基于FPGA和DSP的多參數(shù)現(xiàn)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)研究

桂桂，姚小兵，萬宇鵬，謝榮基，李冬梅

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

基于FPGA和DSP的多參數(shù)現(xiàn)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)研究

桂桂，姚小兵，萬宇鵬，謝榮基，李冬梅

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

在不同氣象環(huán)境下聲壓級(jí)的測量會(huì)有不同結(jié)果，戶外噪聲監(jiān)測裝置大多只能監(jiān)測噪聲聲壓級(jí)大小。為實(shí)現(xiàn)戶外環(huán)境下對(duì)噪聲和氣象參數(shù)的同時(shí)測量且滿足JJG 1095——2014《環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測儀》的性能要求，使用戶外傳聲器和六要素氣象傳感器采集信號(hào)，采用FPGA和DSP分別作為系統(tǒng)的控制核心和數(shù)據(jù)運(yùn)算核心，開發(fā)可同步監(jiān)測噪聲和氣象參數(shù)的多參數(shù)現(xiàn)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用雙通道A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)達(dá)到在20Hz～16 kHz頻率范圍上20～140 dB的動(dòng)態(tài)范圍。按照規(guī)程要求分別使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和標(biāo)準(zhǔn)聲源發(fā)出的正弦電信號(hào)和粉紅噪聲進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)的頻率計(jì)權(quán)測量誤差滿足要求，適用于戶外環(huán)境下的多參數(shù)現(xiàn)場噪聲監(jiān)測。

聲學(xué)測量；雙核心；多參數(shù)；遠(yuǎn)程校準(zhǔn)；戶外監(jiān)測

0 引言

噪聲污染作為環(huán)境污染中的特定分類，具有突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍廣、信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)。受到技術(shù)條件的限制，在目前已有噪聲監(jiān)測任務(wù)的城市中人工監(jiān)測依然占有極大比例，但人工噪聲監(jiān)測方法獲取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性及重復(fù)性較差，而且容易對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾[1]。同時(shí)，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測裝置仍然處于開發(fā)探索階段，隨著我國試點(diǎn)城市噪聲監(jiān)測工作的開展，只能監(jiān)測聲壓級(jí)數(shù)據(jù)的單一功能監(jiān)測系統(tǒng)逐漸不能滿足要求[2]。我國尚未制定成體系的戶外噪聲監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，仍然處在消化引進(jìn)國外先進(jìn)理念的初級(jí)階段，因此，多參數(shù)監(jiān)測裝置存在需求和應(yīng)用空間。

近年來，噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的研究重點(diǎn)集中于多平臺(tái)開發(fā)及聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面。例如，劉祥樓等[3]利用LabVIEW開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測儀。李華等[4]著重研究了現(xiàn)場監(jiān)測裝置的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。作為計(jì)量用具的延伸，戶外噪聲監(jiān)測裝置的校準(zhǔn)方法也受到了一定關(guān)注。童憲等[5]研究了環(huán)境噪聲監(jiān)測終端的在線計(jì)量，設(shè)計(jì)了一種消聲管實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安裝后的參數(shù)計(jì)量。本文在對(duì)現(xiàn)有噪聲監(jiān)測技術(shù)方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)戶外噪聲裝置的多參數(shù)監(jiān)測和現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，開發(fā)了基于FPGA和DSP的雙核心戶外多參數(shù)現(xiàn)場噪聲監(jiān)測系統(tǒng)。通過系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，討論了其頻率計(jì)權(quán)測量誤差，為今后的戶外噪聲監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

DSP、FPGA是嵌入式開發(fā)的主要硬件，性能上，具有單片機(jī)等傳統(tǒng)嵌入式器件無法比擬的優(yōu)勢[6]。本文提到的噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以低成本FPGA和DSP為核心的硬件架構(gòu)，分別承擔(dān)控制和運(yùn)算功能，滿足了多參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測的要求。在整體架構(gòu)上，噪聲監(jiān)測系統(tǒng)按功能主要?jiǎng)澐譃?個(gè)部分：基于FPGA的時(shí)序控制模塊；基于DSP的數(shù)字信號(hào)處理與顯控模塊；外部傳感器。

系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，F(xiàn)PGA作為主控制核心，需實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采集、AD/DA轉(zhuǎn)換、DSP運(yùn)算核心的時(shí)序控制和數(shù)據(jù)傳輸。DSP在實(shí)現(xiàn)噪聲監(jiān)測實(shí)時(shí)算法的同時(shí)，需處理上位機(jī)顯示控制信號(hào)。工作時(shí)，由FPGA向模擬開關(guān)發(fā)出指令，開關(guān)打開后通過前置放大器和運(yùn)算放大器將傳聲器前段信號(hào)傳輸至抗混濾波器中，濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)在FPGA的存儲(chǔ)單元中以供DSP運(yùn)算。此外，設(shè)計(jì)了以雙通道ADC為基礎(chǔ)的雙通道采集放大系統(tǒng)，DSP運(yùn)算后向FPGA提供反饋，如需放大，F(xiàn)PGA將放大后的信號(hào)再次傳入濾波器重復(fù)以上過程。這樣就完成了雙通道雙核心的噪聲監(jiān)測流程。

1.1 外部傳感器

傳聲器：采用AWA14425型戶外傳聲器，其測量上限為140 dB，頻率范圍為10Hz～16 kHz。經(jīng)AWA14604型前置放大器放大后使用BNC接口輸出到硬件系統(tǒng)上，安裝鳥刺及風(fēng)罩后符合戶外噪聲監(jiān)測的需求。

圖1 系統(tǒng)流程框架

氣象參數(shù)傳感器：選用WXA100型六要素氣象傳感器，可測量溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、雨量等參數(shù)。該傳感器提供了RS232和RS485兩種接口，與FPGA之間使用基于RS485的半雙工串口通信。

圖2 FPGA工作時(shí)序

1.2 FPGA硬件時(shí)序

FPGA部分主要包括時(shí)序產(chǎn)生、邏輯設(shè)計(jì)、時(shí)鐘處理、通信接口等，其中邏輯設(shè)計(jì)單元是FPGA的工作核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序配置和邏輯控制。全局時(shí)鐘分頻后控制模擬開關(guān)，雙口RAM、EMIF接口，AD/DA控制邏輯使用獨(dú)立時(shí)鐘控制，將數(shù)據(jù)存放于雙口RAM中等待處理。其工作時(shí)序如圖2所示。

FPGA選用XC6SLX45系列芯片，全局時(shí)鐘為100MHz，經(jīng)分頻邏輯后控制雙口RAM及EMIF接口通信邏輯，信號(hào)采集部分時(shí)鐘頻率為24.576MHz。FPGA與DSP的通信使用外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），EMIF提供了FPGA塊和DSP的無縫連接[7]，即將FPGA作為DSP的外部SRAM，通過設(shè)置EMIF控制的存儲(chǔ)器為SRAM類型實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA的通信。

1.3 DSP算法

在DSP的算法設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)unkerhouse T等[8]提出了將信號(hào)分段處理，分段計(jì)算聲級(jí)的方法，并給出了聲壓信號(hào)有效值平方的計(jì)算模型。首先對(duì)信號(hào)分段處理：

式中：G——信號(hào)有效值平方量的時(shí)間增益；

τ——時(shí)間計(jì)權(quán)的指數(shù)時(shí)間常數(shù)；

該算法基于聲壓值在時(shí)域上值密度相等的假設(shè)得出，實(shí)質(zhì)上給出了聲壓有效值平方的遞推運(yùn)算方法，是便于通過計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)的數(shù)值化計(jì)算方法[10]。通過遞推因子ΔSN及ΔWN的迭代計(jì)算來代替對(duì)所有采樣點(diǎn)上的大型復(fù)雜運(yùn)算，提高了運(yùn)算效率。對(duì)于寬平穩(wěn)信號(hào)，該算法具有較高的精度。DSP芯片選用TMS320C6748系列，該芯片運(yùn)算速度在單核心DSP中處于領(lǐng)先水平，可滿足低功耗、高性能的應(yīng)用環(huán)境，提供的EMIF外設(shè)接口提供了便捷的通信手段。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將EMIF接口擴(kuò)展為SRAM實(shí)現(xiàn)了雙核心之間的通信過程。

SN、WN——前N個(gè)采集段內(nèi)的加權(quán)聲壓平方和及權(quán)重和；

Δt——當(dāng)前采集到的時(shí)域信號(hào)長度；

ξ——過去的某一時(shí)刻。

又由時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)的定義[9]可知：

式中t為時(shí)間，因此可得到聲壓級(jí)平方的遞推公式：

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙通道數(shù)據(jù)采集

圖3 AD/DA時(shí)序

系統(tǒng)測量動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)為20Hz～16 kHz上的20～140dB。由于聲音信號(hào)頻帶寬、能級(jí)小，需要通過前置放大器及運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。使用單通道A/D轉(zhuǎn)換后放大將存在矛盾：硬件在放大采集到的信號(hào)時(shí)，同樣放大了系統(tǒng)的本底噪聲，盡管可以滿足動(dòng)態(tài)范圍上限的要求，但在信號(hào)能量較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比過低。為解決此問題，提出了雙通道采集的設(shè)計(jì)思路，工作時(shí)序如圖3所示。

FPGA發(fā)出采集指令后，單傳感器通道進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)保存于存儲(chǔ)器中。由DSP進(jìn)行運(yùn)算后將結(jié)果發(fā)送于FPGA中進(jìn)行判斷，如不需放大，則將計(jì)算完成后的結(jié)果顯示，清除未使用數(shù)據(jù)；如需放大則將放大后的信號(hào)重新進(jìn)行濾波運(yùn)算。硬件模塊選用PCM4202型24位雙通道高精度ADC，單通道動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)118 dB，完全能夠滿足多參數(shù)噪聲測試的需求，并可向高聲壓級(jí)測量擴(kuò)展。

2.2 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)

作為計(jì)量用設(shè)備，噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性非常重要。在實(shí)驗(yàn)室中，噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的校準(zhǔn)通常采用電信號(hào)（函數(shù)信號(hào)發(fā)生器）和聲信號(hào)（多功能聲耦合腔）來進(jìn)行。JJG 1095——2014《環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測儀檢定規(guī)程》對(duì)戶外監(jiān)測裝置的指示聲級(jí)、頻率計(jì)權(quán)和頻率響應(yīng)、級(jí)線性等均做出了要求[11]。

在戶外環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法操作困難設(shè)備不易攜帶，且受環(huán)境因素影響較大，因此本文提出了一種利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行戶外監(jiān)測的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的方法。其基本思想是：實(shí)驗(yàn)室中采集標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)，然后將信號(hào)及自校指令發(fā)送到監(jiān)測終端，終端接收到指令后，使用接收到的信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)后將結(jié)果返回至實(shí)驗(yàn)室，由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)，將修正信息發(fā)送至監(jiān)測終端，完成校準(zhǔn)。該過程如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)流程

表1 氣象測量誤差

該校準(zhǔn)過程重點(diǎn)在于保證無線通信的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。由于戶外監(jiān)測裝置長期安裝于距離實(shí)驗(yàn)室較遠(yuǎn)的位置，為實(shí)現(xiàn)兩者之間的無線通信采用了TDSCDMA 3G DTU通信模塊。該模塊通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了TCP無線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，與監(jiān)測終端之間采用串口RS232/485通信[12]。在存儲(chǔ)單元上，模塊自帶256Mb/s的FLASH和2048Mb/s的SDRAM作為緩存，完全能夠滿足傳輸校準(zhǔn)信號(hào)的需要。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)在實(shí)際工作中的表現(xiàn)，首先使用標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)/風(fēng)速儀對(duì)比氣象模塊輸出，實(shí)驗(yàn)環(huán)境在標(biāo)準(zhǔn)半消聲室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

將信號(hào)源和標(biāo)準(zhǔn)聲源放置于半消聲室中，連接好監(jiān)測裝置，如圖5所示。聲信號(hào)測試時(shí)，使裝置標(biāo)準(zhǔn)傳聲器軸線與聲源軸線重合。電信號(hào)測試選用正弦信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，使用適配器連接前置放大器進(jìn)行測試。

圖5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測試實(shí)驗(yàn)

連接好設(shè)備后發(fā)出信號(hào)，通過邏輯分析儀來觀察FPGA及DSP上的輸出信號(hào)。測試信號(hào)分別為電信號(hào)（1kHz/1mV，3kHz/1mV，1kHz/10mV，3kHz/10mV）、聲信號(hào)（粉紅噪聲），邏輯分析儀的輸出結(jié)果如圖6所示。

圖中，橫坐標(biāo)表示FPGA采集到的點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)代表有效的DA轉(zhuǎn)換值。由于采用24位DAC，信號(hào)幅值通過式（4）換算：

式中：Vref——參考電壓；

Vp——信號(hào)幅值；

VDA——帶符號(hào)的有效轉(zhuǎn)換值；

k——系統(tǒng)的校準(zhǔn)系數(shù)，需進(jìn)行校準(zhǔn)后計(jì)算得出，本系統(tǒng)k=65.5。

圖6 系統(tǒng)輸出波形

可以看到，系統(tǒng)在輸入信號(hào)能量較低時(shí)由于噪聲影響導(dǎo)致輸出信號(hào)略有起伏，但是仍能保持完整波形形狀且頻移不明顯。

為驗(yàn)證系統(tǒng)幅值輸出準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行測試，測量誤差如表2所示。

表2 噪聲測量誤差dB

可以看到，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)測量誤差分別為-1.3，-1.2， -0.9，-1.1dB，聲信號(hào)誤差-0.8dB，能夠滿足JJG 1095——2014《環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測儀檢定規(guī)程》中對(duì)于最大允許誤差（表中第3行）的要求。

4 結(jié)束語

環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)在我國已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，管理體系日漸成熟，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)基本已經(jīng)具備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的噪聲監(jiān)測能力。但是仍然存在國產(chǎn)設(shè)備落后，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高昂的問題，同時(shí)設(shè)備自校能力的缺失導(dǎo)致戶外噪聲監(jiān)測準(zhǔn)確性存在問題。本文設(shè)計(jì)的噪聲監(jiān)測裝置是獨(dú)立于聲級(jí)計(jì)的完整多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方法保證了長期在現(xiàn)場條件下的設(shè)備校準(zhǔn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)在研究時(shí)未考慮戶外復(fù)雜環(huán)境下氣候?qū)υO(shè)備性能的影響，在實(shí)際應(yīng)用中測量結(jié)果可能存在誤差，下一步需繼續(xù)優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)及算法，降低系統(tǒng)本底噪聲，提高環(huán)境適應(yīng)性，以達(dá)到推廣應(yīng)用的目的。

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（編輯：劉楊）

Research on noise monitoring system at multi-parameter field based on FPGA and DSP

GUI Gui，YAO Xiaobing，WAN Yupeng，XIE Rongji，LI Dongmei
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

Most of outdoor noise monitoring devices can only monitor the sound pressure level，but different meteorological environment will result in the change of sound pressure level.In order to realize the simultaneous measurement of noise and meteorological parameters in outdoor environment that meet the performance requirements in Automatic Monitoring of Environmental Noise（JJG 1095-2014），outdoor microphone and 6-factor meteorological sensor were adopted to collect signal. We aslo developed multi-parameter field noise monitoring system that can synchronously monitor noise and meteorological parameters by respectively adopting FPGA and DSP as control core and arithmetic core of the system.In this system，the dynamic range（20-140dB）of the system in the frequency range from 20Hz to 16 kHz is implemented by using the two-channel A/D conversion technology.Finally，we used the standard signal source（sine）and standard sound source(pink noise)to test the device.The results show that weight measurement error of the system frequency meets requirements and is applicable to multi-parameter field noise monitoring under outdoor environment.

acoustic measurement；dual-core；multi-parameter；remote calibration；outdoor monitoring

A

1674-5124（2017）05-0110-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.023

2017-01-18；

2017-02-29

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013GZ0010）

桂桂（1989-），男，河南洛陽市人，碩士，研究方向?yàn)槁晫W(xué)測試技術(shù)與儀器。