基于FPGA的異常聲音報警系統設計

伍宗富　陳日新　朱明旱

摘要:通過對異常聲音的短時信號分析,使用FPGA對異常聲音的短時過零率、短時能量等目標特征提取,實現將異常聲音從背景聲音中分離出來進行識別報警,實現切削與切割等機械加工設備的智能化。

關鍵詞:異常聲音;FPGA;識別

中圖分類號:TP 391 文獻標識碼:A

1引言

在進行切削與切割等機械加工時,對在某種特定的正常環境下所不應該發生的異常聲音進行識別并進行報警保護,有利于自動化生產的智能化,并具有很高的實用價值。為了產品的集成與知識產權的保護,本文提出了使用FPGA進行異常聲音報警系統設計,通過對聲音信號的現場采集和短時分析,并提取工作時的聲音信號特征,比較正常環境工作的聲信號特征和發生故障時的異常聲音特征,如有異常聲音則將其識別并發出報警和輸出控制指令進行生產設備保護。

2 異常聲音報警系統硬件設計

異常聲音報警系統工作流程可分為聲信號獲取、信息預處理、異常聲音識別和輸出控制。為了實現異常聲音報警系統開發應用的靈活性,使用FPGA器件進行異常聲音報警系統的開發。因為FPGA器件在數字信號處理領域有許多專用DSP不可比擬的優點,如速度、IP核的復用、可集成性等。還可使用FPGA實現系統其它邏輯與A/D、PWM等相關控制[1]。為了更好地進行設計開發,使用MATLAB/Simulink、Altera公司的DSP Builder。在MATLAB/Simulink中進行圖形化設計和仿真,同時可通過Signal Compiler把MATLAB/Simulink的設計文件(.mdl)轉化成硬件描述語言VHDL設計文件(.vhd)以及生成用于控制綜合與編譯的TCL腳本。DSP Builder可以幫助設計者完成基于FPGA器件且類似文獻[2]等算法處理的DSP系統設計[2]。異常聲音報警系統硬件結構如圖1所示。

話筒是將聲音信號轉換為模擬的電信號。為了有較高的靈敏度,宜選用動態電阻大,直流特性好的駐極體話筒。

程控放大是為了使輸入到模數轉換電路的信號保持在合適的動態范圍,由FPGA器件根據幅度檢測的大小控制程控放大電路的放大倍數,從而滿足后級模數轉換的需求。

程控濾波是根據異常聲音報警系統的實用功能,先行設定何種用途異常聲音報警的濾波器。在人的聽覺閾值范圍內,不同的異常聲音有不同的信號強度集中,其聲學特征所處的頻率范圍不同,如直升機聲音信號的能量主要集中在400 Hz以內,而坦克聲音信號的能量主要集中在2 kHz以內。在此可選擇MAX264其通帶截止頻率達140 kHz,可滿足聽覺范圍20 kHz以內濾波要求。

模/數轉換是將模擬的聲音信號進行采樣/量化形成數字信號輸送到FPGA器件,以利于FPGA器件進行相關異常聲音識別處理。

FPGA器件是將模數轉換后的信號進行FIFO、預加重處理、分幀加窗、短時平均幅度、短時過零率、特征存儲、異常聲音警示輸出、異常聲音控制輸出等,從而實現異常聲音的報警與控制。

3異常聲音識別的實現

根據觀測發現在進行切削與切割等機械加工時產生異常聲音的某子帶能量高于正常時其子帶能量,在此采用短時能量和短時過零率分析法[3]。異常聲音識別算法如圖2所示。

3.1預加重處理

預加重的目的是增加聲音信號中較弱的高頻部分,由于聲目標信號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, 為此要進行預加重處理,用FIR濾波器實現。其Z傳遞函數為H (Z ) = 1- uz -1,其中u值接近于1,實踐中取0.94。計算公式為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中特征提取由子帶分幀和短時能量、平均過零率等組成。在此采用矩形窗進行分幀加窗,窗口的長度設為60 ms,采樣頻率為40 kHz,這樣用矩形窗截取聲目標信號形成分析幀,為了保證聲目標信號幀的連續性,在此采用交疊分幀方法,幀長為矩形窗的取樣數2400點,幀移10 ms,即400點。在加窗的同時,用一個乘累加器就可以計算每幀的能量,其分幀的實現和累加如圖4所示。圖中Multiply Accumulate的b輸入是常數1,表示加權值一直是1(矩形窗),如果使用其它窗,可以把窗口數據存儲到ROM存儲器中,然后按對應的數據讀取窗口數據并與其相乘,實現其它窗口。

短時過零率的關鍵就在于符號函數,用ExtractBit模塊取出整型的符號為生成+1或者-1。在短時能量數據輸入前加符號函數實現電路,如圖5所示。

3.3異常聲音判別

聲音判決是根據計算出當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。當只有背景聲音時,可計算出無異常聲音時的能量E0,而當有異常聲音時,可計算出E',顯然E'≠E0。通過實驗數據設定一個判決閾值E,當E'>E時,說明有異常聲音;當E'

4系統實驗

基于DSP builder實時計算聲音信號的短時平均幅度和短時過零率,其DSP builder 框架如圖6所示。

通過Signal Compiler把MATLAB/Simulink的設計文件(.mdl)轉化成硬件描述語言VHDL設計文件(.vhd)以及生成用于控制綜合與編譯的TCL腳本。在實驗中以高精切割設備模擬正常背景下的不正常的撞擊聲音,最后通過FPGA調試下載,能滿足實際上異常聲音報警及輸出控制電平。

5結論

使用FPGA器件進行信號處理及應用系統的開發,有利于知識的自主性與靈活性。通過對異常聲音報警系統的FPGA實現,將其應用在高精切割設備的生產控制和故障探測,有益于企業生產設備故障診斷,實現了自動化設備的智能化。

參考文獻

[1] 伍宗富,王立.基于數字信號處理器的電子凸輪控制系統設計[J]. 電機與控制應用,2008,(8):47-51.

[2] 伍宗富,陳日新,朱明旱. 基于圖像識別的汽車智能防撞系統研究與實現 [J]. 機械與電子,2008,(9):56-60.

(下轉第58頁)

[3] 李晶皎.嵌入式語音技術及凌陽16位單片機應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 伍宗富. 基于DSP的電子橫移控制系統設計[J]. 紡織機械,2008,(10):37-39.

作者簡介

伍宗富,副教授/碩士,主要研究領域為目標探測與識別、數字通信與數據傳輸、嵌入式系統;

陳日新,副教授/碩士,主要研究領域為目標探測與識別、數字通信與數據傳輸。