全數字個體噪聲暴露保護裝置的設計

蔡啟祥，宋章明，陳大洋，賀慧勇

(長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南長沙，410114)

0 引言

噪聲污染已經滲透到社會生產和生活的各個領域，成為世界公認的四大環境公害之一[1]。噪聲不但會對聽覺系統產生特異性損傷，還對人的神經系統、心血管系統等產生重大影響[2]。盡管聽力防護器材（耳罩、耳塞、頭盔）的使用能夠有效預防噪聲對人的傷害，但大多數使用者并不愿整天佩戴，而是在需要的時候才使用，因此環境噪聲的實時監測十分重要[3]。傳統的噪聲測量儀表中，音頻信號需經過放大電路、計權網絡、檢波器、對數放大器和積分電路等一系列模擬電路進行模擬運算，其電路結構復雜、無法保證元件精度、難于調試，且穩定性和可靠性較差[4]。本文設計了一種全數字實現的個體噪聲暴露保護裝置，該裝置采用PDM接口的MEMS數字麥克風采集噪聲信號，并以數字信號處理技術對噪聲信號進行處理，降低了電路設計的難度，且調試簡單、體積小、功耗低。

1 全數字個體噪聲暴露保護裝置總體設計方案

個體暴露保護裝置的全數字總體方案如圖1所示，由MEMS數字麥克風、數據處理模塊、數據存儲模塊、數據發送模塊和報警模塊組成。

其中MEMS麥克風將噪聲信號調制成PDM信號；數據處理模塊對輸入的PDM信號進行數字化運算，得出人體所受的噪聲劑量；數據存儲模塊存儲監測過程中的聲級信息；數據發送模塊將存儲的聲級信息發送到上位機；報警LED根據當前的劑量進行分級報警。

圖1 裝置總體設計方案

2 噪聲信號的數字化處理

全數字個體噪聲暴露保護裝置中噪聲信號處理的流程如圖2所示。

圖2 噪聲信號的全數字處理流程

噪聲信號經過MEMS數字麥克風調制成PDM信號[5]。對PDM進行數字抽取濾波即可將其還原成原始信號量化后的信號[6]。

頻率計權模擬人耳的生理特性，根據頻率對輸入的信號進行加權處理，加權值的單位為dB[7]。從時域看可將計權網絡當成一個傳遞函數已知的窗口，輸出信號為輸入信號與該窗口的卷積。A計權的傳遞函數如式（1）所示，采樣率為44.1kHz時，對應的參數分別為：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。

噪聲劑量累積的表達式如式（2）所示。其中ND表示噪聲劑量，用百分比表示；P (t)表示經A計權后的變化聲壓，單位為 Pa；T表示測量周期，單位為小時；0.632為90dB(A)的對應的系數，表示噪聲劑量以在90dB(A)的等效連續聲級下暴露8小時為100%。

依據“ISOR1999”標準，聲壓進行平方才能符合等能量原則，本文中取n=2。

3 裝置的硬件設計

3.1 MEMS數字麥克風

為了減少體積和降低功耗，提高裝置的便攜性，本設計采用是一款結構緊湊的頂部收音孔式低功耗全向數字MEMS麥克風，其工作電流為0.65mA；具有120dBSPL的聲學過載點、61dB信號噪聲比和達-26dB的靈敏度；采用金屬或塑料兼容SMD的HLGA封裝，厚1.25mm；直接輸出PDM數字信號，無需前置放大電路的設。這些優勢使其成為便攜式設備的理想選擇。

3.2 MCU

噪聲信號的處理過程中涉及到大量數據運算，因此MCU需要具備很強的數據處理能力；同時裝置的便攜性，對MCU的體積和功耗也一定的要求。

綜合以上各方面因素，本裝置采用的MCU.具有六種低功耗模式，其中停止模式下的電流低至1.1μA，運行模式下電流低至100uA/MHz；處理性能高達100DMIPS，同時內置FPU（浮點運算核），有利于提高實現數字信號處理的運算速度；采用LQFP64封裝，適合用于對尺寸較小的便攜式設備。

3.3 存儲器

裝置需長時間監測，存儲器需滿足容量足夠、低功耗等特性，且要保證數據的安全。本文采用一個128K x 8bits的存儲器，其帶有寫保護功能，具有非易失性，掉電后數據不會丟失；待機電流為90uA，帶有休眠模式，該模式下的電流為5uA；支持SPI接口，最大速度可達40MHz，寫入后無需等待時間。

3.4 報警 LED

噪聲劑量分級輸出的等級分別為標準噪聲劑量的25%，50%，100%，200%，400%，800%，2000%，其與報警 LED的對應關系如表1所示。當噪聲劑量到達某個等級后，裝置點亮對應的LED進行報警。

表1 LED與報警等級

3.5 裝置接口電路設計

裝置電路結構如圖3所示，MCU通過I2S接口讀取MEMS數字麥克風輸出的PDM信號，并將數據處理過程中的聲級信息通過SPI接口存放至FM25V10。在進行數據上傳時，MCU通過SPI接口讀取存儲器中的數據，并通過串口將數據發送到上位機。報警LED通過限流電阻與MCU的I/O口相連，在選擇限流電阻時可適當地增大其阻值，降低電阻產生的功耗。

圖3 裝置電路結構

4 裝置的軟件設計

裝置的軟件流程圖如圖4所示。采用模塊化方法進行程序設計，將測量、存儲、報警、發送等四個部分封裝成不同的模塊。為了降低裝置的功耗，采用中斷觸發的喚醒方式，若有喚醒，進入到相應的子程序模塊中，否則，繼續休眠。

測量采用RTC定時喚醒，其中采樣時間常數為1s，采樣間隔為5s，數據處理完畢后進入休眠模式；MCU內部存在較大的存儲空間，先將聲強級信息暫存在MCU內部存儲空間，等待內部預留的空間存滿之后，再喚醒存儲器進行數據存儲，存儲完畢后，將存儲器休眠，減少存儲器的工作時間；由于各報警等級之間噪聲劑量的間隔較大，因而對報警等級進行定時刷新，減少不必要的工作；串口發送部分采用外部中斷觸發的工作方式。

圖4 裝置軟件流程圖

5 測試與分析

5.1 分貝值測量驗證

采用NP-DLX個體噪聲劑量計的測量分貝值作為此次驗證的標準。將NP-DLX個體噪聲劑量計與裝置放置于密閉空間內，且需保證兩個傳聲器與聲源的位置相同。通過控制聲源的發聲的頻率和大小，對比兩個裝置測量的分貝值如表2所示，測量誤差在2dB以內。

表2 分貝數對照表

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

5.2 功耗測試與分析

裝置的供電電壓固定，將電流表接入裝置的供電回路中，觀察不同狀態下的工作電流即可反應對應的功耗。

裝置的電流情況如表3所示，T為單次數據處理過程中各部分所占時間。單次采樣過程中噪聲采集時電流為8.65mA，持續時間為1s；數據處理時電流為7.94mA，持續時間為0.36s；休眠時的電流為0.6mA，持續時間為3.64s；MCU內部預留1k的容量作為聲級信息的暫存區，可預存1024*5s（約為一個小時25分鐘）的信息，預留空間存滿后，存儲器進行數據存儲，持續時間為8.2ms，因此一個工作日（8個小時）內存儲器基本上處于休眠模式；在佩戴期間無需數據傳輸，可在下班后在充電的同時進行數據傳輸，在此不考慮這部分的功耗。因此，裝置將大部分時間處于低功耗休眠模式，能有效降低裝置功耗。

表3 裝置工作電流情況

6 結束語

本文設計的全數字個體噪聲暴露保護裝置采用MEMS數字麥克風采集噪聲信號，以數字運算代替傳統的噪聲監測儀器中計權網絡、檢波器、對數放大器和積分電路等模擬運算電路進行噪聲處理，降低了電路設計的難度。裝置電路設計簡單、體積小、功耗低，輸出易理解，具有良好的開發應用前景。

參考文獻

[1]儲榮邦,吳雙成,王宗雄.噪聲的危害與防治[J].2013:52-57.

[2]郭桂梅,鄧歡忠,韋獻革,等.噪聲對人體健康影響的研究進展[J].職業與健康,2016,32(5):713-716.

[3]葛振民,馬樞,高會廣,等.便攜式單兵噪聲監測儀的研制[J].醫療衛生裝備,2015(07):42-44.

[4]汪建宇,劉湘衡.個人佩戴式噪聲劑量計規范 ANSI S1.25 1978[J]. 儀器儀表標準化與計量, 1990.

[5]俞小虎.邁進數字拾音時代——數字麥克風和陣列拾音技術的應用[J].今日電子,2011(08):33-36.

[6]馮聲振,吳晟,邱小軍.兩種PDM信號解碼算法的比較[J].電聲技術, 2008(11):48-50.

[7]趙丹,李麗,賀慧勇,等.頻率計權網絡的數字電路實現[J].現代電子技術, 2015(19):94-97.