車站廣播智能管控技術

陳佩耀

中國鐵路西安局集團有限公司西安站，陜西 西安，714000

0 引言

在高鐵車站內，廣播系統的主要作用為播報列車的實時運行信息、緊急情況信息、天氣信息等，但由于在車站這種公共場合中，會出現諸如列車鳴笛聲、制動剎車聲、人聲等各種嘈雜的聲音，這將會對車站廣播的效果產生較大的影響。由于在不同的時間段和情況下，車站內的嘈雜聲會有很大的區別，為了既能夠保證廣播的效果，又不影響旅客的休息，車站廣播的分貝是需要結合實際情況來做出調整的，但使用人工來進行手動的調整是不切合實際的，這時就需要具備一套車站廣播智能管控系統，以達到既能夠保證車站廣播的實際效果，又避免產生噪聲污染的目的。

1 高鐵車站廣播效果測試

本文以國內某個已經投入使用的高鐵車站為例，使用一種系統的車站廣播檢測方法來對其候車廳內的廣播效果進行了測試，具體的測試流程如圖1所示。

圖1 高鐵車站廣播效果測試流程

1.1 候車廳的結構特征

該車站主體為混凝土框架結構，共有上下兩層，候車室內地面為大理石地磚，支架為水凝柱，四周安裝玻璃幕墻，天花板多使用柵欄進行裝飾，車站大廳內墻壁較為光滑[1]。翻閱車站建造時的相關數據可知，車站一層候車廳的建筑面積為6324平方米，二層候車廳的建筑面積為7030平方米。

1.2 背景噪聲測試

背景噪聲主要包含廣播音響設備噪聲以及放音環境噪聲兩大部分內容。車站內存在過大的背景噪聲不僅會導致人心情煩躁，而且還會影響有用信息的傳播，使得廣播聲音的信噪比以及動態范圍變得更小，破壞聲音質量。本次測試總計在車站候車廳內選取了5個不同的點位進行背景噪聲測試，其中每個點位收集6組測試數據，測試結果如表1所示，由此表我們可以得出，車站候車廳內的背景噪聲均值約為71dB，其噪聲大小適中。

表1 車站內背景噪聲測試數據（dB）

1.3 語音清晰度測試

本次測試所選取的時間段為車次均已停運，候車大廳處于無人的控場狀態，分別在一層候車廳和二層候車廳內選取了9個測試點，其測試的數據結果如表2所示，由此表中數據我們可以得知，車站一層候車廳的語言傳遞指數為0.39，二層候車廳的語言傳遞指數為0.29。

表2 車站候車廳RASTI

1.4 混響時間測試

混響時間指的是在廣播聲場到達穩定狀態時并同時聲源停止發生之后，聲壓降低至60dB所需要的時間。混響時間過短或者過長都會對廣播的效果產生影響，過短則會出現聲音不自然的現象；過長則會出現廣播聲音含混不清[2]。本次測試同樣選擇候車廳一層和二層作為測試點，其具體的測試結果如表3所示，經過對車站混響數據進行計算可以得知，其整體的混響時間較長。

表3 車站候車廳混響時間測試數據

2 車站廣播智能管控系統

基于噪聲檢測的智能廣播管控系統的工作原理為：首先噪聲檢測電路對候車廳內的噪聲環境進行采集，并通過電容式駐極體將造成轉換為電壓信號傳遞給單片機，然后單片機會將電壓信號轉換為對應的數字信號，并同時對噪聲進行計算，此時控制系統會根據計算出的噪聲值來對電位大小進行調整，以實現對語音播放電壓進行控制的目的，其具體的流程如圖2所示。

圖2 智能管控系統結構框架圖

3 系統硬件設計

3.1 單片機

基于本次設計既要實現對廣播音量進行智能調節，又要兼具廣播效果的實際需要，我們選取了MSP430F149型單片機作為系統中的控制器。該型號的單片機相較于51系列的單片機具有更為豐富的I/O接口，并具有內部集成A/D轉換模塊，因而更符合該系統的實際設計需求[3]。430單片機的晶振頻率為8MHz，指令執行時間為125ns，采用的為22pF的起振電容，具有穩定且良好的運行效果。

3.2 噪聲檢測電路

噪聲檢測的電路圖如圖3所示。

圖3 噪聲檢測電路

其具體的工作原理如下。

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10μF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0.1μF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0～4V范圍內，超出單片機的最大采樣電壓+3.3V，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5V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。

3.3 語音播放電路

為了仿真車站候車廳的廣播，系統中還安裝有ISD1760語音芯片，該芯片具有錄音的功能，且在語音芯片中還設置有自動增益控制、揚聲器驅動等實用功能。在ISD1760芯片的20號引腳串聯有震蕩電阻，來對芯片頻率進行采樣；芯片所需的工作電壓最高不得大于6V。

3.4 音量控制電路

為了實現智能管控系統對于廣播音量的自動控制，本次設計采用了電阻對信號進行分壓，電阻阻值的大小由單片機的對應引腳決定。依據所采集到的噪聲值大小，通過對控制器端口輸出狀態的調節來實現對分壓電阻的大小進行控制。既候車廳內的噪聲值越小，則揚聲器所串聯的分壓電阻阻值就越大，那么廣播聲音就會越小；而候車廳內的噪聲值越大，則揚聲器所串聯的分壓電阻阻值就會越小，那么廣播聲音就會隨之變大。

3.5 按鍵電路

為了確保車站廣播系統的音量能夠處于隨時可控的范圍之內，本次設計還增加了對應的按鍵電路[4]。在語音播放芯片的23號引腳上連接S3按鍵，來實現對廣播播放或者暫停的控制，在端口自低電平得電之后，語音芯片就會自動播放廣播內容。語音芯片的播放端口同時還受單片機的控制，而基于按鍵有可能隨時會使用的特點，還需要在系統之中串聯一個阻值為100Ω的電阻。S4為中斷檢測端口，S5為單次/循環模式切換端口，其分別與單片機的P2.0以及P2.1端口相連。

3.6 顯示電路

為了方便對于系統的工作狀態進行觀測，本次設計還加裝了LCD1602液晶顯示器，用來對經由噪聲檢測電路輸出后再控制器計算后的電壓、系統的停止或者播放等實時工作狀態以及音量自動調節等功能的顯示。該液晶顯示器的1號引腳與電源的接地端進行相連，2號引腳與+5V電壓進行連接，3號引腳是模塊顯示對比度控制引腳，而4～6號引腳則與控制器的P4.5～P4.7端口相連，7～14號引腳為顯示電路的雙向數據傳輸端，和控制器的P5端口相連，15、16號引腳為顯示電路背光燈電源的正負極接口。

4 系統軟件設計

智能廣播管控系統采用C語言編程語言來實現相關的控制功能，而為了方便系統的調試，并同時提升軟件的可移植特性，本次設計采用了模塊化的設計語言和結構，軟件系統的設計模塊和流程如圖4所示。

圖4 軟件系統的流程圖

從圖中可以清晰地看出，在該系統得電之后，會自動對系統程序進行寄存器與輸入輸出端口進行設定，在設定完成之后會進入主程序。系統首先會對按鍵電路的狀態進行檢測，并在此基礎之上對廣播音量的調節方式進行確定，在自動調節模式下，系統會依據對候車廳內噪聲的平均數值來切換分壓電阻，并同時對進行語音播放的電壓實施控制，以最終實現對廣播音量的智能化控制；在手動調節模式下，系統則會依據按鍵工作狀態來對語音的輸出音量進行控制。而無論是在那種工作模式下，顯示電路都會直觀、高效的對音量的調節方式以及廣播系統的工作狀態信息等進行實時顯示。

5 仿真實驗

在對該系統進行仿真實驗時，使用ISD1760語音控制芯片首先錄制一段模擬語音，并通過電容式駐極體話筒MIC對候車廳內的噪聲進行采集，并將其輸入智能系統當中，在經過對噪聲的計算和分析之后，系統會利用切換分壓電阻阻值的大小來實現對廣播音量大小的控制[5]。在仿真實驗過程中，如果檢測到的噪聲值越小則表明系統控制廣播音量就越小，如果檢測到的噪聲值高則表明廣播控制的音量就越高，在此過程中還應注意始終保持廣播音量要高于候車廳內的噪聲。經過多次的實驗，最終對噪聲的大小、分壓電阻阻值、控制器P1.0、P1.1、P1.2輸出和輸入端口以及廣播音量之間的一一對應關系，其控制關系如表3所示。

表3 系統音量控制關系

6 結語

綜上所述，對于我國的高速鐵路系統來講，其在向著運行速度更高、車站建設更大的方向發展的同時，也應對車站使用過程中的廣播效果進行關注。鑒于在車站候車廳內存在著人聲、列車鳴笛聲等多種雜聲，會對廣播的傳播效果造成嚴重的影響，本文在分析車站噪聲的基礎之上，對智能化的車站廣播系統開展了設計，該系統具有結合場內噪聲大小來自動調節廣播音量的功能，能夠實現對廣播的智能化控制，雖說該系統目前還存在著很多的不足和缺陷，但經過不斷地優化和完善，必將在未來就有廣闊的應用前景。