地铁广播音量自动调节系统的设计与研究

贾 涛,赵 磊,陈茂强,时文昌

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 电气电子事业部,山东 青岛 266031)

交通噪声是环境噪声污染的主要来源之一[1-2],世界卫生组织出版的《新科学家》周刊发表的报告指出,欧洲因心脏病或中风死亡的人中,有3%的是由于交通噪声所致[3]。对于地铁等城市轨道交通列车产生的噪声,我国发布了相关标准加以限制,国标GB 14982—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》中规定地铁车辆客室内A计权下等效声级Leq在地上运行时限值为75 dB,在地下运行时限值为83 dB[4]。

地铁车内广播易受背景噪声影响,同时作为车内声源之一,直接影响车内的总体噪声水平,广播音量自动调节功能可以帮助减少背景噪声影响,控制车内总体噪声水平。由于传统的地铁广播音量是固定的,因此在环境嘈杂时,部分乘客无法听清广播提示的内容;如果将广播的音量调整到最大状态,虽然可以解决乘客听不清的问题,但在环境相对安静时,过大的广播音量会降低乘客的舒适度,造成车厢内的噪声污染[5-6]。简而言之,由于背景噪声的变化,会造成乘客有时听不清提示音内容,有时因广播音量过大而降低乘客舒适度的问题。

为解决上述问题,文章提出一种地铁广播音量自动调节系统设计方案。该系统可以根据当前环境噪声的大小来实时匹配广播的音量。这样既能保证人耳能清晰地接收广播内容,提高信息传播效率,又能改善乘客收听的舒适度,减少公共广播对声环境的污染。

1 系统概述

地铁广播音量自动调节系统适用于出站提示音、换乘提示音、到站提示音和多媒体广播等内容的音量调节。地铁广播音量自动调节系统示意图如图1所示,列车的每节车厢都装有1台客室广播主机,相邻车厢的主机之间通过千兆以太网组网,数字音频信息、控制信息等在以太网中传输和交互,实现全列车的信息互通。主机采用中央处理单元对每节车厢的噪声数据进行处理,并动态控制和管理每列车的广播音量。每节车厢装有2台噪声监测模块,噪声监测模块之间的通信线和电源线采用级联的方式进行连接,2台噪声监测模块单独采集车厢声环境,并进行模数转换和加权运算等,将声压数据发送到客室广播主机。扬声器是车厢内的发声设备,每节车厢实际分有两路共配备8个扬声器,采用级联方式进行连接,示意图中受空间所限仅画2个扬声器进行示意。

图1 地铁广播音量自动调节系统示意图

2 系统总体设计方案

系统总体设计方案如图2所示,客室广播主机选择使用标准3U机箱结构,背板采用CPCI总线接口标准,集成电源模块、解码模块、功放模块及电源接口模块等,采取模块化设计,具有更好的互换性和通用性。电源模块将车载DC 110 V电源转换为DC 24 V电源和DC 12 V电源,并平衡电源波动滤除干扰为主机所载板卡供电。功放模块、解码模块和电源接口模块之间的通信接口和供电接口均通过背板引出,通过机箱背板进行数据交互,功放模块与解码模块采用UART总线的形式进行通信。

图2 地铁广播音量自动调节系统总体设计方案

噪声监测模块采集环境噪声声压值,采用DC 24 V供电线和RS-485总线通信。客室扬声器通过音频线与功放板连接,在功放模块的驱动下发声。客室广播主机的其他模块功能如下:

(1) 功放模块。采用效率高、体积小、失真低的后级数字音频功率放大器,增加输入信号的功率幅度,驱动客室扬声器发声。

(2) 解码模块。选用高性能音频解码芯片,一方面对噪声监测模块采集的数据进行处理和逻辑运算,另一方面将数字音频信号转换为模拟信号。

(3) 电源接口模块。内置滤波模块,将背板的24 V直流电源引出到前面板,为噪声监测模块等设备供电。

3 系统硬件设计

根据上述系统总体设计方案和功能接口分析,进行系统硬件平台的选型和设计。文章将重点介绍系统中包含芯片及需要逻辑开发的噪声监测模块、解码模块和功放模块。

3.1 噪声监测模块

噪声监测模块主要作用为采集环境噪声,并进行频谱分析处理和计权运算等,将模拟量转化为十六进制的声压级,通过RS-485接口输出数据。该模块选用某公司HH_07.06数据采集卡,集成专业噪声处理芯片和高性能运算处理器,核心板卡实物图如图3所示。核心板卡采用被动模式协议,所有通信都是从主机发起,设备返回对应数据包,支持设备信息读取、声压值读取、设备地址设置以及波特率设置等。

图3 噪声监测模块核心板卡

核心板卡具有声压级测量范围大、监测频率范围宽以及响应时间快等特点,具体参数如表1所示,可满足地铁车厢噪声测量和工作环境的需求。

表1 噪声监测模块核心板卡主要参数

测量范围/dB

30～130

监测频率范围/Hz

31.5～8 000

接口

串行TTL

计权方式

A计权

分辨率/dB

0.1

工作温度/℃

-20～60

响应时间/ms

<300

核心板卡工作原理如图4所示,驻极体电容麦克风采集的噪声数据首先在前端通过数据采集量化,将电信号转换为声压信号,再进行频谱处理和1/3倍频程频带划分,以得到噪声能量的频率分布,然后进行有效值运算和频带的声压计算[7],最后根据HJ 453—2018[8]标准中的声环境影响预测方法加入等效连续A声压级计权运算,得到最终的声压值。计算公式如下:

(1)

图4 噪声监测模块核心板卡工作原理

式中:LAeq,T为等效声级,dB;(t2-t1)为规定的时间间隔,s;pA(t)为噪声瞬时A计权声压,Pa;p0为基准声压,单位为20 μPa。

3.2 解码模块

在地铁运行过程中,列车上众多的电子电气设备对车厢内的电磁环境产生了巨大干扰。模拟音频传输存在电磁干扰、接地干扰及信号损耗等问题,在车内复杂的电磁环境中传输极易受到干扰,而数字音频具有传输抗干扰能力强,系统信噪比及失真度与传输距离无关,保真度更高等优势。因此,在乘客信息系统的音频传输网络中已经广泛采用数字音频进行传输。解码模块在系统中一方面用于解析以太网(Ethernet)网络中的数字音频信号,将数字信号转换为相应的模拟信号,通过Audio Signal接口控制模拟信号的输出,从而实现列车的广播功能;另一方面通过RS-485接口接收噪声监测模块发送来的数据,并做相应的处理。考虑功放模块和噪声监测模块通信的接口需求、音频数据处理性能需求等,选用瑞芯微RK3308芯片,由芯片拓展的模块外围接口如图5所示。

图5 解码模块外围接口示意图

RK3308芯片是一款高性能四核应用处理器,针对音频和物联网(IoT)应用设计,增加了编解码器(CODEC)以及音频相关模块。CPU采用4核心的ARM Cortex-A35内核,最高频率1.3 GHz,具有8通道模数转换器(ADC)和2通道数模转换器(DAC),并且支持8通道模拟MIC阵列和回采,支持语音交互、回声消噪处理、音频输入/输出处理等数字多媒体应用[9]。音频接口丰富,如PCM、TDM、PDM等,集成度较高,能满足不同音频应用程序的开发,减少硬件开发复杂性和开发成本。

解码模块与噪声监测模块之间通过RS-485总线进行数据交互。文章选用SIT3485ISO半双工RS-485收发器,将芯片内部的UART接口转换为对外的RS-485接口。运用该收发器,总线端口在人体放电模式下的ESD保护能力达到15 kV,可有效预防因人体静电对内部器件的破坏。此外,该收发器还具备失效安全、过压保护和过流保护等功能,在电噪声环境中可实现高于500 kbps的无差错数据传输,使解码模块拥有较强的抗干扰能力。

3.3 功放模块

功放模块选用支持D类音频功率放大器的TPA3118D2芯片,频率响应曲线较好,具有较高的能量使用转换率和较低的失真率。采用单电源供电,减少了组件数量,集成自保护电路,包括过压、欠压、过热、直流检测和短路保护等功能,并且具有自检功能,故障可报告给处理器,从而避免过载情况下对器件造成的损坏。

在DC 24 V电压、8 Ω的BTL负载条件下,支持2路30 W的扬声器功率输出,足够驱动单车厢内的8个额定功率为5 W的扬声器。芯片支持可编程功率限制功能,通过UART总线与解码模块进行通信,接收解码模块发来的级位控制信息,实现不同功放功率的输出。

4 系统软件设计

4.1 数据传输程序设计

系统的数据网络传输程序主要应用RS-485通信协议和UART通信协议。在本系统中,噪声监测模块和解码模块之间采用RS-485通信协议,解码模块和功放模块之间采用UART通信协议,传输示意图如图6所示。

图6 数据传输示意图

RS-485总线作为一种常见的串行总线标准,采用平衡发送和差分接收,具有良好的抗干扰能力,总线收发器灵敏度较高,能检测低于200 mV的电压[10]。再加上结构简单、可靠性高、设计成本低等优点,在工业控制中应用广泛[11]。数据包格式为:地址+命令+数据+CRC16校验,整个数据包长度为8字节。

噪声监测模块采用被动模式协议,因此要获取其对应的声压数据,需要解码模块先向噪声监测模块发送对应的指令数据包,如表2所示。

表2 解码模块发送的数据包格式

噪声监测模块收到解码模块的发送指令,以表3形式返回对应数据包。

表3 噪声监测模块发送的数据包格式

UART总线只需要2根通信线就可以在设备之间传输数据,两个UART总线终端必须配置为发送和接收相同的数据包结构[12],在本系统中所用的UART协议数据包格式如表4所示。

表4 UART协议数据包格式

4.2 系统软件处理逻辑设计

噪声监测模块将采集的噪声数据进行实时处理后传输至解码模块板卡,在车厢内音频广播时,解码模块的软件处理逻辑将依据车厢内噪声值进行逻辑运算,控制音频功放输出,以达到自动调节音量的目的。为了防止自激造成功放模块输出增益的无限增大,更好地区分背景噪声和广播声音,系统仅在广播没有工作时进行噪声采集及增益调节,软件逻辑通过系统广播状态反馈指令Brd_stt判断,当Brd_stt = 0时,表示扬声器没有工作。软件设计应首先将广播音量控制在合理的区间内,例如设置广播音量最低65 dB,最高85 dB,则音量调节区间为65～85 dB。解码模块收到噪声监测器的声压数据后,进行逻辑数据处理。将功放模块输出的功率划分为6个级位,从0～5级的功率值递增,根据地铁实际的运行环境,保证广播清晰度和传播效率,以60 dB为分界线,当检测到环境噪声小于60 dB时,解码模块发送第0级位指令给功放模块,驱动扬声器发声;当检测到环境噪声大于60 dB时,系统开始进行动态调节,驱动扬声器以对应级位发声。具体的系统软件处理逻辑如图7所示。

图7 地铁广播音量自动调节系统软件处理逻辑

5 系统联调测试

搭建测试环境如图8所示,使用音箱播放1 kHz、0 dB的音频模拟环境噪声,通过噪声监测模块采集噪声。

图8 广播音量自动调节系统功能测试

手动调节音箱的音量大小来模拟环境噪声的变化,借助声级计在A计权模式下采集当前的声压值,经过反复试验,确定表5所示的广播音量输出级位调节关系。当环境噪声变化时,系统的广播音量的大小可以快速进行动态调节。

表5 广播音量输出级位调节关系

6 总结

本文提出的广播音量自动调节系统设计方案,系统采用适于工程实际的模块化设计,音量调节响应快速准确,可以实现广播音量伴随环境噪声的动态调节,能有效提高广播信息的传递质量和乘客的乘坐舒适度。