基于環境噪聲的廣播音量自適應控制系統

王玉芳 湯 杰 曹 輝 沈慧想

(南京信息工程大學自動化系,江蘇 南京 210044)

基于環境噪聲的廣播音量自適應控制系統

王玉芳 湯 杰 曹 輝 沈慧想

(南京信息工程大學自動化系,江蘇 南京 210044)

為實現廣播音量的自動調節，設計了基于環境噪聲的廣播音量自適應控制系統。系統以MSP430單片機為控制器，通過噪聲檢測電路采集大廳內的噪聲信號，利用MSP430片內的A/D轉換器將其轉化為數字量并計算平均噪聲；根據處理后的平均噪聲，并利用音量控制電路切換分壓電阻，實現了廣播音量在動態多變噪聲環境下的自適應控制。試驗表明，系統結構簡單、性價比高，對廣播音量的自適應控制效果顯著，能在保證大廳廣播傳播率的同時兼顧乘客的舒適度與節能性，具有良好的應用推廣價值。

單片機 A/D轉換器 自適應控制 噪聲檢測 分壓電阻 語音播放

0 引言

在機場、車站及碼頭等公共交通樞紐中存在復雜的人為噪聲，如旅客的嘈雜聲、航班進港離港以及機車進出站所產生的噪聲等[1-2]。這些噪聲會直接影響乘客收聽大廳廣播的效果：若廣播音量較小，會導致乘客聽不清廣播內容，錯過出行的關鍵信息；若廣播持續大音量播音，則會大大降低乘客的舒適度。文獻[3]已關注公共廣播音量對環境的污染問題。為了實現公共廣播聲壓自動調控功能，其從理論上討論了常用的信噪比自適應技術及方法，但并未涉及完整的音量自適應控制系統實現方案。因此，本文設計了基于環境噪聲的廣播音量自適應控制系統，系統根據檢測到的實際環境噪聲大小自動調節廣播音量，使播音音量略高于環境噪聲，既保證了廣播的信息傳播效率又兼顧了舒適性，同時也在一定程度上降低了廣播播音的電能消耗。

1 系統結構

系統結構框圖如圖1所示。噪聲檢測電路采集大廳內的環境噪聲，通過電容式駐極體話筒MIC將噪聲聲波轉換為電壓信號傳送給單片機，利用單片機內集成的A/D轉換器將電壓信號轉變為數字信號，并計算平均噪聲；控制器根據平均噪聲自適應調整音量控制電路中分壓電阻的電位切換，控制語音播放電路的輸出電壓，實現音量的自適應控制。為了便于觀測噪聲及播音音量大小，系統設計了顯示電路及按鍵電路。

圖1 系統結構框圖

Fig.1 Block diagram of systematic structure

2 系統硬件設計

2.1 控制器

由于本系統需根據環境噪聲自適應控制播音音量，兼顧最佳效果及節約能源的雙重目的，所以本系統選擇了美國德州儀器公司MSP430系列16位單片機MSP430F149作為控制器，其具有功耗低、運算速度快[4-6]等特點。相對于51系列單片機而言，430系列單片機的I/O資源豐富，內部集成A/D轉換模塊，更符合本系統的設計應用需求。系統的晶振頻率為8 MHz，指令執行時間可達到125 ns，采用22 pF起振電容，效果較好且穩定。

電源統一采用+3.3 V直流電源向控制器的數字電源和模擬電源供電，利用通用電源適配器輸出+5 V直流電壓，采用AM1117-3.3穩壓芯片從+5 V中取得+3.3 V電壓，完全能夠滿足控制器電源電壓需求。同時，獲得的+3.3 V電壓被輸入至控制器的VeREF+端，可為后期ADC采樣提供參考電壓。為了穩定電源，在控制器的數字電源和模擬電源引腳分別接0.1 μF的濾波電容。需要說明的是，在使用AM1117-3.3時，要在輸入端和輸出端并聯濾波電容，起到穩定電源電壓的作用。在+5 V電源端串接一個D1發光二極管作為電源指示燈，可判斷電源有無電壓。

2.2 噪聲檢測電路

系統的噪聲檢測電路如圖2所示。

圖2 噪聲檢測電路

Fig.2 The noise detection circuit

電容式駐極體話筒MIC將噪聲聲波轉為電壓信號，由C21低頻濾波和C22高頻濾波后，再經過可調電阻R21選擇適當的噪聲信號電壓輸入到運放LM386的IN+。LM386的1號和8號引腳是電壓增益倍數選擇端，接入10 μF電容，可實現LM386的200倍最高增益。當選擇較高增益工作時，7號旁路引腳需要對地接入0.1 μF電容，以防止增益下降造成的不穩定工作等情況。在5號引腳的音頻輸出端，串接C24和R22到地進行高頻濾波，經過C23電容低頻濾波和D11去除可能出現的電源負壓后到R20電位器，增益200倍的電信號在0～4 V范圍內，超出單片機的最大采樣電壓+3.3 V，故通過R20調壓后送到單片機的P6.0引腳。在P6.0檢測端接入D10指示燈，即可直觀地觀察噪聲的有無及大小。輸出端接D12和R23，用來給C23電容放電，放電速度取決于R23的阻值，其目的是較快地反映噪聲信號的平均直流電壓，以保證噪聲檢測的實時性。為了消除電源適配器送出的5 V電源中可能夾雜的各種高低頻噪聲(尤其是低頻噪聲)，在檢測模塊電源輸入端需并聯C16大電容，以去除來自電源中的、不必要的噪聲干擾。

系統采用MSP 430單片機片內集成的12位A/D轉換器將電壓信號轉變為數字量，無需另外搭建外圍A/D轉換電路。MSP430F149的P6端口為8路模擬信號外部輸入通道，對模擬信息進行檢查，以滿足實時數據處理的要求。MSP430F149的A/D轉換由寄存器AD12SSEL選擇內核時鐘源，寄存器ADC12DIV選擇分頻系數，寄存器SHT控制采樣周期。該系統單片機設置的采樣周期是128 μs。每次采樣后，ADC硬件會自動將轉換結果存放到相應的ADC12MEN寄存器中。本系統采樣128個點，去降極點后取所有有效數據點的均值作為噪聲信號平均噪聲點。因為環境噪聲的不確定性，可能在某個瞬間出現異常較大噪聲，所以將檢測時間設置為3 s，并計算3 s內平均噪聲作為環境噪聲值。

2.3 語音播放電路

為了模擬大廳的廣播播音，系統采用華邦公司的ISD1760語音芯片。該芯片可以進行錄音，且芯片內部具有自動增益控制、內置揚聲器驅動等功能[7]。在ISD1760芯片20號引腳串聯振蕩電阻Rosc來自定芯片的采樣頻率，其采樣頻率可在4～12 kHz的范圍內選取，不同的采樣頻率儲存的時間長度不同，系統根據實際播音的平均時長采用8 kHz的采樣頻率。ISD1760芯片的工作電壓為2.4～5.5 V，最高不能超過6 V。芯片有多個電源端，其中，1號引腳數字電源(Vccd)、14號引腳揚聲器驅動電源(Vccp)和21號引腳模擬電源(Vcca)均接+5 V電源端供電，同時在芯片輸入端并聯電容濾除干擾信號。在使用內部自動增益控制電路時，需要在芯片的18號引腳AGC端串接4.7 μF有極電容，以達到自動增益的目的。ISD1760同樣可直接進行按鍵操作，19號引腳VOL控制音量大小，23號引腳PLAY控制聲音的播放與停止。本系統只需要將VOL引腳和PLAY引腳連接到按鍵電路，其余引腳懸空不接。ISD1760的13號和15號引腳為語音播放的輸出端口。

2.4 音量控制電路

為了達到控制音量的目的，本系統采用電阻進行信號分壓，分壓電阻的阻值取決于控制器P1.0、P1.1和P1.2引腳的狀態。根據ADC采樣得到平均噪聲大小，通過控制單片機P1.0、P1.1及P1.2端口的輸出狀態，控制常閉繼電器的吸合來切換分壓電阻，具體分壓電阻大小根據實際情況而定。總體而言，噪聲越小則和揚聲器串聯的分壓電阻越大，揚聲器播音越小；反之，揚聲器串聯的分壓電阻越小，揚聲器播音越大。分壓電阻的電位輸出分別接在ISD1760語音芯片的13號和15號引腳上。

2.5 按鍵電路

為了增加廣播音量控制的可靠性，設計了按鍵電路。S3按鍵接在ISD1760的23號引腳上進行播放/停止控制，按下給予端口低電平信號，由語音芯片播放廣播語音。播放端口同時受控制器的控制，因為考慮到隨時有按下按鍵的可能，需要串聯一個100 Ω電阻，否則易造成控制器I/O口短路。S4和S5分別是中斷檢測端和單次/循環模式端，分別和控制器的P2.0和P2.1端口相連接。P2.0和P2.1須接上拉電阻，否則按鍵無法正常工作。S4中斷檢測是指在系統播放廣播時，人為進行強制停止進行檢測噪聲。S5單次/循環播放模式根據實際情況設置，單次模式指廣播進行一次環境噪聲檢測并播放一段廣播錄音即停止，循環模式則是指系統在檢測狀態和播放狀態來回循環。

考慮到系統的安全性和穩定性，一旦音量自適應控制出現故障，為保證音量可調，設計了手動調節音量功能。S2音量增減鍵與語音芯片第19號引腳VOL相連。S2控制音量的加減操作，每按一下，音量便會減小一檔，達到最小檔位后再次按下S2鍵，音量跳到最大檔位，如此循環以控制音量大小。音量手動調節功能共有8個音量檔位供選擇。每次按下S2鍵，音量大小會改變4 dB，初始上電時音量默認設置為最大檔位。

2.6 顯示電路

為了便于觀測系統的工作過程，系統采用LCD1602液晶器[8]顯示平均采樣電壓(由噪聲檢測電路輸出經過單片機濾波計算后的電壓)、系統工作狀態(檢測、播放和停止)、噪聲大小及當前音量調節方式(自動和手動)。LCD1602的1號和2號引腳分別為電源的對地端和+5 V電壓端，3號引腳為模塊顯示對比度控制引腳，接地時對比度最高，在此接入100 Ω可調電阻，方便隨時調節對比度；作為控制端口的4～6號引腳,分別由單片機的P4.5～P4.7端口控制;7～14號引腳為8位雙向數據端，與單片機的P5口相連;15～16號引腳為背光燈電源正負極。

3 系統軟件設計

系統軟件采用C語言編程，為了便于調試、提高軟件的可移植性，采用模塊化程序設計結構。系統流程如圖3所示。

圖3 系統流程圖

Fig.3 Flowchart of the system

系統上電后，初始化程序完成特殊功能寄存器和I/O端口設定，進入主程序。首先檢測按鍵電路，判定音量調節方式。若按鍵電路為自動調節模式，則檢測大廳內的環境噪聲并計算其平均值，根據噪聲平均值切換分壓電阻，控制語音播放的輸出電壓，實現音量的自適應控制；若按鍵電路為手動調節方式，則通過按鍵狀態控制語音的多檔位音量輸出。顯示電路可直觀地顯示音量調節方式及系統狀態等信息。

4 系統試驗

在系統試驗中，利用語音播放芯片ISD1760錄制一段音頻模擬實際的廣播播音，通過電容式駐極體話筒MIC采集噪聲并輸入系統中，根據平均噪聲切換分壓電阻控制語音播放音量。實際檢測到的平均噪聲小則表明控制播音音量小，平均噪聲高則表明播音音量高，必須始終保持播音音量高于檢測到的環境平均噪聲。經過反復試驗，確定如表1所示的噪聲大小、分壓電阻、I/O狀態(P1.0、P1.1及P1.2)和輸出音量的對應關系。當環境噪聲變化時，系統的播音音量能夠自適應調節。同時，對系統的手動調節音量功能進行了測試，通過音量增減鍵可人為控制音量大小調節。系統上電時，音量默認設置為最大檔位，每按一次音量增減鍵，音量輸出減少4 dB， 共設置8個音量調節檔位。 當音量減小至最低檔位， 再次按下音量增減鍵，音量將跳至最大檔位，如此循環手動調節音量大小。

表1 音量控制關系Tab.1 Volume control relation

5 結束語

結合單片機結構緊湊及內置資源豐富的特點，設計了基于MSP430單片機的廣播音量自適應控制系統。試驗結果表明，系統能夠根據檢測到的噪聲大小自動調整廣播音量，自適應控制效果良好，既保證了復雜環境噪聲下乘客既能夠聽清廣播內容，又避免了持續的大音量廣播對舒適度的影響和電力資源的消耗。該系統硬件結構簡單，軟件設計靈活，性價比高，具有良好的應用價值和推廣前景。

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Adaptive Broadcast Volume Control System Based on Ambient Noises

To achieve the dynamic adjustment of the broadcast volume,the adaptive control system based on ambient volume for broadcast volume is designed.The system takes MSP430 single chip computer as the controller,and collects the ambient noises in the hall through noise detection circuit.The internal A/D converter in MSP430 is used to transform the ambient noises into digital values,and then calculate the average noise.According to the average noise,the dividing resistors are switched over by the volume control circuit,and the adaptive control of the broadcast volume under dynamically varied noisy environment is realized.The tests indicate that the system is simple in structure and offers high cost effectiveness,the adaptive control effect of broadcast volume is remarkable; the broadcast transmission rate is guaranteed,and both the passenger comfort and energy saving are satisfied.The system has good application and promotion values.

Single chip microcomputer A/D convertor Adaptive control Noise detection Dividing resistors Voice playback

江蘇省高校自然科學研究面上基金資助項目(編號：16KJD460005);

江蘇省大學生創新創業訓練計劃基金資助項目(編號：201513982007Y )。

王玉芳(1979— )，女，2015年畢業于東南大學控制理論與控制工程專業，獲博士學位，講師; 主要從事智能控制系統及控制技術應用方向的研究。

TH86;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612004

修改稿收到日期：2016-07-13。