基于單片機(jī)算法實現(xiàn)對音頻信號檢測的研究

李金 顧軍

摘 要：本文介紹了一種對音頻信號檢測的方法，使用單片機(jī)對檢測到的信號進(jìn)行濾波處理，主要采用的是遞推平均濾波法，通過該方法可以使得提供給單片機(jī)所計數(shù)的信號較為穩(wěn)定，降低一些不必要信號的干擾，提高了音頻檢測的成功率及可靠性。通過程序的檢測及判斷，可以觸發(fā)話機(jī)的緊急通話功能，從而實現(xiàn)沿線擴(kuò)播設(shè)備主動向地面發(fā)起緊急通話的目的。

關(guān)鍵詞：音頻檢測；數(shù)字濾波；緊急通話

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.130

1 概述

隨著《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工作的意見》（國辦發(fā)[2013]99號）文件的提出加強(qiáng)煤礦應(yīng)急救援裝備的建設(shè)，各個省局也都出臺了相應(yīng)的政策。以安徽省為例，出臺了“安徽煤礦安監(jiān)局安徽省經(jīng)信委關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)急管理工作的通知”，其中就明確提出了需要建設(shè)綜合調(diào)度應(yīng)急指揮平臺，指出煤礦必須建立覆蓋井下各作業(yè)地點的應(yīng)急語音廣播系統(tǒng)，提高應(yīng)急信息傳遞的及時性。通過對綜合調(diào)度應(yīng)急指揮中心的建設(shè)，使得在突發(fā)情況時可以對區(qū)域內(nèi)所有能擴(kuò)播的設(shè)備都發(fā)出預(yù)警指令，從而提高信息傳遞的及時性。

目前，在很多煤礦都完成了綜合調(diào)度應(yīng)急指揮平臺的建設(shè)，但是在井下如果發(fā)生緊急情況時，沿線的擴(kuò)播設(shè)備不能直接向地面發(fā)起緊急通話，需要跑到沿線的高級話機(jī)上才能向地面發(fā)起緊急通話。該研究提出了一種音頻信號檢測的方法，接入的高級話機(jī)檢測到所聯(lián)接的擴(kuò)播設(shè)備一定操作規(guī)則的音頻信號后，可以觸發(fā)高級話機(jī)的緊急通話，從而實現(xiàn)在任何一臺擴(kuò)播設(shè)備上都可以通過一定的操作實現(xiàn)向地面的呼叫。

2 原理分析

通過在高級話機(jī)中加入音頻檢測電路，實時的檢測沿線擴(kuò)播設(shè)備的音頻信號，當(dāng)檢測到音頻信號的操作滿足程序預(yù)設(shè)好的規(guī)則時，音頻檢測電路中的單片機(jī)I/O口控制繼電器的輸出，觸發(fā)高級話機(jī)的緊急通話功能，從而實現(xiàn)擴(kuò)播設(shè)備的緊急呼叫功能。

為了提高檢測的穩(wěn)定性及可靠性，需要對所采集到的信號進(jìn)行濾波處理，只計算所需要的正確的音頻信號，而雜波或干擾信號則應(yīng)該濾除，如何判斷信號的正確性將是該研究的一個重點。

電路的濾波一般分為模擬濾波和數(shù)字濾波，其中數(shù)字濾波器具有高精度高、高可靠性、高穩(wěn)定性的特點，且具備以下特點：

（1）數(shù)字濾波器由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，不需硬件，因此不存在阻抗匹配的問題；

（2）對于多路信號的輸入通道，可以共用一個數(shù)字濾波器，降低設(shè)計成本；

（3）只需要修改程序就能方便的改變?yōu)V波的特性。

常用的數(shù)字濾波法[1]主要有以下幾種：

a）限幅濾波法。對于隨機(jī)干擾，限幅濾波是一種有效的方法。其工作原理為：比較相鄰n和n-1時刻的兩個采樣值y（n）和y（n-1），根據(jù)經(jīng)驗確定兩次采樣的值所能允許的最大偏差，如果兩次采樣值的差值超過最大偏差范圍，則認(rèn)為y（n）為隨機(jī)干擾，認(rèn)為y（n）為非法值，應(yīng)予刪除，刪除y（n）后用y（n-1）代替y（n）；若采樣值y（n）未超過所允許的最大偏差，則認(rèn)為本次采樣值有效。

b）中位值濾波法。中位值濾波法能有效克服偶然因素引起的波動或者由不穩(wěn)定引起的誤碼等干擾，對于緩慢變化的被測參數(shù)用此辦法能夠達(dá)到有效的濾波效果，但對于快速變化的被測參數(shù)一般不宜采用中位值濾波法。其工作原理為：對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般為奇數(shù)），然后將采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。

c）算術(shù)平均法。該濾波法適用于對一般的具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波，信號特點是信號本身在某一數(shù)值范圍附近上下波動。其工作原理是：按輸入的n個采樣數(shù)據(jù)，尋找一個數(shù)值Y，使得Y與各采樣值之間的偏差的平方和最小。

d）遞推平均濾波法。工作原理為：采用隊列作為測量數(shù)據(jù)存儲器，設(shè)隊列的長度為n，每進(jìn)行一次測量，把測量到的數(shù)據(jù)放于隊尾，而拋棄原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終就有n個“最新”的數(shù)據(jù)，當(dāng)計算平均值時，把隊列中的n個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，就可得到新的算數(shù)平均值，每進(jìn)行一次測量，就可得到一個新的算數(shù)平均值。

考慮到井下音頻的特性，結(jié)合采樣的特點，為了確保信號的可靠、穩(wěn)定，在該研究中采用遞推平均濾波法實現(xiàn)對信號的濾波處理。

3 方案設(shè)計

在實際應(yīng)用中，由于高級話機(jī)所掛接的擴(kuò)播設(shè)備是不確定的，為了提高該設(shè)計的通用性，在信號的輸入首先做一個信號的對比，只有滿足一定條件的信號才認(rèn)為是有效的信號，才對該信號進(jìn)行濾波處理。如下圖所示：

所采樣的信號從YP端輸入后，通過電路的處理輸入到單片機(jī)的P1.0口，同時在P1.1口取了一個模擬電量的輸入，通過調(diào)節(jié)電位器，可以實現(xiàn)該檢測電路在不同數(shù)量擴(kuò)播設(shè)備情況下都可適用，通過單片機(jī)程序比較P1.0與P1.1之間的電壓差，可以有效的判斷出是否有音頻信號的輸入。如果檢測到音頻信號，P1.0的電壓要高于P1.1的電壓，從而程序判斷該信號為一輸入信號，即可進(jìn)行計數(shù)處理。

由于該音頻信號采樣電路是持續(xù)對沿線音頻進(jìn)行采樣，以檢測沿線擴(kuò)播設(shè)備的打點信號為例，擴(kuò)播設(shè)備的打點信號一般都是以一定周期方波信號，為了計數(shù)方便，可在程序及操作上設(shè)置采集一定時間內(nèi)的信號，如采集0.5秒內(nèi)的打點信號作為一次計數(shù)，在該時間范圍內(nèi)將會采集到很多信號。為了保證信號的準(zhǔn)確性，在程序上采用遞推平均濾波法，每次檢測都拋棄隊首的一次信號，隊尾的一次信號記錄到信號數(shù)組中，加以算術(shù)平均后，進(jìn)行記錄的信號都不會存在太大的誤差，從而保證每次給單片機(jī)程序計數(shù)信號具有較高的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

部分程序代碼如下：

NValue = A[0].Value[j]；

A[AD_ID].SUM = 0；

for（k=0；k

{

A[AD_ID].SUM+=A[AD_ID].Value[k]；

}

A[AD_ID].AV = A[AD_ID].SUM/cynum；

AD_ID++；

if（AD_ID>1）

{

AD_ID = 0；

j++；

j%=cynum；

}

4 結(jié)束語

在實際應(yīng)用中，通過在規(guī)定的時間內(nèi)操作沿線擴(kuò)播設(shè)備的打點或通話，程序?qū)z測到的信號進(jìn)行算術(shù)平均后，對滿足條件的信號作為一次計數(shù)，當(dāng)計數(shù)次數(shù)及操作的規(guī)則滿足程序預(yù)設(shè)好的條件，則控制單片機(jī)的I/O進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)換，從而控制繼電器的輸出，觸發(fā)高級話機(jī)的緊急通話功能。比如在5秒之內(nèi)，按下沿線話機(jī)的打點按鍵，且每次按下的時間不超過0.5秒，且間隔不高于0.5秒的一種操作即可觸發(fā)繼電器的輸出。同時，通過單片機(jī)的程序，可以預(yù)設(shè)多種操作規(guī)則，滿足井下工作人員的操作習(xí)慣，且與現(xiàn)有煤礦的預(yù)警指令規(guī)則不沖突，大大的提高了實用性及可靠性。目前基于該音頻信號檢測的話機(jī)在淮北、皖北等礦業(yè)集團(tuán)的多個煤礦得到了廣泛的應(yīng)用，提高了井下擴(kuò)播設(shè)備的應(yīng)急通信能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳鑒鷹總結(jié)的單片機(jī)常用算法[DB/OL].http：//bbs.elecfans.com/forum.php？mod=viewthread&tid;=434969&fromuid;=843969.

作者簡介：李金（1986-），云南玉溪人，主要從事煤礦產(chǎn)品的研發(fā)工作。