面向工厂复杂环境的音频采集设计

浙江大学软件学院 赵 斌 付建双 叶 威 赵栋栋

目前，我国的精加工产业发展比较落后，资金无法跟上，关键技术严重依赖国外公 司。八音盒音片的精加工技术，涉及到音频信号采集、噪声滤除、电解加工等技术，是多领域系统化的工程，尤其是工厂复杂环境下的音频信号采集方式、抗电磁干扰技术、信号差分传输机制、噪声抑制机制以及电路板抗干扰机制。

为此，采用STM32为处理器，运用已有的电磁效应采集技术，可以实现面向工厂复杂环境的音频采集系统。音频采集系统采用音频信号转换、FFT算法、抗干扰设计等技术，从而为电解精加工产业提供高效、可靠、智能的算法和设备，提高电解精加工生产的效率，增强电解精加工的稳定性，从而为八音盒机芯加工系统提供一套完整的音频信号采集方案。

1.音片精加工系统介绍

1.1 系统总体结构

音片精加工系统以stm32为处理器控制步进电机转动来对八音盒机芯音片的18根音键进行依次拨动，让其切割磁力线，产生感应电流来进行采样。处理器对采集的数据进行FFT运算，滤除环境噪声，可以得到音频信号的频率。然后将音频频率通过Modbus协议发送到PLC中。PLC将收到的频率输出到触摸屏显示，并与用户预先输入的标准频率进行比较，计算出音频差值得出电解脉冲数，进而控制电解系统进行加工，使音片的振动频率与标准频率相同（如图1所示）。

(1)STM32核心板

根据用户现有的音键拨动系统采集音频，并进行快速频率分析，得出基频频率，与标频对比，得出差频，进而控制电解系统进行加工。

(2)电解板

其工作原理是通过放电，加快电解液与目标音片的反应速度。通过控制放电时间，可以控制音片的腐蚀速度，从而调整音片的频率。

(3)PLC

通过改变PLC寄存器的内容可以控制音频测试、电解系统工作及模式步进电机

(4)机械平台

负责对音片的取料，放料。

(5)触摸屏

根据需要输入标准的音频频率，显示采集到的实际频率。

1.2 系统工作过程

八音盒音片有18根音键且排列紧密，因此对于每一个音片的加工，需要把18根音键分成3组，每组六根。音键分组时，中间隔2根分为1组，即1、4、7、10、13、16根为一组，2、5、8、11、14、17根为一组，3、6、9、12、15、18根为一组，以方便电机拔齿拔到音键产生振动。

系统正常工作时，电机转动会拨动音键。电机转动一圈可测出一组6根音键频率并进行相应电解，该过程作为一个工作周期，每一组音键至多需要四个工作周期完成加工。如果中间发现已经电解到合格片要求范围，系统会跳过后面几个工作周期。对一组音键加工完成后，PLC会控制平台移动到下一个位置，使得拨片能够拨到下一组对应的音键，对下一组音键进行加工。

整个系统分为正常工作模式、连续测试模式、电解模式等。系统上电后，处理器从PLC读取工作参数并完成初始化，然后读取工作模式。以正常工作模式为例，处理器获取工作模式后，即开始进行第一组的采频和电解。采频完成后，在电解的同时，处理器会把采频的结果发送给PLC，而PLC把结果发到触摸屏上进行显示。对三组音键加工完后，处理器会把音片是否合格的结果发送回PLC，PLC控制平台把不合格片分拣出来，再手动进行加工。

系统的实现如图2所示。

2.音频采集硬件的设计

2.1 系统的结构及总体设计

系统硬件的设计主要包括以下几个模块：传感器信号的放大和过滤模块、AD采样模块、数据处理模块、步进电机控制模块和通信模块。整个系统的体系结构是一个典型的集中控制结构，硬件连接图如图3所示。

根据总体系统设计图，分别设计各个模块的硬件电路，主要包括放大电路的设计、滤波电路的设计、AD采样电路的设计、LCD显示电路的设计和步进电机控制电路的设计。

2.2 信号放大电路的设计

在微电子方面，一般传感器采集到的信号都是十分微弱的，不足以达到AD采样电路所能识别的电平，所以必须对传感器采集到的信号进行放大处理。此外，还要进行滤波处理，滤除掉信号中的噪声，保留有用的信号，但是这个电路必须放在放大电路之后，原因有两点：

①滤波电路对微弱信号的滤波效果不好，这样就会导致无法滤除噪音；

②如果信号刚开始就先进入滤波电路可能会导致把有用信号滤除掉，导致后面的放大电路无法起作用，使得AD采样电路无法采样到信号。这里的放大电路采用的是两级反相放大器电路，通过两级的放大电路，可以使得信号低噪声放大到所需要的电平，运算放大器采用通用的LM324芯片，这是个通用运算放大器，内部集成4个功放管。放大电路图如图4所示。

2.3 滤波电路的设计

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。根据滤波器的选频作用分类，滤波器可以分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。根据最佳逼近特性分类，可以分为：巴斯沃特滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器。本设计采用八阶的巴斯沃特低通滤波器，因为有效的频率范围在200Hz～5000Hz之间，所以设置其截至频率为5kHz，采用filter软件，滤波器的特性图，具体如图5所示。

根据图5所得出来的电路原理图，如图6所示。

3.软件设计(数据采集和数据通信)

系统数据处理的核心是STM32F103ZET微控制器，它采用ARMv7内核，cortex-m3系列处理器。

软件设计的主要目标是实现音片频率的测定和电解控制。音片频率的测定是通过控制电机转动拨动音键并采集传感器电压，然后进行快速傅里叶变换计算、去除干扰和频率计算来完成的。电解控制在软件部分的实现相对简单，只需按照实际采集到的频率与标准频率之差计算出电解脉冲数，然后通过定时器发送给电解板。

系统在运行的过程中需要通过Modbus协议不断与PLC通信，获取工作方式，并传递频率信息。

下面以全工作模式（其它的工作模式是全工作模式的一部分，用于机器的调试或手动控制）为例介绍该系统的工作流程：由于每个分组有6根音键，所以系统在读到工作模式为全工作模式后，先转动6次，期间每次转完都进行FFT计算，最后把频率计算出来，如图7所示。

软件体系的具体实现包括Modbus协议、FFT算法、去干扰算法和脉冲控制，下面进行详细说明。

3.1 Modbus协议

Modbus是由Modicon在1979年发明的，全球第一个用于工业现场的总线协议。Modbus协议是应用于电子控制器设备上的一种通信协议。通过此协议，控制器之间或经由网络与其它设备之间可以通信。Modbus协议已经成为一种通用的工业标准。

本系统采用的是ASCII编码模式，该模式将一个信息中的每8位字节作为2个ASCII字符传输，这种模式的主要优点是允许字符之间的时间间隔长达1S，而且不会出现错误。

在ASCII编码模式中，以“：”表示信息开始，以换行表示信息结束。信息帧结构如表1所示。

例如：系统读取工作参数的时候，会向PLC发送读取寄存器帧，功能码为01，数据包格式如图8。

对应代码如下：

表1 ASCII编码模式信息帧结构

图1 总体结构概述

图2 音片加工系统实际图

图3 硬件连接流程图

图4 放大电路图原理图

图5 滤波器的特性图

图6 滤波器的原理图

图7

图8

然后把pucFrame交给发送函数，并在定时器的控制下按字节发送数据。发送数据的过程可以与程序的主控制过程异步进行，不过由于初始化部分必须先结束才能进行正常工作，所以此处用软定时器延时等待PLC发送的结果，代码如下：

3.2 FFT算法

FFT（Fast Fourier Transformation），即快速傅里叶变换，是离散傅里叶变换的快速算法，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的。

为了提高效率，FFT算法采集汇编语言实现，最终可以在250ms时间内完成对1024个点的FFT计算，并达到4Hz的精度要求。

3.3 去干扰算法

实际开发过程中，发现干扰分为两种：一种是固定某一频率的干扰，一种是先拔的一根由于振荡比较久对后面的一根产生的干扰。

由于每个分组有6根音键，而且这6根音键的频率呈递减趋势，所以对于第一种干扰，可以通过分析每一组音键中前两根和后两根中每根音键出现的一个频率，去计算其它5根中前后12Hz以内有没有出现过相同的频率，如果出现的次数大于3（不包括基准的这一根）就认为有一个固定的外界干扰。

对于第二种干扰，只需要把先拔的一根中出现的频率在后拔的那根里面去掉即可。

3.4 其它

对步进电机和电解的控制是通过定时器实现的，其中步进电机的转动可用Systick（即系统心跳）来控制，即每次进入中断时把一个计数器加1，并根据奇偶性控制引脚输出高低电平从而形成稳定的矩形波。电解控制是由一个单独的定时器实现的，在主流程中只需开启或关闭定时器即可。

4.结论

在面向工厂的复杂工作环境下，音频采集首先需要解决各种噪声的干扰问题，该系统在硬件以及软件方面都进行了相关处理，最终可以实现音频信号的精确采集。对音片的电解精加工也达到了工厂规定，简化了人工挑选加工音片的工作流程，大大提高了工厂工作效率。该系统对音频信号的处理方式也可用于其他对音频信号采集要求较高的系统中，从而得到更广泛的应用。

[1]J.W.Cooley,J.W.Tukey,An algorithm for the machine computation of complex Fourier series.Mathematics of Computation,1965,19(4):297-301.

[2]XILINX.Fast Fourier Transform.v3.2.XILINX product spec ifi cation,august,2005.

[3]U.M.Baese.数字信号处理的FPGA实现[M].北京:清华大学出版社,2003.178-215.

[4]Brian W.Kernighan,Dennis M.Ritchie,The C Programming Language.Prentice hall,1989.

[5]ST Microelectronics STM32F10xx 6 8 B Datasheet(EN).2008.

[6]Joseph Yiu,ARM Cortex-M3权威指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.