基于FPGA和DSP的多参数现场噪声监测系统研究

桂桂，姚小兵，万宇鹏，谢荣基，李冬梅

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

基于FPGA和DSP的多参数现场噪声监测系统研究

桂桂，姚小兵，万宇鹏，谢荣基，李冬梅

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

在不同气象环境下声压级的测量会有不同结果，户外噪声监测装置大多只能监测噪声声压级大小。为实现户外环境下对噪声和气象参数的同时测量且满足JJG 1095——2014《环境噪声自动监测仪》的性能要求，使用户外传声器和六要素气象传感器采集信号，采用FPGA和DSP分别作为系统的控制核心和数据运算核心，开发可同步监测噪声和气象参数的多参数现场噪声监测系统。该系统利用双通道A/D转换技术达到在20Hz～16 kHz频率范围上20～140 dB的动态范围。按照规程要求分别使用标准信号源和标准声源发出的正弦电信号和粉红噪声进行验证实验，结果表明：该系统的频率计权测量误差满足要求，适用于户外环境下的多参数现场噪声监测。

声学测量；双核心；多参数；远程校准；户外监测

0 引言

噪声污染作为环境污染中的特定分类，具有突发性强、影响范围广、信号随机性强等特点。受到技术条件的限制，在目前已有噪声监测任务的城市中人工监测依然占有极大比例，但人工噪声监测方法获取到的数据实时性及重复性较差，而且容易对数据产生干扰[1]。同时，现有的环境监测装置仍然处于开发探索阶段，随着我国试点城市噪声监测工作的开展，只能监测声压级数据的单一功能监测系统逐渐不能满足要求[2]。我国尚未制定成体系的户外噪声监测技术规范，仍然处在消化引进国外先进理念的初级阶段，因此，多参数监测装置存在需求和应用空间。

近年来，噪声监测系统的研究重点集中于多平台开发及联网应用等方面。例如，刘祥楼等[3]利用LabVIEW开发了基于虚拟仪器技术的环境噪声自动监测仪。李华等[4]着重研究了现场监测装置的联网应用。作为计量用具的延伸，户外噪声监测装置的校准方法也受到了一定关注。童宪等[5]研究了环境噪声监测终端的在线计量，设计了一种消声管实现了设备安装后的参数计量。本文在对现有噪声监测技术方法进行研究的基础上，针对户外噪声装置的多参数监测和现场校准需求，开发了基于FPGA和DSP的双核心户外多参数现场噪声监测系统。通过系统验证实验，讨论了其频率计权测量误差，为今后的户外噪声监测装置的设计开发提供参考。

1 系统架构

DSP、FPGA是嵌入式开发的主要硬件，性能上，具有单片机等传统嵌入式器件无法比拟的优势[6]。本文提到的噪声监测系统设计了一种以低成本FPGA和DSP为核心的硬件架构，分别承担控制和运算功能，满足了多参数现场监测的要求。在整体架构上，噪声监测系统按功能主要划分为3个部分：基于FPGA的时序控制模块；基于DSP的数字信号处理与显控模块；外部传感器。

系统的工作流程如图1所示，FPGA作为主控制核心，需实现对信号采集、AD/DA转换、DSP运算核心的时序控制和数据传输。DSP在实现噪声监测实时算法的同时，需处理上位机显示控制信号。工作时，由FPGA向模拟开关发出指令，开关打开后通过前置放大器和运算放大器将传声器前段信号传输至抗混滤波器中，滤波后的信号存储在FPGA的存储单元中以供DSP运算。此外，设计了以双通道ADC为基础的双通道采集放大系统，DSP运算后向FPGA提供反馈，如需放大，FPGA将放大后的信号再次传入滤波器重复以上过程。这样就完成了双通道双核心的噪声监测流程。

1.1 外部传感器

传声器：采用AWA14425型户外传声器，其测量上限为140 dB，频率范围为10Hz～16 kHz。经AWA14604型前置放大器放大后使用BNC接口输出到硬件系统上，安装鸟刺及风罩后符合户外噪声监测的需求。

图1 系统流程框架

气象参数传感器：选用WXA100型六要素气象传感器，可测量温湿度、风向、风速、气压、雨量等参数。该传感器提供了RS232和RS485两种接口，与FPGA之间使用基于RS485的半双工串口通信。

图2 FPGA工作时序

1.2 FPGA硬件时序

FPGA部分主要包括时序产生、逻辑设计、时钟处理、通信接口等，其中逻辑设计单元是FPGA的工作核心，实现系统的时序配置和逻辑控制。全局时钟分频后控制模拟开关，双口RAM、EMIF接口，AD/DA控制逻辑使用独立时钟控制，将数据存放于双口RAM中等待处理。其工作时序如图2所示。

FPGA选用XC6SLX45系列芯片，全局时钟为100MHz，经分频逻辑后控制双口RAM及EMIF接口通信逻辑，信号采集部分时钟频率为24.576MHz。FPGA与DSP的通信使用外部存储器接口（EMIF），EMIF提供了FPGA块和DSP的无缝连接[7]，即将FPGA作为DSP的外部SRAM，通过设置EMIF控制的存储器为SRAM类型实现DSP与FPGA的通信。

1.3 DSP算法

在DSP的算法设计方面，Funkerhouse T等[8]提出了将信号分段处理，分段计算声级的方法，并给出了声压信号有效值平方的计算模型。首先对信号分段处理：

式中：G——信号有效值平方量的时间增益；

τ——时间计权的指数时间常数；

该算法基于声压值在时域上值密度相等的假设得出，实质上给出了声压有效值平方的递推运算方法，是便于通过计算机语言实现的数值化计算方法[10]。通过递推因子ΔSN及ΔWN的迭代计算来代替对所有采样点上的大型复杂运算，提高了运算效率。对于宽平稳信号，该算法具有较高的精度。DSP芯片选用TMS320C6748系列，该芯片运算速度在单核心DSP中处于领先水平，可满足低功耗、高性能的应用环境，提供的EMIF外设接口提供了便捷的通信手段。在本系统设计中，将EMIF接口扩展为SRAM实现了双核心之间的通信过程。

SN、WN——前N个采集段内的加权声压平方和及权重和；

Δt——当前采集到的时域信号长度；

ξ——过去的某一时刻。

又由时间计权声级的定义[9]可知：

式中t为时间，因此可得到声压级平方的递推公式：

2 系统关键技术

2.1 双通道数据采集

图3 AD/DA时序

系统测量动态范围指标为20Hz～16 kHz上的20～140dB。由于声音信号频带宽、能级小，需要通过前置放大器及运算放大器进行放大。使用单通道A/D转换后放大将存在矛盾：硬件在放大采集到的信号时，同样放大了系统的本底噪声，尽管可以满足动态范围上限的要求，但在信号能量较小时会导致系统信噪比过低。为解决此问题，提出了双通道采集的设计思路，工作时序如图3所示。

FPGA发出采集指令后，单传感器通道进行采集，然后将采集到的数据保存于存储器中。由DSP进行运算后将结果发送于FPGA中进行判断，如不需放大，则将计算完成后的结果显示，清除未使用数据；如需放大则将放大后的信号重新进行滤波运算。硬件模块选用PCM4202型24位双通道高精度ADC，单通道动态范围可达118 dB，完全能够满足多参数噪声测试的需求，并可向高声压级测量扩展。

2.2 远程校准技术

作为计量用设备，噪声监测系统的准确性非常重要。在实验室中，噪声监测系统的校准通常采用电信号（函数信号发生器）和声信号（多功能声耦合腔）来进行。JJG 1095——2014《环境噪声自动监测仪检定规程》对户外监测装置的指示声级、频率计权和频率响应、级线性等均做出了要求[11]。

在户外环境下，实验室校准方法操作困难设备不易携带，且受环境因素影响较大，因此本文提出了一种利用无线网络进行户外监测的远程校准的方法。其基本思想是：实验室中采集标准信号源发出的信号，然后将信号及自校指令发送到监测终端，终端接收到指令后，使用接收到的信号进行校准后将结果返回至实验室，由实验室进行比对，将修正信息发送至监测终端，完成校准。该过程如图4所示。

图4 远程校准流程

表1 气象测量误差

该校准过程重点在于保证无线通信的时效性与准确性。由于户外监测装置长期安装于距离实验室较远的位置，为实现两者之间的无线通信采用了TDSCDMA 3G DTU通信模块。该模块通过移动网络实现了TCP无线远距离数据传输，与监测终端之间采用串口RS232/485通信[12]。在存储单元上，模块自带256Mb/s的FLASH和2048Mb/s的SDRAM作为缓存，完全能够满足传输校准信号的需要。

3 系统验证

为验证本系统在实际工作中的表现，首先使用标准温湿度计/风速仪对比气象模块输出，实验环境在标准半消声室中进行，实验条件如表1所示。

将信号源和标准声源放置于半消声室中，连接好监测装置，如图5所示。声信号测试时，使装置标准传声器轴线与声源轴线重合。电信号测试选用正弦信号作为系统输入，使用适配器连接前置放大器进行测试。

图5 验证实验测试实验

连接好设备后发出信号，通过逻辑分析仪来观察FPGA及DSP上的输出信号。测试信号分别为电信号（1kHz/1mV，3kHz/1mV，1kHz/10mV，3kHz/10mV）、声信号（粉红噪声），逻辑分析仪的输出结果如图6所示。

图中，横坐标表示FPGA采集到的点数，纵坐标代表有效的DA转换值。由于采用24位DAC，信号幅值通过式（4）换算：

式中：Vref——参考电压；

Vp——信号幅值；

VDA——带符号的有效转换值；

k——系统的校准系数，需进行校准后计算得出，本系统k=65.5。

图6 系统输出波形

可以看到，系统在输入信号能量较低时由于噪声影响导致输出信号略有起伏，但是仍能保持完整波形形状且频移不明显。

为验证系统幅值输出准确性，对系统输出信号进行测试，测量误差如表2所示。

表2 噪声测量误差dB

可以看到，标准电信号测量误差分别为-1.3，-1.2， -0.9，-1.1dB，声信号误差-0.8dB，能够满足JJG 1095——2014《环境噪声自动监测仪检定规程》中对于最大允许误差（表中第3行）的要求。

4 结束语

环境噪声监测系统在我国已经经历了多年的发展，管理体系日渐成熟，经济发达地区基本已经具备构成网络的噪声监测能力。但是仍然存在国产设备落后，进口设备价格高昂的问题，同时设备自校能力的缺失导致户外噪声监测准确性存在问题。本文设计的噪声监测装置是独立于声级计的完整多参数监测系统，采用远程校准方法保证了长期在现场条件下的设备校准，具有一定的应用价值。本系统在研究时未考虑户外复杂环境下气候对设备性能的影响，在实际应用中测量结果可能存在误差，下一步需继续优化硬件结构及算法，降低系统本底噪声，提高环境适应性，以达到推广应用的目的。

[1]秦勤，张斌，段传波，等.环境噪声自动监测系统研究进展[J].中国环境监测，2007，23（6）：38-41.

[2]IRMER V K P.The European directive relating to the assessment and management of environmental noise[J]. Official Journal of the European Communities，2002（6）：25-29.

[3]刘祥楼，余洋，贾东旭，等.基于虚拟仪器技术的环境噪声监测仪的设计[J].中北大学学报，2009，30（6）：570-573.

[4]李华，邢洪林，李玉文，等.环境噪声在线自动监测系统[J].环境科学与管理，2005，30（4）：101-102.

[5]童宪.环境噪声监测终端在线计量研究[D].杭州：中国计量学院，2013.

[6]辛光，伍川辉.基于DSP的高速动车组车内噪声测试系统设计[J].中国测试，2013，39（3）：84-87.

[7]郑超，王雪梅，倪文波.基于FPGA和DSP的超声波检测系统设计[J].中国测试，2010，35（6）：53-56.

[8]FUNKHOUSER T，MIN P，CARLBOM I.Real-time acoustic modeling for distributed virtual environments[C]∥Acm Computer Graphics Sigg-raph，2004：365-374.

[9]WENZEL E M，FOSTER S H.Real-time digital of virtual acoustic environments[C]∥Acm Siggraph Computer Graphics，1990，24（2）：139-140.

[10]蔡德威.基于Linux的声压级测量技术研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[11]环境噪声自动监测仪：JJG 1095-2014[S].北京：中国计量出版社，2014.

[12]全元，王翠平，王豪伟，等.基于无线传感器网的噪声监测系统设计及应用[J].环境科学与技术，2012，35（12）：255-258.

（编辑：刘杨）

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

四川省科技支撑计划项目（2013GZ0010）

桂桂（1989-），男，河南洛阳市人，硕士，研究方向为声学测试技术与仪器。