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一种智能自适应无线声学数字传声器 Download PDF

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Abstract

本发明一种智能自适应无线声学数字传声器，涉及一种声学传声器，该传声器包括声学传感材料、圆柱形基体、微型信号处理系统、声学传感材料装在圆柱形基体上，圆柱形基体通过螺口A与微型信号处理系统相连，微型信号处理系统上设有微型天线和螺口，能通过微型天线向上位机无线传送数据，通过螺口B能与上位机能通过有线传送数据是一微型化、轻量化的传声器，具有自我校正、自我采集数据、数字化输出，调试非常简单，测量时可以减少大量的人力与物力，可以减轻人们的劳动强度，能提高测量数据的精度，同时特别能适合现场作业。

Description

一种智能自适应无线声学数字传声器
技术领域
本发明涉及一种声学传声器，特别是一种用于多点组网测试的高速智能无线声学数字传声器。
背景技术
在一些大型声场测试时，需要同步采集多点的声压，如近场声全息技术(NAH)中的全息面上就要同时测试多个点的声压，需要大量的声学传声器，普通的声学传声器，由于工艺的原因，每一个传声器都是有差异的，因此传声器的校正变得非常麻烦，另外每一个传声器必须过电缆线与信号采集装置相连，当测点较多且需要同步采集数据时，这时连线就变得非常麻烦，工作量非常大。另外这种传声器一般只有模拟信号输出，因此对信号采集系统要求较高，因此有必要发明一种微型，智能化无线高速传声器，该传声器具有自我校正，自我同步，自我采集数据，信号输出是数字信号，与数据采集系统的连线可以用有线连接，也可以用无线连接，由于该传声器采用了RFID技术，每一个测点都具有唯一地址，与上位机之间能自动识别，非常方便。
发明内容
本发明的目是提供一种微型，智能化无线高速传声器，该传声器的安装与调试都比较简单，测量时可以减少大量的人力与物力，可以减轻人们的劳动强度，同时能提高测量数据的精度，特别适合现场作业。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：该声学传感器包括声学传感材料、圆柱形基体、微型信号处理系统，声学传感材料装在圆柱形基体上，基体通过螺口A与微型信号处理系统相连，微型信号处理系统上设有微型天线和螺口B，能过微型天线向上位机无线传送数据，通过螺口B能与上位机能通过有线传送数据；所述微型信号处理系统包括RFID智能数据处理模块、电源模块、通道校正信号产生模块、数据采集模块、信号调理模块；所述RFID智能数据处理模块包括RFID智能数据处理单元、与RFID智能数据处理单元相连的数据输出有线无线接口单元，数据输出有线无线接口单元中的无线接口与微型天线相连，有线接口与螺口B相连，RFID智能数据处理单元还与数据采集模块中的基于FPGA数据采集接收控制单元相连，还与电源模块中的电源单元相连。
本发明的进一步的技术方案是：所述的数据采集模块包括基于FPGA数据采集接收控制单元，与基于FPGA数据采集接收控制单元相连的FPGA数据接口单元、FPGA配置单元，FLASH及FLASH数据驱动单元，与FPGA数据接口单元相连的高速A/D单元，基于FPGA数据采集接收控制单元还与RFID智能数据处理单元相连。
本发明更进一步的技术方案是：所述的通道校正信号产生模块包括DDS单元，与DDS单元相连的信号过零比较单元，DDS单元还与RFID智能数据处理单元相连，信号过零比较单元还要与信号调理模块的信号前置放大单元相连。
本发明更进一步的技术方案是：所述的信号调理模块包括与高速A/D单元相连的信号偏置单元、与信号偏置单元相连的信号差动放大单元、与信号差动放大单元相连的带通滤波单元、与带通虑波单元相连的信号前置放大单元、与信号前置放大单元相连的声学传感单元。所述的电源模块包括电源单元，与RFID智能数据处理模块相连。
由于采用上述结构，本发明一种具有以下有益效果：
(1)装置简单、轻巧，调试方便
本发明一种智能自适应无线声学数字传声器，结构很简单，也很轻巧，安装非常方便，不需要连接大量的信号电缆，可以大大节省人力物力，减轻人们的劳动强度，特别是在大型、多点测试的复杂稳定声场测试中效果更加明显。
(2)能使测试数据更加精确，可靠
本发明一种智能自适应无线声学数字传声器，由于采用自适应算法，具有自我校正，自我测试功能，同时通过智能RFID技术，能自动组网，所以使测试的数据更加可靠，精确。
下面结合附图和实施例对本发明一种智能自适应无线声学数字传声器做进一步说明。
附图说明
图1是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器结构示意图；
图2是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器微型信号处理系统的内部结构示意图；
图3是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器微型信号处理系统总体控制流程图
图4是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器微型信号处理系统通道校正流程图
图5是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器微型信号处理系统数据处理流程图
图6是本发明一种智能自适应无线声学数字传声器微型信号处理系统向上位机发送数据流程图
图7自适应算法示意框图
主要元件标号说明：1声学传感材料、2-基体、3、螺口A、4-微型信号处理系统、5、微型天线、6、螺口B。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明一种智能自适应无线声学数字传声器，该声学传声器包括声学传感材料1、圆柱形基体2、微型信号处理系统4，声学传感材料1装在圆柱形基体2上，圆柱形基体2通过螺口A3与微型信号处理系统4相连，微型信号处理系统4上设有微型天线5和螺口B6，能过微型天线5向上位机无线传送数据，通过螺口B6能与上位机能通过有线传送数据。所述微型信号处理4系统包括RFID智能数据处理模块41、电源模块42、通道校正信号产生模块43、数据采集模块44、信号调理模块45。所述RFID智能数据处理模块41包括RFID智能数据处理单元4102、与RFID智能数据处理单元4102相连的数据输出有线无线接口单元4101，据输出有线无线接口单元4101中的无线接口与微型天线6相连，有线接口与螺口B相连，RFID智能数据处理单元4102还与数据采集模块44中的基于FPGA数据采集接收控制单元4401相连，还与电源模块42中的电源单元4201相连，RDIF智能数据处理模块41是整个微型信号处理系统4的控制中心，接收上位机的指令，根据上位机的指令完成通道的自我校正、数据的自我采集、数据的自我处理、数据的加密，数据的上传；数据输出有线无线接口单元4101是一个与上位机交换数据的一个接口，声学传感材料1可以用压电材料或者其他声学传感材料，圆柱形基体2可以不锈钢材料，微型信号系统4中所用的元器全部采用贴片器件，以减少微型信号处理系统4的体积。
所述的数据采集模块44包括基于FPGA数据采集接收控制单元4401，与基于FPGA数据采集接收控制单元4401相连的FPGA数据接口单元4402、FPGA配置单元4403，FLASH及FLASH驱动单元4404、与FPGA数据接口单元4402相连的高速A/D单元4405，基于FPGA数据采集接收控制单元4401还与RFID智能数据处理单元相连4102，基于FPGA数据采集接收控制单元4401还需一些通用的附属单元，由于是一些通用单元，一般的资料上都用，图2中没有标出；基于FPGA数据采集接收控制单元4401接收RFID智能数据处理单元4102中指令，完成数据的高速采集，它主要是接收来自高速A/D单元4405的数据，并把采集的数据暂时保存在FLASH及FLASH数据驱动单元4403中的FLASH中，根据控制流程提供的相应算法对数据进行处理，然后根据RFID智能数据处理单元4102的指令，把数据上传到RDIF智能数据处理单元4102进行加密，再通过RFID智能数据处理单元4102上传到上位机。
所述的通道校正信号产生模块43包括DDS单元4301，与DDS单元4301相连的信号过零比较单元4302，ODS单元4301还与RFID智能数据处理单元4102相连，DDS单元4301主要是根据RFID智能数据处理单元4102发来的频率控制字生成一个用做通道校正的标准模拟正弦波，DDS单元4301比普通文献中所描述的DOS单元多一个D/A变换，即把数字信号转换成模拟信号，信号过零比较单元4302主要对DDS单元4301产生的正弦波做一次相位校正。
所述的信号调理模块45包括与高速A/D单元4405相连的信号偏置单元4505、与信号偏置单元4505相连的信号差动放大单元4504、与信号差动放大单元4504相连的带通滤波单元4503、与带通虑波单元4503相连的信号前置放大单元4502、与信号前置放大单元4502相连的声学传感单元4501；信号前置放大单元4502还与信号过零比较单元4302相连，信号偏置单元4505是对信号进行电平上移，使信号符合A/D变换的要求，信号差动放大单元4504目的是进一步提高信号的信噪比：所述的电源模块42包括电源单元4201，与RFID智能数据处理模块41相连；电源单元4201是给整个微信号处理系统4中的各个单元提供电源。
本发明之一种智能自适应无线声学数字传声器的微型信号处理系统4的控制过程为：首先系统上电，RFID智能芯片初始化，然后FPGA芯片加载程序进行初始化，初始化完成后，进入通道的校正流程，通道校正流程结束后，向上位机发送通道就绪信息，然后判断是否收到上机的应答信息，如果已收到则开始采集数据并记录采集数据的起始、结束时刻，如果没有，就判断是否已多次重发，如是多次重发，则系统出错，如不是，则返回向上位机发送通道就绪信息，数据采集结束后，则进入数据处理及存储流程，数据处理及存储流程结束后进入向上位机发送请接收数据的命令，如收到上位机的应答信息，则向上位机发送数据，如没有收到，则判断是否多次重发，如多次重发，则系统出错，如没有，则返回向上位机发送请求接收数据命令，数据发送完毕后，则判断是否再次收到上位机要求采集数据的命令，如有，则返回采集数据并记录采集数据的起始、结束时刻，如没有收到，就结束。
所述的通道校正流程为：RFID智能数据处理模块41给通道校正信号产生模块43和数据采集模块44发出应答信号，然后判断是否全部收到应答信号，如果没有收到，则判断是否多次重发，如是多次重发，则系统出错，否则返回向上述两个模块发出应答信号，如果收到全部应答信号，则RFID智能数据处理模块41给通道校正信号产生模块43中的DDS单元4301送出一个频率控制字、通道校正信号产生模块43送出一个标准正弦信号，同时数据采集模块44进行同步采样、采样时长为三个信号周期，采完三个周期数据，对数据进行分析，数据分析完后，判断是否为正弦信号，如不是，则系统出错，如果是，则利用通道校正信号产生模块43产生的标准正弦信号与数据采集模块44采集的数据求出通道幅值、频率、相位校正数，同时利用自适应算法求出通道的背景噪声，即把通道校正信号产生模块43产生标准信号做为参考信号输入，把数据采集模块44采集的信号作为源输入信号，确定步长与权值，代入自适应算法公式，得出的误差信号就是通道的背景噪声信号Noise。
所述的数据处理流程为：利用通道校正流程求得的通道背景噪声作为参考信号输入，以实测采集得到的信号作为源信号输入，利用自适应算法求出声源辐射信号，即把通道校正流程得到的Noise信号作为参考输入信号，把数据采集模块44实测得到的声源辐射信号+背景噪声信号Noise作为源信号输入，确定步长与权值，然后代入自适应算法，得到的误差信号就是声源辐射信号，同时利用通道校正流程求得的频率、幅值、相位校正系数，对信号进行校正，校正完数据后，把数据存储于FLASH及FLASH数据驱动单元4404中的FLASH中。
所述的上位机接收电路，同样基于由RFID智能芯片nRF24LE1或类似的芯片组成，方法与RFID智能数据处理模块44相同，只过在RFID智能数据处理模块44中是发送数据，上位机中是接收数据，RFID智能芯片nRF24LE1同时具有发射和接收功能。
所述的向上位机发送数据的流程为：数据采集模块44向RFID智能数据处理模块41传送数据，数据在RFID智能数据处理模块44中进行数据加密，然后通过数据输出有线无线接口单元4101向上位机传送数据。
所述的自适应算法算法公式为：
Figure GDA0003172295370000051
Figure GDA0003172295370000052
公式中的
Figure GDA0003172295370000053
λ(n)为自适应算法的权值信号与步长信号，y(n)是源信号输入，u(n)是参考输入信号，图7为自适算法的示意图，图中e(n)误差输出。

Claims (1)

1.一种智能自适应无线声学数字传声器，其特征在于：整个传声器包括声学传感材料(1)、圆柱形基体(2)、微型信号处理系统(4)，声学传感材料(1)装在圆柱形基体(2)上，圆柱形基体(2)通过螺口A(3)与微型信号处理系统(4)相连，微型信号处理系统(4)上设有微型天线(6)和螺口B(5)，能通过微型天线(6)向上位机无线传送数据，通过螺口B(5)能与上位机通过有线传送数据；所述微型信号处理系统(4)包括RFID智能数据处理模块(41)、电源模块(42)、通道校正信号产生模块(43)、数据采集模块(44)、信号调理模块(45)；所述RFID智能数据处理模块(41)包括RFID智能数据处理单元(4102)、与RFID智能数据处理单元(4102)相连的数据输出有线无线接口单元(4101)，数据输出有线无线接口单元(4101)中的无线接口与微型天线(6)相连，有线接口与螺口B(5)相连，RFID智能数据处理单元(4102)还与数据采集模块(44)中的基于FPGA数据采集接收控制单元(4401)相连；
所述的数据采集模块(44)包括基于FPGA数据采集接收控制单元(4401)，与基于FPGA数据采集接收控制单元(4401)相连的FPGA数据接口单元(4402)、FPGA配置单元(4403)，FLASH及FLASH数据驱动单元(4402)，与FPGA数据接口单元(4402)相连的高速A/D单元(4405)，基于FPGA数据采集接收控制单元(4401)还与RFID智能数据处理单元(4102)相连；
所述的通道校正信号产生模块(43)包括DDS单元(4301)，与DDS单元(4301)相连的信号过零比较单元(4302)，DDS单元(4301)还与RFID智能数据处理单元相连(4102)，信号过零比较单元(4302)还要与信号调理模块(45)的信号前置放大单元(4502)相连；
所述的信号调理模块(45)包括与高速A/D单元(4405)相连的信号偏置单元(4505)、与信号偏置单元(4505)相连的信号差动放大单元(4504)、与信号差动放大单元(4504)相连的带通滤波单元(4503)、与带通虑波单元相连(4503)相连的信号前置放大单元(4502)、与信号前置放大单元(4502)相连的声学传感单元(4501)，信号前置放大单元(4502)还与高速A/D单元(4405)相连；所述的电源模块(42)包括电源单元(4201)，与RFID智能数据处理模块(41)中的RFID智能数据处理单元(4102)相连；
微型信号处理系统(4)控制过程为：首先系统上电，RFID智能芯片初始化，然后FPGA芯片加载程序进行初始化，初始化完成后，进入通道的校正流程，通道校正流程结束后，向上位机发送通道就绪信息，然后判断是否收到上机的应答信息，如果已收到则开始采集数据并记录采集数据的起始、结束时刻，如果没有，就判断是否已多次重发，如是多次重发，则系统出错，如不是，则返回向上位机发送通道就绪信息，数据采集结束后，则进入数据处理及存储流程，数据处理及存储流程结束后进入向上位机发送请接收数据的命令，如收到上位机的应答信息，则向上位机发送数据，如没有收到，则判断是否多次重发，如多次重发，则系统出错，如没有，则返回向上位机发送请求接收数据命令，数据发送完毕后，则判断是否再次收到上位机要求采集数据的命令，如有，则返回采集数据并记录采集数据的起始、结束时刻，如没有收到，就结束；
所述的通道校正流程为：RFID智能数据处理模块(41)给通道校正信号产生模块(43)和数据采集模块(44)发出应答信号，然后判断是否全部收到应答信号，如果没有收到，则判断是否多次重发，如是多次重发，则系统出错，否则返回向通道校正信号产生模块(43)和数据采集模块(44)发出应答信号，如果收到全部应答信号，则RFID智能数据处理模块(41)给通道校正信号产生模块(43)中的DDS单元(4301)送出一个频率控制字、通道校正信号产生模块(43)送出一个标准正弦信号，同时数据采集模块(44)进行同步采样、采样时长为三个信号周期，采完三个周期数据，对数据进行分析，数据分析完后，判断是否为正弦信号，如不是，则系统出错，如果是，则利用通道校正信号产生模块(43)产生的标准正弦信号与数据采集模块(44)采集的数据求出通道幅值、频率、相位校正数，同时利用自适应算法求出通道的背景噪声，即把通道校正信号产生模块(43)产生标准信号做为参考信号输入，把数据采集模块(44)采集的信号作为源输入信号，确定步长与权值，代入自适应算法公式，得出的误差信号就是通道背景噪声信号；
数据处理流程为：利用通道校正流程求得的通道背景噪声信号作为参考信号输入，以实测采集得到的信号作为源信号输入，利用自适应算法求出声源辐射信号，即把通道校正流程得到的通道背景噪声信号作为参考输入信号，把数据采集模块(44)实测得到的声源辐射信号和通道背景噪声信号作为源信号输入，确定步长与权值，然后代入自适应算法，得到的误差信号就是声源辐射信号，同时利用通道校正流程求得的频率、幅值、相位校正系数，对信号进行校正，校正完数据后，把数据存储于FLASH及FLASH数据驱动单元(4404)中的FLASH中。
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