蔡启祥,宋章明,陈大洋,贺慧勇
(长沙理工大学物理与电子科学学院,湖南长沙,410114)
噪声污染已经渗透到社会生产和生活的各个领域,成为世界公认的四大环境公害之一[1]。噪声不但会对听觉系统产生特异性损伤,还对人的神经系统、心血管系统等产生重大影响[2]。尽管听力防护器材(耳罩、耳塞、头盔)的使用能够有效预防噪声对人的伤害,但大多数使用者并不愿整天佩戴,而是在需要的时候才使用,因此环境噪声的实时监测十分重要[3]。传统的噪声测量仪表中,音频信号需经过放大电路、计权网络、检波器、对数放大器和积分电路等一系列模拟电路进行模拟运算,其电路结构复杂、无法保证元件精度、难于调试,且稳定性和可靠性较差[4]。本文设计了一种全数字实现的个体噪声暴露保护装置,该装置采用PDM接口的MEMS数字麦克风采集噪声信号,并以数字信号处理技术对噪声信号进行处理,降低了电路设计的难度,且调试简单、体积小、功耗低。
个体暴露保护装置的全数字总体方案如图1所示,由MEMS数字麦克风、数据处理模块、数据存储模块、数据发送模块和报警模块组成。
其中MEMS麦克风将噪声信号调制成PDM信号;数据处理模块对输入的PDM信号进行数字化运算,得出人体所受的噪声剂量;数据存储模块存储监测过程中的声级信息;数据发送模块将存储的声级信息发送到上位机;报警LED根据当前的剂量进行分级报警。
图1 装置总体设计方案
全数字个体噪声暴露保护装置中噪声信号处理的流程如图2所示。
图2 噪声信号的全数字处理流程
噪声信号经过MEMS数字麦克风调制成PDM信号[5]。对PDM进行数字抽取滤波即可将其还原成原始信号量化后的信号[6]。
频率计权模拟人耳的生理特性,根据频率对输入的信号进行加权处理,加权值的单位为dB[7]。从时域看可将计权网络当成一个传递函数已知的窗口,输出信号为输入信号与该窗口的卷积。A计权的传递函数如式(1)所示,采样率为44.1kHz时,对应的参数分别为:a0=1,a1=−0 .9135,a2=−0 .0832,b0=0.5409,b1=−0 .5409,c0= 0 .9428,c1=−1 .8856,c2= 0 .9428,d0=1,d1=−1 .8848,d2= 0 .8863。
噪声剂量累积的表达式如式(2)所示。其中ND表示噪声剂量,用百分比表示;P (t)表示经A计权后的变化声压,单位为 Pa;T表示测量周期,单位为小时;0.632为90dB(A)的对应的系数,表示噪声剂量以在90dB(A)的等效连续声级下暴露8小时为100%。
依据“ISOR1999”标准,声压进行平方才能符合等能量原则,本文中取n=2。
为了减少体积和降低功耗,提高装置的便携性,本设计采用是一款结构紧凑的顶部收音孔式低功耗全向数字MEMS麦克风,其工作电流为0.65mA;具有120dBSPL的声学过载点、61dB信号噪声比和达-26dB的灵敏度;采用金属或塑料兼容SMD的HLGA封装,厚1.25mm;直接输出PDM数字信号,无需前置放大电路的设。这些优势使其成为便携式设备的理想选择。
噪声信号的处理过程中涉及到大量数据运算,因此MCU需要具备很强的数据处理能力;同时装置的便携性,对MCU的体积和功耗也一定的要求。
综合以上各方面因素,本装置采用的MCU.具有六种低功耗模式,其中停止模式下的电流低至1.1μA,运行模式下电流低至100uA/MHz;处理性能高达100DMIPS,同时内置FPU(浮点运算核),有利于提高实现数字信号处理的运算速度;采用LQFP64封装,适合用于对尺寸较小的便携式设备。
装置需长时间监测,存储器需满足容量足够、低功耗等特性,且要保证数据的安全。本文采用一个128K x 8bits的存储器,其带有写保护功能,具有非易失性,掉电后数据不会丢失;待机电流为90uA,带有休眠模式,该模式下的电流为5uA;支持SPI接口,最大速度可达40MHz,写入后无需等待时间。
噪声剂量分级输出的等级分别为标准噪声剂量的25%,50%,100%,200%,400%,800%,2000%,其与报警 LED的对应关系如表1所示。当噪声剂量到达某个等级后,装置点亮对应的LED进行报警。
表1 LED与报警等级
装置电路结构如图3所示,MCU通过I2S接口读取MEMS数字麦克风输出的PDM信号,并将数据处理过程中的声级信息通过SPI接口存放至FM25V10。在进行数据上传时,MCU通过SPI接口读取存储器中的数据,并通过串口将数据发送到上位机。报警LED通过限流电阻与MCU的I/O口相连,在选择限流电阻时可适当地增大其阻值,降低电阻产生的功耗。
图3 装置电路结构
装置的软件流程图如图4所示。采用模块化方法进行程序设计,将测量、存储、报警、发送等四个部分封装成不同的模块。为了降低装置的功耗,采用中断触发的唤醒方式,若有唤醒,进入到相应的子程序模块中,否则,继续休眠。
测量采用RTC定时唤醒,其中采样时间常数为1s,采样间隔为5s,数据处理完毕后进入休眠模式;MCU内部存在较大的存储空间,先将声强级信息暂存在MCU内部存储空间,等待内部预留的空间存满之后,再唤醒存储器进行数据存储,存储完毕后,将存储器休眠,减少存储器的工作时间;由于各报警等级之间噪声剂量的间隔较大,因而对报警等级进行定时刷新,减少不必要的工作;串口发送部分采用外部中断触发的工作方式。
图4 装置软件流程图
采用NP-DLX个体噪声剂量计的测量分贝值作为此次验证的标准。将NP-DLX个体噪声剂量计与装置放置于密闭空间内,且需保证两个传声器与声源的位置相同。通过控制声源的发声的频率和大小,对比两个装置测量的分贝值如表2所示,测量误差在2dB以内。
表2 分贝数对照表
800 83.00 82.08 0.92 1000 80.10 80.214 0.11 2000 76.50 76.40 0.10 4000 74.00 74.32 0.32
装置的供电电压固定,将电流表接入装置的供电回路中,观察不同状态下的工作电流即可反应对应的功耗。
装置的电流情况如表3所示,T为单次数据处理过程中各部分所占时间。单次采样过程中噪声采集时电流为8.65mA,持续时间为1s;数据处理时电流为7.94mA,持续时间为0.36s;休眠时的电流为0.6mA,持续时间为3.64s;MCU内部预留1k的容量作为声级信息的暂存区,可预存1024*5s(约为一个小时25分钟)的信息,预留空间存满后,存储器进行数据存储,持续时间为8.2ms,因此一个工作日(8个小时)内存储器基本上处于休眠模式;在佩戴期间无需数据传输,可在下班后在充电的同时进行数据传输,在此不考虑这部分的功耗。因此,装置将大部分时间处于低功耗休眠模式,能有效降低装置功耗。
表3 装置工作电流情况
本文设计的全数字个体噪声暴露保护装置采用MEMS数字麦克风采集噪声信号,以数字运算代替传统的噪声监测仪器中计权网络、检波器、对数放大器和积分电路等模拟运算电路进行噪声处理,降低了电路设计的难度。装置电路设计简单、体积小、功耗低,输出易理解,具有良好的开发应用前景。
参考文献
[1]储荣邦,吴双成,王宗雄.噪声的危害与防治[J].2013:52-57.
[2]郭桂梅,邓欢忠,韦献革,等.噪声对人体健康影响的研究进展[J].职业与健康,2016,32(5):713-716.
[3]葛振民,马枢,高会广,等.便携式单兵噪声监测仪的研制[J].医疗卫生装备,2015(07):42-44.
[4]汪建宇,刘湘衡.个人佩戴式噪声剂量计规范 ANSI S1.25 1978[J]. 仪器仪表标准化与计量, 1990.
[5]俞小虎.迈进数字拾音时代——数字麦克风和阵列拾音技术的应用[J].今日电子,2011(08):33-36.
[6]冯声振,吴晟,邱小军.两种PDM信号解码算法的比较[J].电声技术, 2008(11):48-50.
[7]赵丹,李丽,贺慧勇,等.频率计权网络的数字电路实现[J].现代电子技术, 2015(19):94-97.