CN102748011B - 一种应用于工业监控设备的音频监控终端及音频处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工业监控设备的音频监控终端及音频处理方法，该终端包括音频处理单元，所述音频处理单元通过音频线连接有声音采集单元，音频处理单元通过数据总线和I2C总线连接有存储单元，音频处理单元还通过数据总线连接有音频变送单元；所述音频变送单元通过RS232总线连接有井口通信平台；所述井口通信平台通过无线通信方式连接至控制中心。本发明能够克服井场现有的RS232/RS485电台低波特率通信不稳定的特点，不仅可以将井场上的声音特征值进行识别，还可以将井场上的声音无失真的传输到监控室，并且提示监控室人员有井场发生泄漏。

Description

一种应用于工业监控设备的音频监控终端及音频处理方法

技术领域

本发明属于监控设备技术领域，涉及一种油气井应用工业监控设备的远程通信音频监控终端，尤其是一种应用于工业监控设备的RS232/RS485远程通信音频监控终端。

背景技术

油气井属于特殊行业，应用到的各种监控设备，要求防爆。另外工业环境恶劣，抗腐蚀性。油气井往往处于北方野外，冬季气温在-30度左右。且气井比较分散，人员不可能对井场漏气做到全天候实时监控。为满足油气田用户的实际需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于工业监控设备的音频监控终端，该监控终端能够克服井场现有的RS232/RS485电台低波特率通信不稳定的特点，不仅可以将井场上的声音特征值进行识别，还可以将井场上的声音无失真的传输到监控室，并且提示监控室人员有井场发生泄漏。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种应用于工业监控设备的音频监控终端，包括音频处理单元，所述音频处理单元通过音频线连接有声音采集单元，音频处理单元通过数据总线和I2C总线连接有存储单元，音频处理单元还通过数据总线连接有音频变送单元；所述音频变送单元通过RS232总线连接有井口通信平台；所述井口通信平台通过无线通信方式连接至控制中心。

上述音频处理单元包括DSP芯片以及与该DSP芯片连接的复位电路、振荡电路和电源供电电路。

上述声音采集单元为拾音器。

上述存储单元采用AT29LV1024存储芯片。

一种上述的音频监控终端的音频处理方法，包括以下步骤：

1）通过拾音器将音频信号转换为模拟的电信号；

2）将采集的模拟电信号的高频杂波滤除，并且对滤波后的信号进行放大处理得到预处理音频信号；

3）对预处理音频信号进行每秒8000次的幅值取样；

4）对取样得到的时域离散的模拟信号进行均匀量化，得到16位的数字音频信号；

5）对量化后的数字音频信号进行小波分析，再对信号进行小波变换通过平移母小波获得信号的时间信息，而通过缩放小波的宽度获得信号的频率特性；对母小波的缩放和平移操作是为了计算小波的系数，这些系数代表小波和局部信号之间的相互关系；系数的值越高表示信号与小波越相似；通过对比计算所得的小波相关性系数与处理器中预存数字的大小便可判断出采集上来的音频信号的类型；如果处理器判断出音频信号为井口管道漏气声，处理器便会产生报警信号；

6）处理器将量化后处理后得到的16为数字音频信号，压缩为8位的数字音频信号；第1位为信号的正负标志位，信号幅值大于0此位为1，信号幅值小于0此位为0。第2、3、4为段位码，它们将信号的整个幅值非均匀的分成8段，每段值的大小为1/2^8-段位码，最后4位为段内码，就是将段位均匀分成16段。例如采集上的16为数字音频信号为1536，此时信号为正，压缩后第一位为1，将1536除以2¹⁶幅值大小落在1/64到1/32，因此其段位码为010，再将1/64到1/32均匀等分16，其幅值落在1/128上，因此得到段内码值为1000；此次音频压缩结果为10101000。

本发明的音频监控终端是通过远程通信、声音采集传输监控终端上加入音频识别功能。当音频处理器识别出采集上来的声音为井场天然气漏气声时，就会产生报警信号。当该音频变送器被访问时，音频变送器会将报警信号上传到控制室。而且可通过上位机发送命令决定是否将井场漏气声回传到控制室。

附图说明

图1为本发明的音频监控终端连接框图；

图2为DSP芯片的复位电路图；

图3为DSP芯片的振荡电路图；

图4为DSP芯片的电源供电电路；

图5为DSP芯片的外扩的存储电路；

图6为DSP芯片的模数转换电路；

图7为DSP芯片的RS232通信电路；

图8为本发明PCM处理流程图；

图9为本发明量化器示意图；

图10为压扩特性图；

图11为本发明音频处理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明应用于工业监控设备的音频监控终端，包括音频处理单元1，所述音频处理单元1通过数字电路与模数转换单元4连接，音频处理单元1通过I2C总线与存储单元7连接，音频处理单元1通过供电电路与系统供电单元8连接，音频处理单元1通过振荡电路与系统振荡单元6连接，音频处理单元1通过复位电路与复位单元9连接，音频处理单元1还通过数据总线与信号转换单元5连接；所述音频滤波放大单元3通过音频线与声音采集单元2连接，音频滤波放大单元3通过放大电路与模数转换单元4相连；所述信号转换单元5通过RS232总线连接有井口通信平台10；所述井口通信平台10通过无线通信方式连接至控制中心11。

本发明的工作电路如下：

图2为DSP芯片的复位电路，芯片外围是一个RC复位电路，复位电路连接在DSP芯片的复位引脚上，在系统刚上电时，电容C处于充电状态，所以VRS处于低电平状态，当电容C充电完成，由于Vcc上啦作用，VRS处于高电平状态。其主要作用是在系统刚上电时，处于不稳定状态，RC复位电路可对DSP芯片进行复位，系统稳定后开始工作。图中按键是在DSP工作出现问题时，需要对DSP芯片进行人为复位时，按下该按键，VRS会被拉低，达到复位DSP的作用。

图3为DSP芯片的振荡电路，振荡器采用的是石英晶体振荡器，石英晶体振荡器两端分别与DSP的X1引脚和X2/clk引脚相连，为了便于石英晶体振荡器起振，还在石英晶体振荡器两端并入两个22p的电容。

图4为DSP芯片的电源供电电路，由于DSP需要分别供1.8V和3.3V的两个电压，因此分别采用TPS76318将5V电压将至1.8V与DSP的CVDD相连，采用TPS76333将5V电压转换为3.3V与DSP的DVDD引脚相连。图中的四个电容是用来滤除电源上的杂波的。

图5为DSP芯片外扩的存储电路，存储芯片采用AT29LV1024。如图AT29LV1024的地址线A（15-0）与TMS320C5402的地址线A(15-0)相连，AT29LV1024的数据线I/O（15-0）与TMS320C5402的数据线D(15-0)相连，AT29LV1024的读写使能引脚与TMS320C5402的读写控制线相连，TMS320C5402的引脚和经过异或后与AT29LV1024启动控制端相连。AT29LV1024的输出使能接地。

图6为DSP的模数转换电路，模数转换器使用的是TLC320AD50C，DSP芯片的复位引脚REST与TLC320AD50C的复位引脚REST相连。TLC320AD50C的帧同步信号FS与DSP的BFSR0和BFSX0引脚相连。TLC320AD50C的移位转换脉冲SCLK与DSP的BCLKR0和BCLKX0引脚相连。TLC320AD50C的数据输出引脚DOUT异DSP的数据输入引脚BDR0相连。DSP的数据输出BDX0与TLC320AD50C相连。TLC320AD50C的时钟引脚MCLK接16MHz。TLC320AD50C的音频输入控制端INP和音频输入端INM分别连接着音频信号。

图7为DSP的RS232通信电路，由于MAX3111是3.3V器件，DSP的McBSP串行接口工作于SPI模式时可直接与MAX3111连接，实现与RS232设备异步数据传输。此时DSP作为SPI协议中的主设备，发送时钟信号(BCLKX)作为MAX3111的串行时钟输入，发送帧同步脉冲信号(BFSX)作为MAX3111的片选信号(/CS)。BDX与DIN连接作为发送数据线，BDR与DOUT连接作为接收数据线。MAX3111的TX与TIIN连接，RX与R1OUT连接，以便利用其片内的转换器实现UART到RS232电平的转换。MAX3111的中断信号(IRQ)与DSP的外部中断INTO相连，其接口电路如图7所示。这样硬件上无需任何其它外围器件，由于异步数据的发送和接收由MAX3111以硬件方案实现，所以软件编程只需考虑DSP与MAX3111之间的同步数据通信。

本发明的原理如下：

PCM处理流程：

在电话通信中，语音信号的编码方式一般为PCM（Pulse CodeModulation）编码。由于需要采集、存储、传输和处理的音频数据量极大，只有进行压缩后才能正常进行传输和存储。

PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用13折线法编码,采用非均匀量化PCM编码示意图见图8。

本发明的音频处理方法为：

1.通过拾音器将音频信号转换为模拟的电信号。

2.通过低通滤波放大电路将采集上来的模拟电信号的高频杂波滤除，并且对滤波后的信号进行放大处理。

3.抽样是对预处理的音频信号进行每秒8000次的幅值取样。

4.量化是对抽样得到的时域离散的模拟信号进行均匀量化，得到16位的数据信号。

5.对量化后的数字音频信号进行小波分析。在对信号进行小波变换通过平移母小波获得信号的时间信息，而通过缩放小波的宽度获得信号的频率特性。对母小波的缩放和平移操作是为了计算小波的系数，这些系数代表小波和局部信号之间的相互关系。系数的值越高表示信号与小波越相似。通过对比计算所得的小波相关性系数与处理器中预存数字的大小便可判断出采集上来的音频信号的类型。如果处理器判断出音频信号为井口管道漏气声，处理器便会产生报警信号。

6.音频编码，处理器将量化后处理后得到的16为数字音频信号，压缩为8位的数字音频信号。第1位为信号的正负标志位，信号幅值大于0此位为1，信号幅值小于0此位为0。第2、3、4为段位码，它们将信号的整个幅值非均匀的分成8段，每段值的大小为1/2^8-段位码，最后4位为段内码，就是将段位均匀分成16段。例如采集上的16为数字音频信号为1536，此时信号为正，压缩后第一位为1，将1536除以2¹⁶幅值大小落在1/64到1/32，因此其段位码为010，再将1/64到1/32均匀等分16，其幅值落在1/128上，因此得到段内码值为1000。此次音频压缩结果为10101000。

下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：

(a)抽样

所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。

(b)量化编码

从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图9所示，量化器Q输出L个量化值y_k，k=1，2，3，…，L。y_k常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度x落在x_k与x_k+1之间时，量化器输出电平为y_k。这个量化过程可以表达为：y=Q(x)=Q{x_k<x≤x_k+1}=yk,k=1,2,3,…,L

这里x_k称为分层电平或判决阈值。通常Δ_k=x_k+1-x_k称为量化间隔。

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号m(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。

非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔Δv也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。

实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是μ压缩律和A压缩律。美国采用μ压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。

所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：

$u=\frac{\mathrm{Ax}}{1+\ln A},0<X\&le;\frac{1}{A}$

$y=\frac{1+\ln \mathrm{Ax}}{1+\ln A},\frac{1}{A}\&le;X<1$

A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图10示出了这种压扩特性。

表1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。

表1

表1中第二行的x值是根据A＝87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A＝87.6曲线十分逼近，同时x按2的幂次分割有利于数字化。

所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。

在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。

表2段落码            表3段内码

在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成2⁷＝128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。

(c)小波音频识别

小波变换是强有力的时频分析(处理)工具，是在克服傅立叶变换缺点的基础上发展而来的。已成功应用于很多领域，如信号处理、图像处理、模式识别等。

小波变换的一个重要性质是它在时域和频域均具有很好的局部化特征，它能够提供目标信号各个频率子段的频率信息。这种信息对于信号分类是非常有用的。

小波变换通过平移母小波(mother wavelet)可获得信号的时间信息，而通过缩放小波的宽度(或者叫做尺度)可获得信号的频率特性。对母小波的缩放和平移操作是为了计算小波的系数，这些系数代表小波和局部信号之间的相互关系。

实时语音压缩的软件部分设计：

（1）TMS320C5402串口的初始化。首先将DSP串口1复位，再对串口1的16个寄存器进行编程，使DSP串口工作在以下状态：以SPI模式运行，每帧一段，每段一个字，每字16位，采样率发生器由DSP内部产生，帧同步脉冲低电平有效，并且帧同步信号和移位时钟信号由外部产生。

（2）AD50初始化。该初始化操作过程包括通过TMS320C5402的同步串口发送两串16位数字信息到AD50。第一串为0000000000000001B，最低有效位(bitsO)说明下一个要传输的数据字属于二次通信。第二个数据值用来对AD50的4个数据寄存器的某一个进行配置。

Bits15～11位为0，Bits10～8位为所选寄存器地址值，Bits7～0位为所选中寄存器的编程值。4个用户可编程寄存器的描述如下：R1中包含模拟输入通道选择，硬件/软件编程方式选择；R2进行语音模式选择；R3控制语音个数选择；R4用来设置模拟信号可编程放大增益和A/D、D/A转换频率。其它两个寄存器R5、R6是测试用的。我们在以下例程中对4个可编程寄存器编程，使AD50C工作在以下状态：选择INP/INM为工作模拟输入，15+1位ADC和15+1位DAC模式，采样频率为8KHz，模拟信号输入和输出放大增益均为0dB。

（3）程序流程图。完成对音频信号采集。

Claims (1)

1.一种应用于工业监控设备的音频监控终端的音频处理方法，所述音频监控终端包括音频处理单元(1)，所述音频处理单元(1)通过数字电路与模数转换单元(4)连接，音频处理单元(1)通过I2C总线与存储单元(7)连接，音频处理单元(1)通过供电电路与系统供电单元(8)连接，音频处理单元(1)通过振荡电路与系统振荡单元(6)连接，音频处理单元(1)通过复位电路与复位单元(9)连接，音频处理单元(1)还通过数据总线与信号转换单元(5)连接；音频滤波放大单元(3)通过音频线与声音采集单元(2)连接，音频滤波放大单元(3)通过放大电路与模数转换单元(4)相连；所述信号转换单元(5)通过RS232总线连接有井口通信平台(10)；所述井口通信平台(10)通过无线通信方式连接至控制中心(11)；其特征在于，包括以下步骤：

1)通过拾音器将音频信号转换为模拟的电信号；

2)将采集的模拟电信号的高频杂波滤除，并且对滤波后的信号进行放大处理得到预处理音频信号；

3)对预处理音频信号进行每秒8000次的幅值取样；

4)对取样得到的时域离散的模拟信号进行均匀量化，得到16位的数字音频信号；

5)对量化后的数字音频信号进行小波分析，再对信号进行小波变换，通过平移母小波获得信号的时间信息，而通过缩放小波的宽度获得信号的频率特性；对母小波的缩放和平移操作是为了计算小波的系数，这些系数代表小波和局部信号之间的相互关系；系数的值越高表示信号与小波越相似；通过对比计算所得的小波相关性系数与处理器中预存数字的大小便可判断出采集上来的音频信号的类型；如果处理器判断出音频信号为井口管道漏气声，处理器便会产生报警信号；

6)处理器将量化后处理后得到的16位数字音频信号，压缩为8位的数字音频信号；第1位为信号的正负标志位，信号幅值大于0此位为1，信号幅值小于0此位为0；第2、3、4位为段位码，它们将信号的整个幅值非均匀的分成8段，每段值的大小为1/2^8-段位码，最后4位为段内码，就是将段位均匀分成16段；采集上的16位数字音频信号为1536，此时信号为正，压缩后第一位为1，将1536除以2¹⁶幅值大小落在1/64到1/32，因此其段位码为010，再将1/64到1/32均匀等分16，其幅值落在1/128上，因此得到段内码值为1000；此次音频压缩结果为10101000。