CN109769193B - 一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，涉及电声行业中信号检测、故障诊断和智能控制领域，用于监测核电站等特殊的工业环境中无源扬声器是否处于正常工作运行状态的问题。包括：用控制端直接产生一个1kHz正弦激励信号主动刺激无源扬声器发声，再产生一个50Hz的正弦能量波给检测端供电，然后检测端将扬声器声响信号转换为电信号，利用ADC对电信号进行采样，获得采样值序列Vm(t)，并对序列Vm(t)进行峰均比计算和最大均值筛选，获得采样结果线性失真的区分度和扬声器故障判定结果，最后通过基于PRIME标准的SM2400通信模块将判定结果沿音频线发送至控制端。
Description
技术领域
本发明涉及电声行业的信号故障诊断领域，特别涉及一种在役扬声器的智能检测方法，它属于检测领域的自动控制装置。
背景技术
在生活、工业生产中，扬声器通常用于日常事务的通知和及时对事故、险情做出预警通知，故需要保证扬声器能够进行正常的广播工作，确保广播扬声器的工作运行状态。
在某些工业领域，例如核电环境内的扬声器广播系统基本都是在1994年核电站开始商业运营时就安装使用，经过几十年的发展与变迁，并考虑到其特殊的高辐射、强噪声、高温湿度等工业环境，扬声器必然出现了老化现象，甚至已故障损坏而不能进行正常的日常广播工作。
根据实际调研可知，核电站内现行的扬声器故障诊断方法是：不定期进行人工巡检，利用人的耳朵去监听扬声器是否能正常发声。该方法不仅浪费时间、人力，而且纯耳监听会给人体带来极大的健康伤害调研可知。
现有的、成熟的扬声器广播系统的故障诊断方法仅是针对传输线路的故障进行检测，而不能真正实现对终端扬声器声响状态的故障检测。例如，德国BOSCHE(博世)公司研发了一种具有广播管理、设备监测功能的扬声器广播系统，但该系统必须采用有源终端，且安装必须增设额外电源线路等缺点。或者，仅是研究扬声器响应信号的频谱图中低阶谐波能量值和高阶谐波能量值之间的异同，继而实现对扬声器异音故障的判断，暂无直接对扬声器声响信号强度大小的研究。
由于某些产业(如核电站)管理规定严格、政府政策严谨，无法铺设新系统的通信链路，更不能使用WIFI、ZigBee、蓝牙等无线通信技术。为了实现在役扬声器工作运行状态的自动监测，节约人力物力，解决安装成本、施工难度等问题，急需研发一套具有自动监测、智能控制的在线扬声器故障诊断系统。
发明内容
为了克服现有扬声器广播系统无法监测终端设备自身运行状态的缺点，并满足国家核设施的相关规定，及时自动完成监测扬声器声响状态的任务，实现诊断系统的通信、供电均使用同一条线路的功能。
本发明公开了一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，包括以下内容：
内容1、控制诊断系统全局功能，使系统实现全自动化监测、故障诊断的控制端，控制端是诊断系统运行的心脏，具有三大基本功能：扬声器广播工作状态的检测、提供一个激励信号和一个充电能量波；数据的交互处理与通信。
内容2、是诊断系统执行监测、诊断工作最直接的接口的检测端，检测端是诊断系统的核心设备，具有两大基本功能：基于峰均比和均值筛选的故障诊断功能和与控制端的数据交互功能。
所述的内容1中控制端主要包括MSP430F5529 Launchpad开发板、MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、220V转24V的变压器、24V转正/负9V的交流/直流模块和9V转3.3V的直流/直流降压、稳压模块。
所述的控制端主要模块中正/负9V用于SM2400模块的供电，3.3V用于MSP430F5529Launchpad开发板和MSP430F169最小系统的供电。
所述的整个控制端的电源接口是直接通过两脚插头接上市电220V。
所述的内容1中扬声器广播工作状态的检测是通过检测连接于扬声器上的主音频线的电压，判断扬声器广播系统是否处于正常的广播工作状态。
所述的判断扬声器广播系统是否处于正常的广播工作状态方法为：若主音频线的电压为高，则判断扬声器处于广播工作状态，停止或不启动故障诊断工作，避免干扰扬声器的正常广播；若主音频线的电压为低，则判断扬声器处于休闲(未广播)状态，启动诊断系统对在役扬声器进行故障监测工作。
所述的在役扬声器故障监测工作，其监测对象为已投入工厂、公寓等场合运行多年的扬声器，而不是未离开生产厂家生产线的扬声器。
所述的内容1中提供一个激励信号和一个充电能量波具体是：激励信号为1kHz的正弦波，用于刺激扬声器主动发声，使扬声器发出能被检测端采集的声响强度信号；充电能量波为50Hz的正弦波，用于给检测端进行供电、蓄能，从而保证检测端的正常工作。
所述的内容1中数据的交互处理与通信，指向检测端发送检测、诊断等指令，以及接收检测端回传的诊断结果信息。
所述的内容2中检测端主要包括MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、声响信号采集模块和电源模块。
所述的检测端主要模块中声响信号采集模块直接通过电容式驻极体将采集的扬声器声响信号转换为电信号Vm(t)，然后利用MSP430F169的模拟数字转换器(Analog toDigital Converter,ADC)对Vm(t)进行循环采样，并计算Vm(t)的峰均比和最大均值。
所述的检测端主要模块中电源模块直接从音频线上截取能量信号，经过220V转24V的变压器、桥式整流电路、直流/直流降压电路后，得到SM2400模块所需的正负9V电源和MSP430F169所需的3.3V电源。
所述的220V转24V的变压器、桥式整流电路、直流-直流降压电路的具体作用为：50Hz能量信号经过220V转24V的变压器(额定输出功率2W以上)后进入桥式整流电路，得到12V的直流电压，再利用12V转正负9V的直流/直流开关隔离电路(额定输出功率1W)得到正负9V电压，最后利用MP1584EN直流/直流降压电路获得3.3V电源电压。
所述的内容2中基于峰均比和均值筛选的故障诊断实现步骤如下：
步骤1、对每次获得的Vm(t)进行累加求和后取其平均值AVEm。
步骤2、遍历一个采样周期T内的均值序列式(1)，得到最大均值AVEmax。
AVE＝{AVE1,AVE2，AVE3，......AVEm-1,AVEm} (1)
步骤3、选择AVEmax作为扬声器声响响度的直接参考值。
步骤4、根据式(2)计算每次采样周期T完成后Vm(t)的峰均比，得到采样值的线性失真度Ri。其中，峰均比为峰值的功率与平均功率之比，而由式(3)可得到离散信号的功率值。
步骤5、利用健康扬声器进行标定测试，获得各标准值：<AVEmax>，<Ri>。再对故障扬声器进行标定测试，获得故障扬声器的非正常值：<AVEmax>'，<Ri>'。
步骤6、分析<AVEmax>和<AVEmax>'差值范围
确定扬声器声响响度的比较阈值Zave。其中，令W为作用域(0,∞)内的任意值，被定义为修正因子，其作用是使Zave的值域范围为[200,300]。同时，分析<Ri>和<Ri>线性失真的区分度
确定扬声器故障判断的稳定性。
步骤7、对待测扬声器进行故障检测，获得测试值：AVEmax'，Ri'。再将AVEmax'和Zave进行比较，若AVEmax'≥Zave，则判断在役扬声器的工作运行状态为健康状态，用字符“R”标记；若AVEmax'＜Zave，则为故障状态，用字符“E”标记。
步骤8、根据式(6)得到待测扬声器的
值，根据式(7)、式(8)计算
和
的误差范围Derror。若线性失真的区分度误差Derror越小，则说明检测过程的稳定性越好，扬声器故障判定结果越可靠。反之，则说明扬声器故障判定结果不可靠。
所述的内容2中控制端的数据交互功能是指接收控制端的消息和向控制端反馈诊断结果，其中控制端与检测端的通信媒介为扬声器系统中原有的主音频线。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明，其中：
图1为在线扬声器故障诊断系统整体结构框图
图2为在线扬声器故障诊断系统整体工作流程示意图
图3为控制端结构框图
图4为检测端结构框图
图5为基于峰均比和均值筛选的故障诊断流程示意图
具体实施方式
为了实现核电等领域中在役扬声器的工作运行状态的故障判定，提高诊断系统的快速性、实用性、智能性和安全性，从而代替现有的人工巡检，本发明提出了一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统。该诊断系统首先在检测端将扬声器声信号转换为电信号，再利用ADC对电信号进行采样，获得采样值序列Vm(t)，然后对序列Vm(t)进行峰均比计算和最大均值筛选，获得采样结果线性失真的区分度和扬声器故障判定结果，最后通过基于PRIME标准的SM2400通信模块将判定结果沿音频线发送至控制端。
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。
本发明一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统实现过程包括：利用控制端直接产生一个1kHz正弦激励信号主动刺激无源扬声器发声，再产生一个50Hz的正弦能量波给检测端供电，然后检测端将扬声器声信号转换为电信号，利用ADC对电信号进行采样，获得采样值序列Vm(t)，并对序列Vm(t)进行峰均比计算和最大均值筛选，获得采样结果线性失真的区分度和扬声器故障判定结果，最后通过基于PRIME标准的SM2400通信模块将判定结果沿音频线发送至控制端。
如图1所示为一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统整体结构框图，包括：控制端、扬声器系统数字功率放大器、音频线、检测端和扬声器。能量波和激励信号通过扬声器系统数字功率放大器进行调幅、放大后馈送至800米外的扬声器处，使扬声器发声或者向检测端供电。而检测端与控制端之间的通信数据是绕开了扬声器系统数字功率放大器，直接在音频线上进行传输。控制端的电源接口是直接通过两脚插头接上市电220V，声响信号采集模块直接通过电容式驻极体将采集的扬声器声响信号转换为电信号Vm(t)。
如图2所示为在线扬声器故障诊断系统整体工作流程示意图，控制端接通电源后，首先判断扬声器是否处于广播状态，若处于空闲状态则向检测端发送50Hz的能量波，将检测端从休眠状态中唤醒。然后控制端和检测端的SM2400通信模块分别完成通信网络的建立工作，若控制端确认网络建立成功了，则向检测端发送激励信号并随之发送故障检测命令“S”。检测端收到“S”后采集扬声器的声响信号，并将其转换为电信号，进行峰均比和最大均值计算。最后检测端将故障判定结果传回给控制端后，与控制端一起进入休眠状态。
如图3所示为控制端结构框图，包括MSP430F5529Launchpad开发板、MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、220V转24V的变压器、24V转正/负9V的交流/直流模块和9V转3.3V的直流/直流降压、稳压模块。其中正/负9V用于SM2400模块的供电，3.3V用于MSP430F5529Launchpad开发板和MSP430F169最小系统的供电。
如图4所示为检测端结构框图，包括MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、声响信号采集模块和电源模块。电源模块直接从音频线上截取50Hz能量信号，经过220V转24V的变压器(额定输出功率2W以上)后进入桥式整流电路，得到12V的直流电压，再利用12V转正负9V的直流/直流开关隔离电路(额定输出功率1W)得到SM2400模块所需的正负9V电压，最后利用MP1584EN直流/直流降压电路获得MSP430F169所需的3.3V电源电压。其中控制端和检测端的SM2400通信模块均采用基于PRIME标准的电力线载波通信技术实现组网、通信过程。
如图5所示为基于峰均比和均值筛选的故障诊断流程示意图，主要实现步骤如下：
步骤1、对每次获得的Vm(t)进行累加求和后取其平均值AVEm。
步骤2、遍历一个采样周期T内的均值序列式(1)，得到最大均值AVEmax。
步骤3、选择AVEmax作为扬声器声响响度的直接参考值。
步骤4、根据式(2)计算每次采样周期T完成后Vm(t)的峰均比，得到采样值的线性失真度Ri。其中，峰均比为峰值的功率与平均功率之比，而由式(3)可得到离散信号的功率值。
步骤5、利用健康扬声器进行标定测试，获得各标准值：<AVEmax>，<Ri>。再对故障扬声器进行标定测试，获得故障扬声器的非正常值：<AVEmax>'，<Ri>'。
步骤6、根据式(4)分析<AVEmax>和<AVEmax>'差值范围
并利用式(5)确定扬声器声响响度的比较阈值Zave，再根据式(6)分析<Ri>和<Ri>线性失真的区分度
得到扬声器故障判断的稳定性。
步骤7、对待测扬声器进行故障检测，获得测试值：AVEmax'，Ri'。再将AVEmax'和Zave进行比较，若AVEmax'≥Zave，则判断在役扬声器的工作运行状态为健康状态，用字符“R”标记；若AVEmax'＜Zave，则为故障状态，用字符“E”标记。
步骤8、根据式(6)得到待测扬声器的
值，根据式(7)、式(8)计算
和
的误差范围Derror。若线性失真的区分度误差Derror越小，则说明检测过程的稳定性越好，扬声器故障判定结果越可靠。反之，则说明扬声器故障判定结果不可靠。
本发明利用峰均比和最大均值实现对在役扬声器的工作运行状态判定，并结合基于PRIME标准的电力线载波通信技术，通过音频线将故障诊断结果回传至控制端，为特殊环境下范围广、数量多的无源设备的工作运行状态检测，提供了一种简单高效、自动控制、在线检测的故障诊断系统，提升了扬声器行业检测技术的水平，降低了对工作人员身体健康的危害，对研究电声行业中声信号的故障判定工作具有重大意义和实用价值。
所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，其特征在于，包括以下内容：
内容1、控制诊断系统全局功能，使系统实现全自动化监测、故障诊断的控制端，控制端是诊断系统运行的心脏，具有三大基本功能：扬声器广播工作状态的检测、提供一个激励信号和一个充电能量波；数据的交互处理与通信；控制端主要包括MSP430F5529 Launchpad开发板、MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、220V转24V的变压器、24V转正负9V的交流/直流模块和9V转3.3V的直流/直流降压、稳压模块，其中正/负9V用于SM2400模块的供电，3.3V用于MSP430F5529 Launchpad开发板和MSP430F169最小系统的供电，且整个控制端的电源接口是直接通过两脚插头接上市电220V；
内容2、是诊断系统执行监测、诊断工作最直接的接口的检测端，检测端是诊断系统的核心设备，具有两大基本功能：基于峰均比和均值筛选的故障诊断功能和与控制端的数据交互功能；检测端主要包括MSP430F169最小系统、SM2400通信模块、声响信号采集模块和电源模块；声响信号采集模块直接通过电容式驻极体将采集的扬声器声响信号转换为电信号Vm(t)，然后利用MSP430F169的模拟数字转换器ADC对Vm(t)进行循环采样，并计算Vm(t)的峰均比和最大均值；电源模块直接从音频线上截取能量信号，经过220V转24V的变压器、桥式整流电路、直流/直流降压电路后，得到SM2400模块所需的正负9V电源和MSP430F169所需的3.3V电源，具体的充电过程为：
50Hz能量信号经过220V转24V的变压器后进入桥式整流电路，得到12V的直流电压，再利用12V转正负9V的直流/直流开关隔离电路得到正负9V电压，最后利用MP1584EN直流/直流降压电路获得3.3V电源电压；所述220V转24V的变压器的额定输出功率2W以上，所述12V转正负9V的直流/直流开关隔离电路的额定输出功率1W；
其中，基于峰均比和均值筛选的故障诊断实现步骤如下：
步骤1、对每次获得的Vm(t)进行累加求和后取其平均值AVEm；
步骤2、遍历一个采样周期T内的均值序列式，得到最大均值AVEmax；
步骤3、选择AVEmax作为扬声器声响响度的直接参考值；
步骤4、根据式(2)计算每次采样周期T完成后Vm(t)的峰均比，得到采样值的线性失真度Ri，其中，峰均比为峰值的功率与平均功率之比，而由式(3)可得到离散信号的功率值；
步骤5、利用健康扬声器进行标定测试，获得各标准值：<AVEmax>，<Ri>，再对故障扬声器进行标定测试，获得故障扬声器的非正常值：<AVEmax>'，<Ri>'；
步骤6、分析<AVEmax>和<AVEmax>'差值范围
确定扬声器声响响度的比较阈值Zave，其中，令W为作用域(0，∞)内的任意值，被定义为修正因子，其作用是使Zave的值域范围为[200，300]，同时，分析<Ri>和<Ri>'线性失真的区分度
确定扬声器故障判断的稳定性；
步骤7、对待测扬声器进行故障检测，获得测试值：AVEmax'，Ri'，再将AVEmax'和Zave进行比较，若AVEmax'≥Zave，判断在役扬声器的工作运行状态为健康状态，用字符“R”标记；若AVEmax'＜Zave，则为故障状态，用字符“E”标记；
步骤8、根据式(6)得到待测扬声器的
值，根据式(7)、式(8)计算
和
的误差范围Derror，
若线性失真的区分度误差Derror越小，则说明检测过程的稳定性越好，扬声器故障判定结果越可靠，反之，则说明扬声器故障判定结果不可靠。
2.根据权利要求1所述的一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，其特征在于，内容1中扬声器广播工作状态的检测是通过检测连接于扬声器上的主音频线的电压，判断扬声器广播系统是否处于正常的广播工作状态，其具体方法为：
若主音频线的电压为高，判断扬声器处于广播工作状态，停止或不启动故障诊断工作，避免干扰扬声器的正常广播；若主音频线的电压为低，判断扬声器处于休闲状态，启动诊断系统对在役扬声器进行故障监测工作，其中在役扬声器是指已投入工厂、公寓等场合运行多年的扬声器，而不是未离开生产厂家生产线的扬声器，所述扬声器处于休闲表示处于未广播状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，其特征在于，内容1中提供一个激励信号和一个充电能量波，激励信号为1kHz的正弦波，用于刺激扬声器主动发声，从而使扬声器发出能被检测端采集的声响强度信号；充电能量波为50Hz的正弦波，用于给检测端进行供电、蓄能，从而保证检测端的正常工作；数据的交互处理与通信是指向检测端发送检测、诊断等指令，以及接收检测端回传的诊断信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于峰均比和均值筛选的在线扬声器故障诊断系统，其特征在于，内容2中控制端的数据交互功能是指接收控制端的消息和向控制端反馈诊断结果，其中控制端与检测端的通信媒介为扬声器系统中原有的主音频线。
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