基于FPGA和DSP的多參數現場噪聲監測系統研究

桂桂，姚小兵，萬宇鵬，謝榮基，李冬梅

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

基于FPGA和DSP的多參數現場噪聲監測系統研究

桂桂，姚小兵，萬宇鵬，謝榮基，李冬梅

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

在不同氣象環境下聲壓級的測量會有不同結果，戶外噪聲監測裝置大多只能監測噪聲聲壓級大小。為實現戶外環境下對噪聲和氣象參數的同時測量且滿足JJG 1095——2014《環境噪聲自動監測儀》的性能要求，使用戶外傳聲器和六要素氣象傳感器采集信號，采用FPGA和DSP分別作為系統的控制核心和數據運算核心，開發可同步監測噪聲和氣象參數的多參數現場噪聲監測系統。該系統利用雙通道A/D轉換技術達到在20Hz～16 kHz頻率范圍上20～140 dB的動態范圍。按照規程要求分別使用標準信號源和標準聲源發出的正弦電信號和粉紅噪聲進行驗證實驗，結果表明：該系統的頻率計權測量誤差滿足要求，適用于戶外環境下的多參數現場噪聲監測。

聲學測量；雙核心；多參數；遠程校準；戶外監測

0 引言

噪聲污染作為環境污染中的特定分類，具有突發性強、影響范圍廣、信號隨機性強等特點。受到技術條件的限制，在目前已有噪聲監測任務的城市中人工監測依然占有極大比例，但人工噪聲監測方法獲取到的數據實時性及重復性較差，而且容易對數據產生干擾[1]。同時，現有的環境監測裝置仍然處于開發探索階段，隨著我國試點城市噪聲監測工作的開展，只能監測聲壓級數據的單一功能監測系統逐漸不能滿足要求[2]。我國尚未制定成體系的戶外噪聲監測技術規范，仍然處在消化引進國外先進理念的初級階段，因此，多參數監測裝置存在需求和應用空間。

近年來，噪聲監測系統的研究重點集中于多平臺開發及聯網應用等方面。例如，劉祥樓等[3]利用LabVIEW開發了基于虛擬儀器技術的環境噪聲自動監測儀。李華等[4]著重研究了現場監測裝置的聯網應用。作為計量用具的延伸，戶外噪聲監測裝置的校準方法也受到了一定關注。童憲等[5]研究了環境噪聲監測終端的在線計量，設計了一種消聲管實現了設備安裝后的參數計量。本文在對現有噪聲監測技術方法進行研究的基礎上，針對戶外噪聲裝置的多參數監測和現場校準需求，開發了基于FPGA和DSP的雙核心戶外多參數現場噪聲監測系統。通過系統驗證實驗，討論了其頻率計權測量誤差，為今后的戶外噪聲監測裝置的設計開發提供參考。

1 系統架構

DSP、FPGA是嵌入式開發的主要硬件，性能上，具有單片機等傳統嵌入式器件無法比擬的優勢[6]。本文提到的噪聲監測系統設計了一種以低成本FPGA和DSP為核心的硬件架構，分別承擔控制和運算功能，滿足了多參數現場監測的要求。在整體架構上，噪聲監測系統按功能主要劃分為3個部分：基于FPGA的時序控制模塊；基于DSP的數字信號處理與顯控模塊；外部傳感器。

系統的工作流程如圖1所示，FPGA作為主控制核心，需實現對信號采集、AD/DA轉換、DSP運算核心的時序控制和數據傳輸。DSP在實現噪聲監測實時算法的同時，需處理上位機顯示控制信號。工作時，由FPGA向模擬開關發出指令，開關打開后通過前置放大器和運算放大器將傳聲器前段信號傳輸至抗混濾波器中，濾波后的信號存儲在FPGA的存儲單元中以供DSP運算。此外，設計了以雙通道ADC為基礎的雙通道采集放大系統，DSP運算后向FPGA提供反饋，如需放大，FPGA將放大后的信號再次傳入濾波器重復以上過程。這樣就完成了雙通道雙核心的噪聲監測流程。

1.1 外部傳感器

傳聲器：采用AWA14425型戶外傳聲器，其測量上限為140 dB，頻率范圍為10Hz～16 kHz。經AWA14604型前置放大器放大后使用BNC接口輸出到硬件系統上，安裝鳥刺及風罩后符合戶外噪聲監測的需求。

圖1 系統流程框架

氣象參數傳感器：選用WXA100型六要素氣象傳感器，可測量溫濕度、風向、風速、氣壓、雨量等參數。該傳感器提供了RS232和RS485兩種接口，與FPGA之間使用基于RS485的半雙工串口通信。

圖2 FPGA工作時序

1.2 FPGA硬件時序

FPGA部分主要包括時序產生、邏輯設計、時鐘處理、通信接口等，其中邏輯設計單元是FPGA的工作核心，實現系統的時序配置和邏輯控制。全局時鐘分頻后控制模擬開關，雙口RAM、EMIF接口，AD/DA控制邏輯使用獨立時鐘控制，將數據存放于雙口RAM中等待處理。其工作時序如圖2所示。

FPGA選用XC6SLX45系列芯片，全局時鐘為100MHz，經分頻邏輯后控制雙口RAM及EMIF接口通信邏輯，信號采集部分時鐘頻率為24.576MHz。FPGA與DSP的通信使用外部存儲器接口（EMIF），EMIF提供了FPGA塊和DSP的無縫連接[7]，即將FPGA作為DSP的外部SRAM，通過設置EMIF控制的存儲器為SRAM類型實現DSP與FPGA的通信。

1.3 DSP算法

在DSP的算法設計方面，Funkerhouse T等[8]提出了將信號分段處理，分段計算聲級的方法，并給出了聲壓信號有效值平方的計算模型。首先對信號分段處理：

式中：G——信號有效值平方量的時間增益；

τ——時間計權的指數時間常數；

該算法基于聲壓值在時域上值密度相等的假設得出，實質上給出了聲壓有效值平方的遞推運算方法，是便于通過計算機語言實現的數值化計算方法[10]。通過遞推因子ΔSN及ΔWN的迭代計算來代替對所有采樣點上的大型復雜運算，提高了運算效率。對于寬平穩信號，該算法具有較高的精度。DSP芯片選用TMS320C6748系列，該芯片運算速度在單核心DSP中處于領先水平，可滿足低功耗、高性能的應用環境，提供的EMIF外設接口提供了便捷的通信手段。在本系統設計中，將EMIF接口擴展為SRAM實現了雙核心之間的通信過程。

SN、WN——前N個采集段內的加權聲壓平方和及權重和；

Δt——當前采集到的時域信號長度；

ξ——過去的某一時刻。

又由時間計權聲級的定義[9]可知：

式中t為時間，因此可得到聲壓級平方的遞推公式：

2 系統關鍵技術

2.1 雙通道數據采集

圖3 AD/DA時序

系統測量動態范圍指標為20Hz～16 kHz上的20～140dB。由于聲音信號頻帶寬、能級小，需要通過前置放大器及運算放大器進行放大。使用單通道A/D轉換后放大將存在矛盾：硬件在放大采集到的信號時，同樣放大了系統的本底噪聲，盡管可以滿足動態范圍上限的要求，但在信號能量較小時會導致系統信噪比過低。為解決此問題，提出了雙通道采集的設計思路，工作時序如圖3所示。

FPGA發出采集指令后，單傳感器通道進行采集，然后將采集到的數據保存于存儲器中。由DSP進行運算后將結果發送于FPGA中進行判斷，如不需放大，則將計算完成后的結果顯示，清除未使用數據；如需放大則將放大后的信號重新進行濾波運算。硬件模塊選用PCM4202型24位雙通道高精度ADC，單通道動態范圍可達118 dB，完全能夠滿足多參數噪聲測試的需求，并可向高聲壓級測量擴展。

2.2 遠程校準技術

作為計量用設備，噪聲監測系統的準確性非常重要。在實驗室中，噪聲監測系統的校準通常采用電信號（函數信號發生器）和聲信號（多功能聲耦合腔）來進行。JJG 1095——2014《環境噪聲自動監測儀檢定規程》對戶外監測裝置的指示聲級、頻率計權和頻率響應、級線性等均做出了要求[11]。

在戶外環境下，實驗室校準方法操作困難設備不易攜帶，且受環境因素影響較大，因此本文提出了一種利用無線網絡進行戶外監測的遠程校準的方法。其基本思想是：實驗室中采集標準信號源發出的信號，然后將信號及自校指令發送到監測終端，終端接收到指令后，使用接收到的信號進行校準后將結果返回至實驗室，由實驗室進行比對，將修正信息發送至監測終端，完成校準。該過程如圖4所示。

圖4 遠程校準流程

表1 氣象測量誤差

該校準過程重點在于保證無線通信的時效性與準確性。由于戶外監測裝置長期安裝于距離實驗室較遠的位置，為實現兩者之間的無線通信采用了TDSCDMA 3G DTU通信模塊。該模塊通過移動網絡實現了TCP無線遠距離數據傳輸，與監測終端之間采用串口RS232/485通信[12]。在存儲單元上，模塊自帶256Mb/s的FLASH和2048Mb/s的SDRAM作為緩存，完全能夠滿足傳輸校準信號的需要。

3 系統驗證

為驗證本系統在實際工作中的表現，首先使用標準溫濕度計/風速儀對比氣象模塊輸出，實驗環境在標準半消聲室中進行，實驗條件如表1所示。

將信號源和標準聲源放置于半消聲室中，連接好監測裝置，如圖5所示。聲信號測試時，使裝置標準傳聲器軸線與聲源軸線重合。電信號測試選用正弦信號作為系統輸入，使用適配器連接前置放大器進行測試。

圖5 驗證實驗測試實驗

連接好設備后發出信號，通過邏輯分析儀來觀察FPGA及DSP上的輸出信號。測試信號分別為電信號（1kHz/1mV，3kHz/1mV，1kHz/10mV，3kHz/10mV）、聲信號（粉紅噪聲），邏輯分析儀的輸出結果如圖6所示。

圖中，橫坐標表示FPGA采集到的點數，縱坐標代表有效的DA轉換值。由于采用24位DAC，信號幅值通過式（4）換算：

式中：Vref——參考電壓；

Vp——信號幅值；

VDA——帶符號的有效轉換值；

k——系統的校準系數，需進行校準后計算得出，本系統k=65.5。

圖6 系統輸出波形

可以看到，系統在輸入信號能量較低時由于噪聲影響導致輸出信號略有起伏，但是仍能保持完整波形形狀且頻移不明顯。

為驗證系統幅值輸出準確性，對系統輸出信號進行測試，測量誤差如表2所示。

表2 噪聲測量誤差dB

可以看到，標準電信號測量誤差分別為-1.3，-1.2， -0.9，-1.1dB，聲信號誤差-0.8dB，能夠滿足JJG 1095——2014《環境噪聲自動監測儀檢定規程》中對于最大允許誤差（表中第3行）的要求。

4 結束語

環境噪聲監測系統在我國已經經歷了多年的發展，管理體系日漸成熟，經濟發達地區基本已經具備構成網絡的噪聲監測能力。但是仍然存在國產設備落后，進口設備價格高昂的問題，同時設備自校能力的缺失導致戶外噪聲監測準確性存在問題。本文設計的噪聲監測裝置是獨立于聲級計的完整多參數監測系統，采用遠程校準方法保證了長期在現場條件下的設備校準，具有一定的應用價值。本系統在研究時未考慮戶外復雜環境下氣候對設備性能的影響，在實際應用中測量結果可能存在誤差，下一步需繼續優化硬件結構及算法，降低系統本底噪聲，提高環境適應性，以達到推廣應用的目的。

[1]秦勤，張斌，段傳波，等.環境噪聲自動監測系統研究進展[J].中國環境監測，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]劉祥樓，余洋，賈東旭，等.基于虛擬儀器技術的環境噪聲監測儀的設計[J].中北大學學報，2009，30（6）：570-573.

[4]李華，邢洪林，李玉文，等.環境噪聲在線自動監測系統[J].環境科學與管理，2005，30（4）：101-102.

[5]童憲.環境噪聲監測終端在線計量研究[D].杭州：中國計量學院，2013.

[6]辛光，伍川輝.基于DSP的高速動車組車內噪聲測試系統設計[J].中國測試，2013，39（3）：84-87.

[7]鄭超，王雪梅，倪文波.基于FPGA和DSP的超聲波檢測系統設計[J].中國測試，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的聲壓級測量技術研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[11]環境噪聲自動監測儀：JJG 1095-2014[S].北京：中國計量出版社，2014.

[12]全元，王翠平，王豪偉，等.基于無線傳感器網的噪聲監測系統設計及應用[J].環境科學與技術，2012，35（12）：255-258.

（編輯：劉楊）

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

四川省科技支撐計劃項目（2013GZ0010）

桂桂（1989-），男，河南洛陽市人，碩士，研究方向為聲學測試技術與儀器。