投入使用了平交道口微電子報警及防護設備(MAPLE) [15],該設備主要利用微型計算機,實現預警。而我國目前高鐵技術已經處于世界領先水平,為了彌補鐵路臨近預警器上的不足,國內也在借鑒國外列車臨近預警的研制中慢慢逐漸發展起來。國外列車臨近預警器種類較多,主要有如下種類:

  德國 Seheidt&Baehmann 公司開發了 ZSB2000 型鐵路平交道口安全防護設備[16],該設備利用將遠程監督道口信號設備接人車站聯鎖的監控系統中來進行預警。

  美國 Harmon Indastries 公司的成功研制了 Hxp-3 型系列產品[17],該系列產品也已經投入了使用。該系列產品擁有頻率合成發生器的定時預警控制功能,并能夠完整的記錄數據。美國聯邦鐵路局還開發了一套基于 LiDAR 的系統[18],在列車上安裝一套LiDAR 傳感器,實現對平交道口縱剖面進行監測,該系統被指定為鐵路線路自動監測設備。

  澳大利亞特克尼斯系統有限公司研制了一套采用多普勒雷達探測器檢測列車的遠程預警系統[19].其主要工作原理是通過雷達來監控列車的運行狀態,利用無線通訊與主站進行通訊完成數據處理,主站再將信號傳遞到施工現場實現預警。

  歐洲一些國家正在將列車計算機技術、大數據處理、列車自動控制(ATC)和自動防護(ATP)、無線電通信技術等各種技術相結合來研究一套完整的自動監控防護預警系統。

  國外在列車臨近預警器的研制上取得了領先地位,但同樣存在一些問題,如設備復雜,安裝固定,利用 GPS 定位和網絡存在信號盲區,檢測的信號需經過多級設備處理才能返回工作現場預警實時性受到限制等等[20].

  1.3 本課題的來源與研究意義

  語音信號控制技術快速發展,并逐漸成功應用到我們的日常生活中。如:智能手機中的語音輸入轉化為文字,語音密碼鎖,語音智能家居等等[21]層出不窮,這使得生活更加智能化。但是在工業領域中,音頻信號的應用還處于探索階段,在這一領域的研究也集聚了大量的科研人員。這是因為將音頻信號應用于工業中將帶來巨大的便利,同時也能解決許多重要關鍵性問題。這是因為,任何機器設備的運行都會發出音頻信號,而機器設備正常運行與異常運行的音頻信號又是截然不同的,因此通過機器設備在運行時產生的音頻信號來進行機器狀態的監控。例如,在天然氣輸送線路上,要使天然氣能夠正常輸送,會在沿線上安裝一些專用設備,這些設備長期不間斷的工作,在一些人跡罕見的地區如若設備出現異常,工作人員也就很難及時的發現,如果能根據設備異常音頻做出報警提醒這將大大提高工作效率;再如,在焊接領域內,焊接接頭質量的好壞將直接影響到工件的優劣,現階段在焊接過程中都會對焊接電流,電壓進行監控,或者對焊接完成以后的焊接接頭進行一系列的檢測以及根據經驗等等來評判這個焊接接頭的好壞,如果我們能夠識別標準焊接接頭焊接時的電弧聲音,就可以通過"聽"這個標準電弧的聲音來判斷這個焊接接頭的質量好壞?梢妼τ谝纛l信號應用于工業中帶來的巨大前景。本系統研制的列車臨近預警器就是通過識別鐵軌中列車行駛時產生的音頻,這對于鐵軌來說就是一種特殊的音頻,通過識別這個特殊的音頻信號進行預警。

  借鑒語音技術在生活中的應用,結合電子技術的快速發展與微處理器的數字信號處理能力,將音頻作為識別控制對象是能夠實現的。本文就是在這樣的理論與技術支持下進行系統研究與設計的。本文所選用的單片機其內部集成了用于快速傅里葉變換(FFT)的硬件電路,這使音頻信號處理速度得到保證,使列車預警器的實時性得到滿足。MATLAB 作為強大的信號處理分析軟件,可以幫助我們對音頻信號進行分析,將其分析結果作為參考可以驗證所研制的系統是否具有可靠性與正確性等[22].

  當前雖然關于鐵路預警器的研制有了各式各樣的方案,且固定式的預警器也投入了使用。但是針對移動式,鐵路維修工作現場不固定等特點的預警器還處于研究階段。

  因此研制一款便攜式、可靠、實時性強、成本低、抗干擾能力強的專用列車預警器是具有實用價值的。同時這種基于特定音頻識別的技術研究也不僅局限于列車預警器的應用,就如前文所敘述,該技術還可以應用與工業的各種設備監控領域等等。

  1.4 本課題的研究內容

  本課題是通過列車行駛時鐵軌中產生的特定音頻信號,通過 16 位數字信號處理器單片機進行該特定音頻的識別,從而進行列車臨近專用預警器的研制。

  通過利用微控制器單片機來對鐵軌中的特定音頻信號識別,從而研制列車臨近預警器,其關鍵在于微控制器單片機能夠對鐵軌中的特定音頻信號進行復雜的數據處理與計算。鐵軌處在一個復雜的環境中,各式各樣的音頻信號存在其中,要想將鐵軌中列車運行時的特定音頻區分開來,就需要在以微控制器單片機為控制器核心的基礎上輔助設計特定的硬件電路與軟件程序。本課題利用 Micopchip 公司生產的 16 位數字信號處理器 dsPIC33FJ128GP706 單片機作為控制器核心的基礎上,進行音頻信號采集電路、音頻信號前置放大電路、音頻信號高頻濾波電路的合理設計,實現在硬件電路上的音頻采集;單片機與無線模塊、觸摸屏通訊電路的設計實現遠距離預警、人機交互的功能;通過 A/D 采樣程序的合理設計、快速傅里葉變換(FFT)程序的設計、音頻特征值提取程序的設計,實現特定音頻識別。本課題研究的主要內容如下:

  1.利用單片機實現音頻信號識別的合理性探究,從而合理選取系統控制器核心。

  2.以 dsPIC33FJ128GP706 單片機作為控制器核心基礎上,設計特定音頻采集、放大、濾波的硬件電路以及單片機基本工作電路,單片機同無線模塊、觸摸屏、數據存儲器通訊電路的設計。

  3.制作并調試 PCB 板,利用示波器對各部分硬件電路進行調試,檢驗是否達到預期目的,為特定音頻識別系統提供硬件基礎。

  4.在制作調試成功的 PCB 板的基礎上,完成音頻信號 A/D 采樣程序、FFT 計算程序、位反轉程序、音頻特征參數提取程序的編寫,無線模塊 SPI、觸摸屏 UART、數據存儲器 IIC 通訊程序的編寫。

  5.利用 SamDraw3.1 組態軟件繪制出觸摸屏的操控界面,以便于實現設備無按鈕的操控。

  6.利用 MATLAB 軟件對采集到的音頻信號進行 FFT 計算分析,并提取特征參數,該特征參數作為參考與單片機軟件程序設計得出的結果進行比對分析以便驗證本文系統的合理性、準確性、實時性以及穩定性等。

  7. 通過對鈴鐺音頻信號的反復調試,驗證所設計研制的系統能否達到預期目的。





  第 2 章 音頻信號的分析
  2.1 音頻信號
  2.2 音頻信號的特征參數分析
  2.2.1 音頻信號的時域特征參數分析
  2.2.2 傅里葉變換
  2.2.3 音頻信號的頻域特征參數分析
  2.3 音頻信號識別
  2.4 本章小結

  第 3 章 系統硬件設計
  3.1 硬件設計總體方案
  3.2 核心控制器芯片的選擇
  3.3 音頻電路設計
  3.3.1 音頻信號采集電路
  3.3.2 音頻信號電壓放大電路
  3.3.3 音頻信號電壓提升電路
  3.3.4 音頻信號高頻濾波電路

  3.4 單片機通訊電路設計
  3.4.1 單片機與觸摸屏通訊電路
  3.4.2 單片機與無線模塊通訊電路
  3.5 系統電源設計
  3.6 PCB 板的制作
  3.7 本章小結

  第 4 章 系統軟件設計
  4.1 系統軟件總體設計方案
  4.2 MPLAB 簡介
  4.3 ADC 采樣程序
  4.4 單片機數據處理程序
  4.4.1 FFT 運算程序
  4.4.2 順序輸出程序

  4.5 單片機通訊程序
  4.5.1 單片機與觸摸屏通訊程序
  4.5.2 單片機與無線模塊通訊程序
  4.5.3 單片機與數據存儲器通訊程序
  4.6 本章小結

  第 5 章 系統調試與展望
  5.1 硬件電路調試
  5.2 軟件設計調試
  5.2.1 ADC 采樣程序調試
  5.2.2 數據處理模塊程序調試
  5.2.3 單片機通訊模塊程序調試
  5.3 課題展望

結 論

  本文通過對基于單片機特定音頻識別的列車臨近預警器系統的軟硬件成功調試,得出如下結論:

  1.通過對音頻信號采集電路、電壓放大電路、電壓提升電路、高頻濾波電路的多次反復調試表明,設計的音頻信號采集以及信號前期處理電路能達到預期目標。

  2.系統設計中采用的觸摸屏模塊,可以使系統設備操控與監控得到極大的簡化,可以大大提高工作人員的工作效率,操作界面的可視化降低了誤操作的可能性;采用的無線模塊輔助二級預警,可以高效和準確的完成預警。

  3.系統采用 16 位 dsPIC33FJ128GP706 單片機對音頻信號進行數字化處理,處理的結果與 MATLAB 進行對比具有一致性。

  4.系統通過對鈴鐺音頻信號的反復識別調試,識別準確率達到預期目標。

致 謝

  時光流逝,歲月無情。1095 天、94608000 秒的研究生生活即將畫上句號;厥走@一路拼搏,為夢想、為生活、為未來的厲程;充實、忙碌、有目標、有方向、有動力、有激情,當然也有懶惰、頹廢、茫然、沮喪,這都是成長路上的風景。在此衷心對陪伴、鼓勵、支持我的各位老師、同學與親朋好友表示最真誠的謝意。

  首先感謝我的導師蘭強副教授,正是蘭老師三年來對我孜孜不倦的指導,讓我在在學術上、生活上有了新的認識。學術上,蘭老師那嚴謹的態度、深厚的專業功底,多層次、多方面、多領域的知識結構深深地讓我敬佩,蘭老師鼓勵我們多動手、多實踐、多探索,因此在研究生生活中調試并制作了大量的電路板,在這個過程中讓我真正意識到動手和實踐是學習最好、最快的方式。蘭老師每周的固定時間"家庭茶會"讓我感受到老師的親切、隨意、真實、熱情、幽默,每次"家庭茶會"輕松、愉快地暢談 3 小時以上,這是我研究生生活中最難忘、最美好的回憶。蘭老師樂觀豁達的人生態度,謙遜平和的處世方式,積極進取的探索精神,也將是我追求的生活方式。在此,向我的導師蘭強老師致以最真摯的敬意。

  在此感謝實驗室的張芹師姐在學習、生活上對我巨大的幫助,同時感謝王景磊師兄、謝勇師弟、嚴柳師弟在我研究生期間對我的幫助,感謝室友佘其海、關新興、唐攀登以及好友甄賀偉等同學對我的支持及照顧,感謝我的家人對我的支持、關懷、陪伴照顧。

  最后,感謝母校對我的培養和教育、百忙之中評審本論文的各位老師以及蒞臨答辯的各位老師與同學。

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