特定音频识别系统的设计

摘 要

　　随着智能化技术的飞速发展，音频信号作为识别控制对象成为现阶段各行各业研究的重要对象。目前所采用的技术手段大多数基于物联网，其工作原理大致为，前端进行数据采集，通过网络将数据传递到后台进行大数据处理，再将处理的结果反馈至前端；对于无网络地带以及要求实时控制应用场景，该技术路线便不适用。为使音频信号真正应用于工业领域的列车临近预警监控中，本课题通过采集列车运行时铁轨中的音频信号，利用 16 位单片机作为控制器核心进行数字音频信号的处理、识别，并结合触摸屏，无线通讯，设计具有操作便捷，高识别率，抗干扰能力强的便携式列车专用预警器。

　　本文详细介绍了特定音频识别系统的硬件电路设计和软件程序设计，其中硬件电路设计采用 PROTEL 进行设计，其主要包括电压转换电路，音频信号采集电路，音频信号前置放大电路，音频信号高频滤波电路，单片机基本工作电路，单片机与无线模块、触摸屏通讯电路等。软件程序设计主要采用 C 语言与汇编语言混合编程，其主要包括 A/D 采样程序的设计，音频信号 FFT 变换程序的设计，因 FFT 变换结果是倒序输出的设计了位反转程序，音频特征参数提取程序的设计，单片机与无线模块 SPI、触摸屏 UART、数据存储器 I2C 通讯程序的设计等。本文利用示波器对音频信号采集、前置处理电路进行分析，其结果与期望具有一致性；利用逻辑分析仪检验单片机各个通讯程序的正确性；利用 MATLAB 软件对采集到的音频信号进行 FFT 变换分析，并提取特征参数，该特征参数作为参考与单片机软件程序设计得出的结果进行比对具有一致性。因此本识别系统在针对特定音频识别上具有较强的识别能力。

　　关键词：音频识别；单片机；触摸屏；无线通讯；FFT;MATLAB

Abstract

　　With the rapid development of intelligent technology, audio signals as an object of identification and control have become an important target for research in all walks of life at this stage. Most of the current technical methods are based on the Internet of Things. The working principle is roughly that the front end performs data collection, and the data is transmitted to the background for big data processing through the network, and the processing result is fed back to the front end; for the no network zone and the requirements The technical route is not applicable in real time to control the application scenario. In order to make the audio signal truly applied to the early warning and monitoring of trains in the industrial field, this topic collects the audio signal in the rail of the train during operation, and uses 16-bit single-chip microcomputer as the core of the controller to process and recognize the digital audio signal, and combined with the touch screen. Wireless communication, designed for portable train special warning device with convenient operation, high recognition rate and strong anti-interference ability.

　　This paper introduces the hardware circuit design and software program design of the specific audio recognition system in detail. The hardware circuit design is designed by PROTEL, which mainly includes voltage conversion circuit, audio signal acquisition circuit, audio signal preamplifier circuit and high frequency signal of audio signal. Circuit, basic working circuit of single chip microcomputer, single chip microcomputer and wireless module, touch screen communication circuit, etc. The software program design mainly adopts C language and assembly language mixed programming, which mainly includes the design of A/D sampling program, the design of audio signal FFT transform program, and the bit reversal program designed for reverse output of FFT transform result, audio feature parameters Extraction program design, microcontroller and wireless module SPI, touch screen UART, data memory I2C communication program design. In this paper, the oscilloscope is used to analyze the audio signal acquisition and pre-processing circuits. The results are consistent with the expectation. The logic analyzer is used to verify the correctness of each communication program of the single-chip microcomputer. TheMATLAB software is used to perform FFT transformation analysis on the collected audio signals. And the feature parameters are extracted, and the feature parameters are used as a reference for comparison with the results obtained by the single-chip software program design. Therefore, the identification system has a strong recognition ability for specific audio recognition.

　　Key words: audio frequency identification; Single chip; touch screen; Wireless communications; FFT; MATLAB

目 录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 特定音频识别系统的研究意义

　　随着智能化技术的飞速发展，音频信号作为识别控制对象已逐渐成为现阶段各行各业所研究的重要对象之一。随着我国经济的快速发展[1],国家提出智能制造"十三五"发展规划，我国的高速铁路技术实现了引领世界的发展目标。我国高速铁路确定到 2020年铁路运营规模将超过 12 万公里[2],而我国高铁"复兴号"的运行时速已经能达到每小时 350 公里，随着速度大幅度提高，保证铁路运行的安全是至关重要不可忽视，因此对于铁路线路、现场设备等都需要铁路公务部门人员进行监护、维修[3].在频繁的运输任务中，工作人员进行现场作业时为使其生命安全得到有效的保障，需要在高速列车来临时，设置安全撤离的防护区，促使工作人员有足够的时间撤离工作现场，因此这种安全撤离防护区的设置就显的十分重要。对于传统的防护措施，采用预先设置一个离工作现场较远的预警站点，当列车经过该站点时发出预警信号通知工作现场撤离。

　　这种措施对于防护区间的确定没有标准，一般都设置的比较远，这对于工作人员来说工作效率将降低，同时由于各种各样复杂环境以及人为因素的影响，从预警站点发出的预警信号就存在不能被工作现场及时收到的可能，这对于工作现场人员的人身安全存在着较大威胁。因此这对于利用列车行驶时铁轨中产生的特定音频信号，由单片机进行识别控制的便携式专用预警器，实现及时、准确、可靠的预警信号发出保证工作人员安全撤离的系统就显得十分重要。

　　1.2 国内外发展与现状

　　1.2.1 国内发展现状

　　目前，我国针对列车临近防护预警器系统的研制也有了一定的成功，一些专用报警设备也安装并投入了使用，关于铁路安全防护预警系统的研制主要有：

　　（1）利用北斗卫星高精度定位和监控技术，实时动态地监视铁路线路及现场施工人员[4];

　　（2）联控新型预警系统，其主要利用数字对讲机中的 GPS 定位，结合探测器、控制主机等来实现预警[5].

　　（3）用 80C31 单片微机构成的列车接近安全防护报警系统，该系统主要由总监视器和若干控制器、传感器等器件按照 "积木"方式来实现预警[6].

　　（4）基于DSP 和以太网技术的铁路道口监测系统，将道口监测同信息网络相结合，实时动态的采集列车运行数据，通过网络将数据传输，再通过后台处理实现预警[7].

　　（5）基于嵌入式系统的铁路道口报警系统，主要是利用磁性踏板开关来检测列车行驶状态，通过计算机显示器等来实时监控实现预警功能[8].

　　（6）基于铁路计轴传感器的列车接近报警系统[9],其工作原理大致为在距预警现场一定距离安装列车临近信号采集设备，将采集信号传送到预警现场实现预警。

　　（7）无人值守铁路道口自动化系统[10],主要采用ARM 架构的 STM32F103RBT6 单片机，其工作原理安装列车临近信号采集设备，在将 信号转换为预警信息。实现列车接近平交道口时自动报警。

　　（8）列车接近无线报警系统的设计与实现[11],主要采用无线通信将报警信息传输到系统主机实现预警。

　　（9）DX3型道口信号设备，主要利用继电器控制方式来实现预警[12].

　　（10）LJB 列车接近安全防护报警系统[13],主要利用单片微机技术及组网的方式来实现预警。

　　（11）TF-02 型区间列车接近防护系统等等[14],针对以上系统的研究可大致分为以下几类 GPS 定位、组网、电缆传输等，这些系统的缺点是设备复杂，安装固定，需后台处理等。

　　1.2.2 国外发展现状

　　由于国外先进制造业技术水平发展较快起步较早，致使在列车预警器上的研究也要早于国内，日本于 1987 年就成功研制并投入使用了平交道口微电子报警及防护设备（MAPLE） [15],该设备主要利用微型计算机，实现预警。而我国目前高铁技术已经处于世界领先水平，为了弥补铁路临近预警器上的不足，国内也在借鉴国外列车临近预警的研制中慢慢逐渐发展起来。国外列车临近预警器种类较多，主要有如下种类：

　　德国 Seheidt&Baehmann 公司开发了 ZSB2000 型铁路平交道口安全防护设备[16],该设备利用将远程监督道口信号设备接人车站联锁的监控系统中来进行预警。

　　美国 Harmon Indastries 公司的成功研制了 Hxp-3 型系列产品[17],该系列产品也已经投入了使用。该系列产品拥有频率合成发生器的定时预警控制功能，并能够完整的记录数据。美国联邦铁路局还开发了一套基于 LiDAR 的系统[18],在列车上安装一套LiDAR 传感器，实现对平交道口纵剖面进行监测，该系统被指定为铁路线路自动监测设备。

　　澳大利亚特克尼斯系统有限公司研制了一套采用多普勒雷达探测器检测列车的远程预警系统[19].其主要工作原理是通过雷达来监控列车的运行状态，利用无线通讯与主站进行通讯完成数据处理，主站再将信号传递到施工现场实现预警。

　　欧洲一些国家正在将列车计算机技术、大数据处理、列车自动控制（ATC）和自动防护（ATP）、无线电通信技术等各种技术相结合来研究一套完整的自动监控防护预警系统。

　　国外在列车临近预警器的研制上取得了领先地位，但同样存在一些问题，如设备复杂，安装固定，利用 GPS 定位和网络存在信号盲区，检测的信号需经过多级设备处理才能返回工作现场预警实时性受到限制等等[20].

　　1.3 本课题的来源与研究意义

　　语音信号控制技术快速发展，并逐渐成功应用到我们的日常生活中。如：智能手机中的语音输入转化为文字，语音密码锁，语音智能家居等等[21]层出不穷，这使得生活更加智能化。但是在工业领域中，音频信号的应用还处于探索阶段，在这一领域的研究也集聚了大量的科研人员。这是因为将音频信号应用于工业中将带来巨大的便利，同时也能解决许多重要关键性问题。这是因为，任何机器设备的运行都会发出音频信号，而机器设备正常运行与异常运行的音频信号又是截然不同的，因此通过机器设备在运行时产生的音频信号来进行机器状态的监控。例如，在天然气输送线路上，要使天然气能够正常输送，会在沿线上安装一些专用设备，这些设备长期不间断的工作，在一些人迹罕见的地区如若设备出现异常，工作人员也就很难及时的发现，如果能根据设备异常音频做出报警提醒这将大大提高工作效率；再如，在焊接领域内，焊接接头质量的好坏将直接影响到工件的优劣，现阶段在焊接过程中都会对焊接电流，电压进行监控，或者对焊接完成以后的焊接接头进行一系列的检测以及根据经验等等来评判这个焊接接头的好坏，如果我们能够识别标准焊接接头焊接时的电弧声音，就可以通过"听"这个标准电弧的声音来判断这个焊接接头的质量好坏。可见对于音频信号应用于工业中带来的巨大前景。本系统研制的列车临近预警器就是通过识别铁轨中列车行驶时产生的音频，这对于铁轨来说就是一种特殊的音频，通过识别这个特殊的音频信号进行预警。

　　借鉴语音技术在生活中的应用，结合电子技术的快速发展与微处理器的数字信号处理能力，将音频作为识别控制对象是能够实现的。本文就是在这样的理论与技术支持下进行系统研究与设计的。本文所选用的单片机其内部集成了用于快速傅里叶变换（FFT）的硬件电路，这使音频信号处理速度得到保证，使列车预警器的实时性得到满足。MATLAB 作为强大的信号处理分析软件，可以帮助我们对音频信号进行分析，将其分析结果作为参考可以验证所研制的系统是否具有可靠性与正确性等[22].

　　当前虽然关于铁路预警器的研制有了各式各样的方案，且固定式的预警器也投入了使用。但是针对移动式，铁路维修工作现场不固定等特点的预警器还处于研究阶段。

　　因此研制一款便携式、可靠、实时性强、成本低、抗干扰能力强的专用列车预警器是具有实用价值的。同时这种基于特定音频识别的技术研究也不仅局限于列车预警器的应用，就如前文所叙述，该技术还可以应用与工业的各种设备监控领域等等。

　　1.4 本课题的研究内容

　　本课题是通过列车行驶时铁轨中产生的特定音频信号，通过 16 位数字信号处理器单片机进行该特定音频的识别，从而进行列车临近专用预警器的研制。

　　通过利用微控制器单片机来对铁轨中的特定音频信号识别，从而研制列车临近预警器，其关键在于微控制器单片机能够对铁轨中的特定音频信号进行复杂的数据处理与计算。铁轨处在一个复杂的环境中，各式各样的音频信号存在其中，要想将铁轨中列车运行时的特定音频区分开来，就需要在以微控制器单片机为控制器核心的基础上辅助设计特定的硬件电路与软件程序。本课题利用 Micopchip 公司生产的 16 位数字信号处理器 dsPIC33FJ128GP706 单片机作为控制器核心的基础上，进行音频信号采集电路、音频信号前置放大电路、音频信号高频滤波电路的合理设计，实现在硬件电路上的音频采集；单片机与无线模块、触摸屏通讯电路的设计实现远距离预警、人机交互的功能；通过 A/D 采样程序的合理设计、快速傅里叶变换（FFT）程序的设计、音频特征值提取程序的设计，实现特定音频识别。本课题研究的主要内容如下：

　　1.利用单片机实现音频信号识别的合理性探究，从而合理选取系统控制器核心。

　　2.以 dsPIC33FJ128GP706 单片机作为控制器核心基础上，设计特定音频采集、放大、滤波的硬件电路以及单片机基本工作电路，单片机同无线模块、触摸屏、数据存储器通讯电路的设计。

　　3.制作并调试 PCB 板，利用示波器对各部分硬件电路进行调试，检验是否达到预期目的，为特定音频识别系统提供硬件基础。

　　4.在制作调试成功的 PCB 板的基础上，完成音频信号 A/D 采样程序、FFT 计算程序、位反转程序、音频特征参数提取程序的编写，无线模块 SPI、触摸屏 UART、数据存储器 IIC 通讯程序的编写。

　　5.利用 SamDraw3.1 组态软件绘制出触摸屏的操控界面，以便于实现设备无按钮的操控。

　　6.利用 MATLAB 软件对采集到的音频信号进行 FFT 计算分析，并提取特征参数，该特征参数作为参考与单片机软件程序设计得出的结果进行比对分析以便验证本文系统的合理性、准确性、实时性以及稳定性等。

　　7. 通过对铃铛音频信号的反复调试，验证所设计研制的系统能否达到预期目的。

　　第 2 章 音频信号的分析
　　2.1 音频信号
　　2.2 音频信号的特征参数分析
　　2.2.1 音频信号的时域特征参数分析
　　2.2.2 傅里叶变换
　　2.2.3 音频信号的频域特征参数分析
　　2.3 音频信号识别
　　2.4 本章小结

　　第 3 章 系统硬件设计
　　3.1 硬件设计总体方案
　　3.2 核心控制器芯片的选择
　　3.3 音频电路设计
　　3.3.1 音频信号采集电路
　　3.3.2 音频信号电压放大电路
　　3.3.3 音频信号电压提升电路
　　3.3.4 音频信号高频滤波电路

　　3.4 单片机通讯电路设计
　　3.4.1 单片机与触摸屏通讯电路
　　3.4.2 单片机与无线模块通讯电路
　　3.5 系统电源设计
　　3.6 PCB 板的制作
　　3.7 本章小结

　　第 4 章 系统软件设计
　　4.1 系统软件总体设计方案
　　4.2 MPLAB 简介
　　4.3 ADC 采样程序
　　4.4 单片机数据处理程序
　　4.4.1 FFT 运算程序
　　4.4.2 顺序输出程序

　　4.5 单片机通讯程序
　　4.5.1 单片机与触摸屏通讯程序
　　4.5.2 单片机与无线模块通讯程序
　　4.5.3 单片机与数据存储器通讯程序
　　4.6 本章小结

　　第 5 章 系统调试与展望
　　5.1 硬件电路调试
　　5.2 软件设计调试
　　5.2.1 ADC 采样程序调试
　　5.2.2 数据处理模块程序调试
　　5.2.3 单片机通讯模块程序调试
　　5.3 课题展望

结 论

　　本文通过对基于单片机特定音频识别的列车临近预警器系统的软硬件成功调试，得出如下结论：

　　1.通过对音频信号采集电路、电压放大电路、电压提升电路、高频滤波电路的多次反复调试表明，设计的音频信号采集以及信号前期处理电路能达到预期目标。

　　2.系统设计中采用的触摸屏模块，可以使系统设备操控与监控得到极大的简化，可以大大提高工作人员的工作效率，操作界面的可视化降低了误操作的可能性；采用的无线模块辅助二级预警，可以高效和准确的完成预警。

　　3.系统采用 16 位 dsPIC33FJ128GP706 单片机对音频信号进行数字化处理，处理的结果与 MATLAB 进行对比具有一致性。

　　4.系统通过对铃铛音频信号的反复识别调试，识别准确率达到预期目标。

致 谢

　　时光流逝，岁月无情。1095 天、94608000 秒的研究生生活即将画上句号。回首这一路拼搏，为梦想、为生活、为未来的厉程；充实、忙碌、有目标、有方向、有动力、有激情，当然也有懒惰、颓废、茫然、沮丧，这都是成长路上的风景。在此衷心对陪伴、鼓励、支持我的各位老师、同学与亲朋好友表示最真诚的谢意。

　　首先感谢我的导师兰强副教授，正是兰老师三年来对我孜孜不倦的指导，让我在在学术上、生活上有了新的认识。学术上，兰老师那严谨的态度、深厚的专业功底，多层次、多方面、多领域的知识结构深深地让我敬佩，兰老师鼓励我们多动手、多实践、多探索，因此在研究生生活中调试并制作了大量的电路板，在这个过程中让我真正意识到动手和实践是学习最好、最快的方式。兰老师每周的固定时间"家庭茶会"让我感受到老师的亲切、随意、真实、热情、幽默，每次"家庭茶会"轻松、愉快地畅谈 3 小时以上，这是我研究生生活中最难忘、最美好的回忆。兰老师乐观豁达的人生态度，谦逊平和的处世方式，积极进取的探索精神，也将是我追求的生活方式。在此，向我的导师兰强老师致以最真挚的敬意。

　　在此感谢实验室的张芹师姐在学习、生活上对我巨大的帮助，同时感谢王景磊师兄、谢勇师弟、严柳师弟在我研究生期间对我的帮助，感谢室友佘其海、关新兴、唐攀登以及好友甄贺伟等同学对我的支持及照顾，感谢我的家人对我的支持、关怀、陪伴照顾。

　　最后，感谢母校对我的培养和教育、百忙之中评审本论文的各位老师以及莅临答辩的各位老师与同学。

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