瓷磚檢測機(jī)器人的聲音信號(hào)處理

張旭超 孫傳斌 秦慶旭

摘? 要：本系統(tǒng)包括：聲音預(yù)處理部分、AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)芯片以及顯示和按鍵部分。系統(tǒng)先采集敲擊不同空鼓狀態(tài)瓷磚時(shí)發(fā)出的聲音并得到特征參數(shù)，同時(shí)輸入該聲音所對(duì)應(yīng)的空鼓范圍，利用麥克風(fēng)采集聲音，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)放大、濾波后，AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)其進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這就完成了預(yù)處理。而后將預(yù)處理后的聲音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，單片機(jī)接收到AD芯片轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，與子程序所提取的聲音信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行比較，與之前建立的模板進(jìn)行匹配并完成識(shí)別，最后將識(shí)別結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊進(jìn)行結(jié)果顯示。

關(guān)鍵詞：聲音信號(hào);特征提取;單片機(jī)系統(tǒng);特征頻率

中圖分類號(hào)：TN912? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0029-02

Abstract： The system includes： sound preprocessing part， AD conversion chip， single-chip microcomputer chip and display and key part. The system first collects the sound produced when striking the ceramic tiles of different empty drum states and obtains the characteristic parameters， at the same time， inputs the corresponding range of the empty drum， collects the sound with the microphone， amplifies and filters the collected data， and carries on the digital-to-analog conversion to it by the AD conversion chip， which completes the preprocessing. Then the preprocessed sound data is stored in the single-chip microcomputer. After receiving the data converted by the AD chip， the single-chip microcomputer compares the characteristic parameters of the sound signal extracted by the subroutine， matches with the previously established template and completes the recognition. Finally， the data of the recognition result is transmitted to the display module to display the results.

Keywords： sound signal; feature extraction; single chip microcomputer system; feature frequency

1 聲音識(shí)別的特征參數(shù)

在對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行特征提取時(shí)，特征參數(shù)需要滿足：

（1）參數(shù)之間的獨(dú)立性較為顯著;

（2）聲音的本質(zhì)能夠有效的反映出來，區(qū)分性良好;

（3）特征參數(shù)和特征參量的獲取較為簡單，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)各種聲音的識(shí)別。

2 巡檢機(jī)器人的聲音識(shí)別算法

對(duì)于時(shí)域離散信號(hào)（或序列）x（n），可用序列的傅里葉變換來表示其頻域信號(hào)X（ejw）。

為時(shí)域離散信號(hào)x（n）的傅里葉變換，式中FT是傅里葉變換的縮寫。

3 預(yù)處理過程

采集到的聲音未經(jīng)處理之前是模擬信號(hào)，而且存在不同雜音的干擾。所以在解析處理聲音信號(hào)前，要放大聲音信號(hào)，對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列操作，即信號(hào)的預(yù)處理。

4 聲音的采集放大模塊

機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)要考慮到存在多種外界干擾聲音，故而我們使用麥克風(fēng)來采集外界聲音，減法器在后面用來濾除外界干擾，得到機(jī)器人敲擊瓷磚時(shí)發(fā)出的聲音。

5 聲音信號(hào)的濾波

聲音信號(hào)的濾波，就是在信號(hào)分析處理中使用某種技術(shù)去除某些多余分量的過程。通俗來講，就是濾除聲音信號(hào)中無用的、對(duì)有用的信號(hào)產(chǎn)生了干擾、混疊的分量，只剩下有用分量，這一過程也可稱為去干擾或者去噪。一般在對(duì)聲音信號(hào)分析之前會(huì)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，為了有效增加信號(hào)處理的精度，更可靠的處理信號(hào)，設(shè)計(jì)有效可靠的濾波器就顯得尤為重要。由于各個(gè)頻率段濾除的頻率不同，信號(hào)濾波技術(shù)可被劃分為帶通和帶阻濾波、低通濾波、高通濾波。電子設(shè)置使通過有用的頻率信號(hào)，而同時(shí)抑制無用的頻率信號(hào)就是所謂的濾波電路。在工程上常常會(huì)使用濾波電路對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、信號(hào)處理和抑制干擾等。

20Hz-20kHz是一般聲音信號(hào)的頻率范圍，模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要的預(yù)濾波器一般有兩個(gè)：低通濾波器和高通濾波器。其中“經(jīng)過全橋整流”，顯然是要得到直流電壓。用二階低通濾波器處理聲音信號(hào)的目的是濾去雜音的聲波，從而使得到的直流電壓更理想和平直。

二階低通濾波電路通過使輸出電壓下降的速率在高頻段更快，從而使濾波效果得到更好的改善，所以設(shè)計(jì)中采用二階低通濾波器作為實(shí)際中用來處理信號(hào)的低通濾波器。

AD轉(zhuǎn)換器是保證模擬信號(hào)源和數(shù)字信號(hào)源能夠聯(lián)系中間器件，它能將模擬信號(hào)在持續(xù)變化的情況下轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。

本文所包含的主要內(nèi)容有：（1）在學(xué)校圖書館以及各

大網(wǎng)站搜集相關(guān)資料，基本學(xué)習(xí)并了解了有關(guān)聲音檢測技術(shù)的基本原理和相關(guān)操作。（2）根據(jù)實(shí)際需求在能夠?qū)崿F(xiàn)目的操作的前提下選擇單片機(jī)、爬墻車等相關(guān)器件，完成組裝、編程和調(diào)試。（3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路利用Altium Designer畫出相應(yīng)的原理圖和PCB板圖。（4）介紹了瓷磚檢測機(jī)器人的工作環(huán)境以及聲音信號(hào)的處理方法，利用C語言完成了對(duì)單片機(jī)的控制，使用SPSS處理收集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了最小二乘法直線擬合及其仿真分析。

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