CN109935239A - 音频分析仪器自动化计量检定系统及识别算法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及音频分析仪器自动化计量检定系统，包括标准声源发生系统、测量结果识别系统、计算机程控系统；标准声源发生系统包括ZigBee收发单元、ARM系统、程控信号源、功放电路、发声器件和检测电路；测量结果识别系统包括被测仪器显示屏、摄像头、图像电信号接口单元、ARM系统、检测电路、AC接口、DC接口和ZigBee收发单元；计算机程控系统包括ZigBee收发单元、ARM系统和计算机上位机。本发明的有益效果是：结合标准声源发生系统、测量结果识别系统、计算机程控系统形成的音频分析仪器自动化计量检定系统，实现了音频分析仪器检定的自动化，大大节省了检定过程的人力输出和时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及自动化计量检定系统，尤其涉及音频分析仪器自动化计量检定系统。
背景技术
音频分析仪器包括音频分析以及音量大小测量仪器，这些仪器很多是用于环境保护等领 域，属于国家计量检定设备，根据国家检定标准，针对音频分析，诸如声级的1/3oct分析， 国标规定需要对分析仪器的多点中心频率进行带宽性能的测试，需要人工不断设置测量信号 的幅度与频率，同时将测试后的指标进行人工对比，其工作量非常大。针对音量大小的分析 检定，需要测试多种声音频率计权和时间计权的线性度和分贝大小值进行人工检定和指标对 比，其工作量也是非常大的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种音频分析仪器自动化计量检定系统及识别算 法。
音频分析仪器自动化计量检定系统，包括标准声源发生系统、测量结果识别系统、计算 机程控系统；
标准声源发生系统包括：程控信号源通过ARM系统控制AD9850通过直接数字频率合成技 术输出相应的信号波形、幅度和频率，该信号一路输出给标准电信号接口，一路送到功放电 路，通过功率放大送给发声器件，采用标准传声器进行接收，通过检测电路实现声信号幅度 检测，如果达不到要求，通过程控信号源进行调节，最终达到标准的声信号，当达到输出标 准的声信号时，通过ZigBee收发单元发送信号准备就绪命令给测量结果识别系统；
测量结果识别系统包括:ARM系统通过ZigBee收发单元接收到标准声源发生系统发来的 准备就绪的命令，ARM系统通过图像电信接口单元实现摄像头对被测仪器显示屏的测量结果 进行图像识别，通过检测电路对被测仪器的AC接口、DC接口进行测量；ARM系统获取到测量 结果后通过ZigBee收发单元将测量结果发送到计算机程控系统；
计算机程控系统包括：ARM系统通过ZigBee收发单元获取测量结果识别系统的测量结果， 通过USB接口或RJ45接口将数据送到程控计算机的上位机程序，上位机程序将测量结果送到 预置的检定报告的输出条目中，通过USB接口或RJ45接口发送下一条检定规程中要求的输出 信号源要求的波形、幅度和频率到测量结果识别系统，测量结果识别系统再通过ZigBee收发 单元将输出信号源要求发送到标准声源发生系统。
音频分析仪器自动化计量检定系统的测量结果识别系统的识别算法，包括以下步骤：
S1.首先通过AC接口进行音频信号频率计权以及时间计权数字化分析，具体如下：
频率计权的数字化实现过程如下：
对于频率计权如C计权，国际标准都有相应的传递函数，根据传递函数可以将其数字化， 然后通过软件实现；如：C计权的传递函数如下：
将Ω＝2πf带入上式得：
从上式可以得到：
则其极点为：s＝±jΩ1(为2阶),s＝±jΩ4(为2阶),零点为s＝0(为2阶)；
选出左半平面的极点，s＝Ω1和s＝Ω4及零点s＝0，并设增益系数为K，则可以得到：
由HC(s)|s＝j＝HC(jΩ)|Ω＝1可以得到：
K＝Ω4 2
以其传递函数为：
然后利用模拟滤波器和数字滤波器之间的变换关系，可以得到，系统函数的Z变换为：
通过上述的方法处理就可以实现A、C计权的数字化；
Y＝X-RC(dY/dt) (9)
由微分方程可以写出相应的差分方程为:
Y(n)＝X(n)-RC(Y(n)-Y(n-1))/t其中t为采样间隔时间,
整理后得到:
设则上式又变为
Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1) (11)
时间计权F档的设计:
在F档的测试中,最小的猝发生的持续时间为0.25ms,采样时间间隔采用 0.25ms,RC＝125ms,则a＝0.008；A/D转换的速度为48kHz,12个A/D结果平方后累加值作为输 入X；利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求；
时间计权S档的设计：
因为在S档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝1s, 则a＝0.001；A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X；利用公式(11) 计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求；
时间计权I档的设计:
因为在I档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝35ms,则a＝0.026；A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X； 利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求；I档的 指数平均时间常数为35ms,但显示部分的下降沿为1.5S,所以进行指数平均后(时间常数固定 为35ms),如发现数据是降低的可以用公式(11)代入a＝0.00067得出显示值(该显示值不参与 下一次指数平均)；如数据是上升的则当前结果即是显示值；
S2.根据音频信号的测量参数公式获得相应的测量结果,通过这个测量结果形成光学识别 算法中的相应频率计权(A或C)和时间计权(F)字符匹配模块:
如声压级:
式中:p为声压(Pa.),p0＝2x10-5Pa是参考声压,它是人耳刚刚可以听到声音的声压；
如等效连续声压级:
式中:pA(t)是瞬时A计权声压；p0是参考声压(2x10-5Pa)；LA是变化A声级的瞬时值,单 位dB；T是某段时间的总量；
实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量,假如采样时间间隔相等,则:
式中:N是测量的声级总个数；
对于连续的稳定噪声,等效连续声级就等于测得的A声级；
通过这些测量结果形成相应的字符匹配模块；
S3.通过DC接口,经ARM系统采样分析,获得相应的Z计权的测量结果,该结果形成光学识 别测量结果中的Z计权的相应字符匹配模块；
S4.将被测仪器的测量结果显示屏通过数字摄像头通过RS232接口实现ARM系统的读取， 进行光学识别。
作为优选：所述步骤S4的光学识别的算法为：
识别对象的图像获取通过摄像头结合图像电信号单元实现灰度化，针对字符识别，选用 中值滤波技术实现图像平滑，通过阈值设定实现图像的二值化，从二值化数据中进行字符分 割，选用的方法是模板匹配法，再通过图像细化后采用骨架特征提取进行字符识别；采用骨 架特征提取，减少相应的计算量，只把提取出的字符特征与上述S1、S2、S3步骤中形成的测 量结果字符模板的特征进行匹配即可；给定一个待识别的图像，经过细化处理的字符骨架图 像，或没有细化的去除了噪声的二值图像，横向和纵向都以固定的间隔划线，然后依次记下 穿过字符图像的次数，也就是交叉次数；事先收集好模板图像，提取出每个模板的穿过次数， 以矩阵的形式存放，作为特征矩阵，提取完每个字符的特征以后，作为数据库保存下来；获 取了待识别的单个字符图像以后，同样提取出穿越次数，载入模板数据，和模板的穿越次数 矩阵，依次作比较，计算相关系数，相关系数最大的就是识别结果；长和宽等分成五份，不 能等分的，取整数部分，在每个等分位置计算穿越次数，每一次交叉，记为一次穿越，这样 共有十个特征值；计算差别的方法：
式中X可以代表待识别的二值字符，P为模板的特征矩阵，得到的差值矩阵为D；d＝d11 2+… +d25 2为两者相关性衡量的数，该数最大的那个对应模板就表示识别结果。
本发明的有益效果是:
1)结合标准声源发生系统、测量结果识别系统、计算机程控系统形成的音频分析仪器自 动化计量检定系统，实现了音频分析仪器检定的自动化，大大节省了检定过程的人力输出和 时间成本。
2)结合声校准技术、程控信号源设计以及无线传输技术设计了标准声源发生系统，为音 频分析仪器自动化计量检定系统的实现提供了创新的技术手段。
3)结合数字图像识别技术以及硬件接口电路检测的方法，大大提升了测量结果读取的准 确度和辨别能力，也为音频分析仪器自动化计量检定系统的实现提供了创新的技术手段。
4)结合无线传输技术、嵌入式系统技术和计算机编程技术，设计了计算机程控系统。该 系统为音频分析仪器自动化计量检定系统实现了被测仪器检定规程要求的检定测量信号的输 出指令以及检定结果的获取和检定报告的打印输出。
附图说明
图1是标准声源发生系统的系统框图；
图2是测量结果识别系统；
图3是计算机程控系统框图；
图4是音频分析仪器自动化计量检定系统原理框图；
图5是ARM系统设计总体架构图；
图6是ARM单元电路图；
图7是DSP单元电路图；
图8是HPI总线连接图；
图9是A/D采集电路图；
图10是ARM外扩SDRAM；
图11是ARM外扩FLASH；
图12是DSP外扩FLASH和SDRAM；
图13是USB接口电路图；
图14是RS232接口电路图；
图15是RJ45接口电路图；
图16是电源系统电路图；
图17是程控信号源电路图；
图18是时间计权等效电路图；
图19是图像识别原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。 应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对 本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
该系统包括三个部分组成，包括准声源发生系统、测量结果识别系统、计算机程控系统。 其系统设计原理框图如图4所示。
音频分析仪器自动化计量检定系统，包括标准声源发生系统、测量结果识别系统、计算 机程控系统。
所述标准声源发生系统，按照功能分可程控信号源单元、功率发声单元、中央处理单元、 声检测和声校准单元、无线传输单元。
所述测量结果识别系统，按照功能分中央处理单元、测量结果识别单元、无线传输单元。
所述计算机程控系统，按照功能分无线传输单元、检定指令发送单元、检定反馈结果接 收单元、检定报告形成输出单元。
作为优选：所述标准声源发生系统的处理步骤为：
标准声源发生系统采用声校准技术、程控信号源设计以及无线传输技术形成根据国家计 量检定规程要求的音频信号的幅度和频率，同时提供两种接口可供选择，一种接口直接输出 标准的电信号，一种接口直接输出标准的声信号，声信号是在消声室条件下的声级检定。
标准声源发生系统的系统框图如图1所示。
ARM系统通过Zigbee收发单元接收计算机程控系统发来的要求输出的标准电信号或标准 声信号要求的信号波形、频率和幅度，通过系统电路进行程控信号输出，以及通过声校准技 术实现标准声信号输出。具体实现原理如下：程控信号源通过ARM系统控制AD9850通过直接 数字频率合成技术输出相应的信号波形、幅度和频率，该信号一路输出给标准电信号接口， 一路送到功放电路，通过功率放大送给发声器件，但是由于发声器件在音频范围内很难做到 相同的频响，所以采用标准传声器进行接收，再通过检测电路实现声信号幅度检测，如果达 不到要求，通过程控信号源进行调节，最终达到标准的声信号，这就是声校准过程，当达到 输出标准的声信号时，通过ZigBee收发单元发送信号准备就绪命令给测量结果识别系统。
所述测量结果识别系统的处理步骤为：
根据国家计量法规的规定测量音量大小的仪器要提供信号的AC输出和DC输出接口，测 量结果识别系统可以通过仪器提供的这两个接口进行测量同时结合图像识别技术实现被测仪 器结果的识别，具体实现框图如图2所示。
具体实现原理如下：
ARM系统通过Zigbee收发单元接收到标准声源发生系统发来的准备就绪的命令后，ARM 系统通过图像电信接口单元实现摄像头对被测仪器显示屏的测量结果进行图像识别，同时通 过检测电路对被测仪器的AC接口、DC接口进行测量，通过两种途径实现测量结果的识别。 这种原理能大大提升被测仪器测量结果的准确性。ARM系统获取到测量结果后通过ZigBee收 发单元将测量结果发送到计算机程控系统。
所述计算机程控系统的处理步骤为：
ARM系统通过ZigBee收发单元获取测量结果识别系统的测量结果再通过USB接口或RJ45 接口将数据送到程控计算机的上位机程序，上位机程序将测量结果送到预置的检定报告的输 出条目中，然后，通过USB接口或RJ45接口发送下一条检定规程中要求的输出信号源要求的 波形、幅度和频率到测量结果识别系统，测量结果识别系统再通过ZigBee收发单元将输出信 号源要求发送到标准声源发生系统。
计算机程控系统框图如图3所示。
实施步骤如下：
首先计算机程控系统根据被检测仪器的检定规程中的每项要求通过ZigBee收发单元发 送相应的测量信号的波形、频率和幅度到标准声源发生系统，标准声源发声系统根据要求产 生相应的标准声信号或电信号给被测仪器，同时将标准声信号或电信号已发送的指令通过 ZigBee收发单元发送给测量结果识别系统，测量结果识别系统接收到该指令后，启动ARM系 统进行测量结果的识别，根据图像识别技术以及电路检测相结合的方法，得到正确的测量结 果，然后将该结果通过ZigBee收发单元发送给计算机程控系统，计算机程控系统得到相关检 定条目结果后通过上位机程序写入检定证书相应的结果栏。然后启动下一条检定规程要求的 测量信号的波形、频率和幅度到标准声源发生系统。通过不断循环，最终实现所有检定规程 要求的检定项目，同时计算机程控系统根据这些结果，形成规范的检定证书从打印机输出来。 这样就能完成音频分析仪器的自动化计量检定。
上述系统中的ARM系统采用如下的系统设计总体架构，如图5所示：
该总体架构既能充分发挥ARM对系统的实时控制和良好的人机界面实现又发挥了DSP对 图像以及音频信号的分析处理能力。
其中ARM采用S3C2410A作为中央控制模块。S3C2410A是一款性价比很高的ARMcore SOC。 具有203MHz的主频，具有对音频信号数字检波需要的处理速度要求，有USB接口，可以与计 算机进行通信，有多个串口，可以实现对ZigBee收发单元的控制。具体电路图如图6所示。
其中DSP采用TMS320VC5502芯片进行设计，该芯片是一款高性能、低功耗、定点数字信 号处理器，完全满足音频信号和图像信号处理能力。其具体电路图如图7所示。
ARM单元与DSP单元的连接采用HPI总线，其连接方式如图8所示：
对音频信号的采集采用高速A/D实现，选用TMS320AIC23B，该芯片采用先进的Σ一△ 过采样技术.可以在8kHz至96kHz的采样率下提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样数据。ADC和DAC的输出信噪比分别可达90dB和100dB。该性能足够满足音频信号的数据采集能力。DSP对A/D的控制是通过I2C接口来实现的。其电路如图9所示。
针对DSP和ARM采用了外扩FLASH和SDRAM，加大其程序容量和非易失性数据结果的存 储能力。
ARM外扩的SDRAM型号为K4S561632C-TC75，容量为4Banks*16Bit*4M，也就是256Mbit， 折合32M字节。本系统中采用两块K4S561632C-TC75作为ARM的内存，其电路原理如下图10 所示。
S3C2410外扩NAND FLASH为一块Samsung公司的K9F1208U0B，容量为64M字节，其电路 原理如下图11所示。
TMS320VC5502外扩FLASH和SDRAM的电路原理如下图12所示。
ARM系统实现数据交换和对ZIGBEE无线模块的控制包括RJ45、RS232和USB三种类型接 口，其USB接口电路原理如图13所示。
本系统中采用的RS232串口控制器是MAX3232，其电路原理如下图所示。
S3C2410A和RJ45接口的电路相对来说比较复杂，必须使用一个IEEE 802.3以太网控制 器来进行连接。这个以太网控制器我们使用的是CS8900A，这也是目前比较常用的一块以太 网控制芯片，其电路原理如下图所示。
ARM系统中用到的电源有四个，包括5V、3.3V、1.8V和1.26V。由于对3.3V和1.26V电压供电的次序有要求，必须1.26V先于3.3V供电，因此这里设计了一个按次序供电的电路，使用的是两块TI公司的电源管理芯片，TPS75733(3.3V)和TPS76801(1.26V)。
程控信号源电路采用AD9850为核心的电路设计，具体电路如图17所示。
程控信号源单元用ARM系统向AD9850输入频率控制字和相位控制字实现正弦波的频率和 相位控制，同时通过AD7521十二位的D/A幅度控制，能够达到1/4096的幅度精密控制，能 很好的实现标准声源发生系统中程控信号源的技术要求。
频率控制字的计算如下：
设输出信号的频率为CLKIN，AD9850的频率控制字为△PHASE，则三者之间的关系为：
△PHASE＝(fouT×232)/CLKIN。
相位控制字的计算如下：
AD9850中有5比特用于相位控制，所以，相位控制的精度为360。/25＝11.25。，用二进制表示为00001，根据实际需要，设置不同的相位控制字，就可以实现精确的相位控制。表1给出了相移与相位控制字之间的对应关系。
表1相移与相位控制字之间的对应关系
| 相移(度) | 0 | 22.5 | 45 | 67.5 |
| 相位控制字 | 00000 | 00010 | 00100 | 0010 |
| 相移(度) | 180 | 202.5 | 225 | 247.5 |
| 相位控制字 | 10000 | 10010 | 10100 | 10110 |
| 相移(度) | 90 | 112.5 | 135 | 157.5 |
| 相位控制字 | 01000 | 01010 | 01100 | 01110 |
| 相移(度) | 270 | 292.5 | 315 | 337.5 |
| 相位控制字 | 11000 | 11010 | 111000 | 11110 |
AD9850的频率/相位控制字一共有40比特，其中32比特为频率控制字，5比特为相位 控制字，1比特是电源休眠控制，最后2比特为工作方式控制，应用中将1位电源休眠控制、 2位工作方式控制设置为“000”。AD9850并行方式加载频率/相位控制字的各位分配表如表 2所示。
表2频率/相位控制字的各位分配表
| 控制字 | Data[7] | DataE6] | Data[5] | Data[4] |
| W0 | Phase—b4(MSB) | Phase—b3 | Phase—b2 | Phase—bl |
| Wl | Freq—b31(MSB) | Freq—b30 | Freq—b29 | Freq—b28 |
| W2 | Freq—b23 | Freq—b22 | Freq—b21 | Freq—b20 |
| W3 | Freq—b15 | Freq—b14 | Freq—b13 | Freq—b12 |
| W4 | Freq—b7 | Freq—b6 | Freq—b5 | Freq—b4 |
| 控制字 | Data[3] | Data[2] | Data[1] | Data[0] |
| WO | Phase—bO(LsB) | Power D0wn | Control(＝0) | Control(＝0) |
| Wl | Freq—b27 | Freq—b26 | Freq—b25 | Freq—b24 |
| W2 | Freq—b19 | Freq—b18 | Freq—b17 | Freq—b16 |
| W3 | Freq—b11 | Freq—b10 | Freq—b9 | Freq—b8 |
| W4 | Freq—b3 | Freq—b2 | Freq—bl | Freq—bo(LsB) |
在并行加载方式，每次加载通过8位数据线，连续5次将40比特数据写入AD9850，WCLK 和FQUD用来确定地址及加载数据次序，WCLK的上升沿写入Wx(X＝0，1，2，3，4)，所以在WCLK的上升沿，DATA应准备好且保持稳定，FQUD的上升沿将40比特数据写入频率/相位数据寄存器，同时地址指针指向第一个寄存器WO。初始化时，将FQUD设置为高电平，WCLK设 置为低电平，并行方式写入过程如下：首先，FQUD由高电平转为低电平，AT89C51将数据WO 输出；之后，控制WCLK由低电平转为高电平，再由高电平转为低电平，此时写完控制字WO，AT89C51按照写入WO的过程，依次写入W1，W2，W3，W4；最后，AT89C51控制FQUD，使其由 低电平转为高电平，完成40比特数据的写入，并将地址指针指向W0，为下次写入频率/相 位控制字作好准备。
功放电路采用TDA2030模块实现，能够很好的推动喇叭发音。
ZigBee收发单元采用CC2420为核心芯片的ZigBee收发单元模块。采用ZigBee组网技 术，很好的实现了三个点的无线通信。其信道的自搜索方式、星网的拓扑结构以及全握手 (Fully handshaked)协议保证了数据传输的稳定性。与ARM系统采用RS232接口实现双向通 信。
通过上述单元电路的设计就能很好的实现音频分析仪器自动化计量检定系统中三个系统 (标准声源发声系统、测量结果识别系统、计算机程控系统)的功能。针对三个系统的电路 设计具体阐述如下：
标准声源发生系统：通过ARM系统(图5)控制RS232接口实现对ZigBee收发模块的通 信，接收到计算机程控系统发来的要求输出的标准声信号或标准电信号的具体要求，通过ARM 系统(图5)控制AD9850单元(图17)实现相应的信号幅度、频率、相位的控制输出，其中 一路提供给标准电信号输出接口，另一路提供给TDA2030功放模块，实现对喇叭的推动输出， 为了弥补喇叭对音频信号频率不是一致性的问题，采用标准传声器接到ARM系统的高速 A/DTMS320AIC23B进行数字检波分析，如果没有达到要求，进一步改变程控信号源的幅度输 出，通过不断反馈，最终实现标准的声信号输出。该系统电路具有如下的创新设计：(1)精 密程控信号源实现了多种波形、音频范围内的任意频率控制、精密到1/4096的幅度控制等高 性能信号源发生装置的设计要求。(2)通过声校准反馈技术，实现了标准声信号的输出。(3) 通过ZigBee组网技术，实现了标准声信号发生系统与计算机程控系统和测量结果识别系统的 多点通信。(4)通过数字检波技术实现音频信号的精密分析。数字检波包括频率计权的数字化， 时间计权的数字化以及交流信号的数字化指标分析。
交流信号的数字化指标通过相应公式进行数字化采样点累积计算获得。
测量结果识别系统：通过ARM系统控制RS232接口实现对ZigBee收发模块的通信，接收 到标准声信号发生系统法来的信号准备就绪的命令后。ARM系统完成如下的工作：(1)将被 测仪器提供的AC接口对接到高速A/DTMS320AIC23B采集接口进行数字检波分析。(2)将被测 仪器提供的DC接口接到ARM2410提供的内置A/D转换接口进行直流分析。(3)将被测仪器的 测量结果显示屏通过数字摄像头通过RS232接口实现ARM系统的读取，通过光学字符识别技 术结合AC接口与DC接口分析结果，进行测量结果的识别。
该识别过程中算法分析如下：
(1)首先通过AC接口进行音频信号频率计权以及时间计权数字化分析，具体如下：
频率计权的数字化实现过程如下：
对于频率计权如C计权，国际标准都有相应的传递函数，根据传递函数可以将其数字化， 让后通过软件实现。如：C计权的传递函数如下：
将Ω＝2πf带入上式得：
从上式我们可以得到：
则其极点为：s＝±jΩ1(为2阶),s＝±jΩ4(为2阶),零点为s＝0(为2阶)。
我们选出左半平面的极点，s＝Ω1和s＝Ω4及零点s＝0，并设增益系数为K，则可以得 到：
由HC(s)|s＝j＝HC(jΩ)|Ω＝1可以得到：
K＝Ω4 2
以其传递函数为：
然后利用模拟滤波器和数字滤波器之间的变换关系，我们可以得到，系统函数的Z变换 为：
通过上述的方法处理就可以实现A、C计权的数字化，然后通过DSP软件算法就可以实现 了。
对于时间计权数字化分析如下：
时间计权电路实际上可以等效看成RC电路，如图18所示。
根据这个线路，我们可以写出下面这个微分方程：
Y＝X-RC(dY/dt) (9)
由微分方程可以写出相应的差分方程为：
Y(n)＝X(n)-RC(Y(n)-Y(n-1))/t其中t为采样间隔时间，
整理后得到：
设则上式又变为
Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1) (11)
时间计权F档的设计:
因为在F档的测试中,最小的猝发生的持续时间为0.25ms,所以采样时间间隔采用0.25ms,RC＝125ms,则a＝0.008。A/D转换的速度为48kHz,12个A/D结果平方后累加值作为输入 X。利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求。
时间计权S档的设计：
因为在S档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝1s, 则a＝0.001。A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X。利用公式(11) 计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求。
时间计权I档的设计:
因为在I档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝35ms,则a＝0.026。A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X。 利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求。I档的 指数平均时间常数为35ms,但显示部分的下降沿为1.5S,所以进行指数平均后(时间常数固定 为35ms),如发现数据是降低的可以用公式(11)代入a＝0.00067得出显示值(该显示值不参与 下一次指数平均)。如数据是上升的则当前结果即是显示值。
(2)根据音频信号的测量参数公式获得相应的测量结果,通过这个测量结果形成光学识别 算法中的相应频率计权(A或C)和时间计权(F)字符匹配模块:
如声压级:
式中:p为声压(Pa.),p0＝2x10-5Pa是参考声压,它是人耳刚刚可以听到声音的声压。
如等效连续声压级:
式中:pA(t)是瞬时A计权声压；p0是参考声压(2x10-5Pa)；LA是变化A声级的瞬时值,单 位dB；T是某段时间的总量。
实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量,假如采样时间间隔相等,则:
式中:N是测量的声级总个数。
对于连续的稳定噪声，等效连续声级就等于测得的A声级。
通过这些测量结果形成相应的字符匹配模块。
(3)通过DC接口，经ARM系统采样分析，获得相应的Z计权的测量结果，该结果形成光学识别测量结果中的Z计权的相应字符匹配模块。
(4)将被测仪器的测量结果显示屏通过数字摄像头通过RS232接口实现ARM系统的读取， 进行光学识别，该算法如图19所示。
识别对象的图像获取通过摄像头结合图像电信号单元实现灰度化，针对字符识别，选用 中值滤波技术实现图像平滑，通过阈值设定实现图像的二值化，从二值化数据中进行字符分 割，选用的方法是模板匹配法，再通过图像细化后采用骨架特征提取进行字符识别。采用骨 架特征提取，能减少相应的计算量，只把提取出的字符特征与上述(1)、(2)、(3)步骤中形 成的测量结果字符模板的特征进行匹配即可。给定一个待识别的图像，可以是经过细化处理 的字符骨架图像，也可以是没有细化的去除了噪声的二值图像，横向和纵向都以固定的间隔 划线，然后依次记下穿过字符图像的次数，也就是交叉次数。事先收集好模板图像，提取出 每个模板的穿过次数，以矩阵的形式存放，作为特征矩阵，提取完每个字符的特征以后，作 为数据库保存下来。获取了待识别的单个字符图像以后，同样提取出穿越次数，载入模板数 据，和模板的穿越次数矩阵，依次作比较，计算相关系数，相关系数最大的就是识别结果。 本设计中用的是长和宽，等分成五分，不能等分的，取整数部分，在每个等分位置计算穿越 次数，每一次交叉，记为一次穿越，这样共有十个特征值。计算差别的方法：
式中X可以代表待识别的二值字符，P为模板的特征矩阵，得到的差值矩阵为D。d＝d11 2+… +d25 2为两者相关性衡量的数，该数最大的那个对应模板就表示识别结果。
在上述过程中，结合AC接口、DC接口进行测量获得的测量数据获得相应的字符模块进 行模块匹配，可以起到如下作用：(1)测量结果的快速区域定位(2)弥补图像识别处理的速 度慢以及不够准确的缺点。通过该算法，能够进行快速和准确的测量结果识别。
在识别30秒后，如果出现图像识别区域任然未定位，说明仪器的AC接口或DC接口提供 的接口信号有误，将测量结果有误的结论通过ZigBee模块发送给计算机程控系统，也判定了 AC接口或DC接口是否正确。如果正确识别，将正确识别结果通过ZigBee模块发送给计算机 程控系统。
该系统电路具有如下的创新设计体现在通过AC、DC分析结合的基础上，通过图像识别技 术，能准确快速的找到测量结果，弥补了图像识别的缺点的同时也能验证被测仪器提供的AC、 DC接口的正确性。
计算机程控系统：通过ARM系统控制RS232接口实现对ZigBee收发模块的通信，实现对 测量结果识别系统的测量结果的读取，通过ARM系统的USB接口或RJ45接口，将测量结果读 入到计算机系统，通过计算机系统将测量结果写入到检测规程相应的数据库条目中去。然后 启动下一条检测规程的标准信号输出要求通过ZigBee组网单元发送给标准声发生系统。计算 机编程采用VB语言结合SQL数据库技术实现上述功能。该电路的创新性主要体现在计算机程 控通过ZigBee组网技术以及计算机编程技术实现计算机程控系统对标准声发生系统以及测 量结果识别系统的双向通信以及检定证书的形成和输出。
Claims (3)
1.一种音频分析仪器自动化计量检定系统，其特征在于：包括标准声源发生系统、测量结果识别系统和计算机程控系统；
标准声源发生系统包括：ZigBee收发单元、ARM系统、程控信号源、功放电路、发声器件和检测电路；程控信号源通过ARM系统控制AD9850输出相应的信号波形、幅度和频率，该信号一路输出给标准电信号接口，一路送到功放电路，通过功率放大送给发声器件，采用标准传声器进行接收，通过检测电路实现声信号幅度检测，如果达不到要求，通过程控信号源进行调节，最终达到标准的声信号；当达到输出标准的声信号时，通过ZigBee收发单元发送信号准备就绪命令给测量结果识别系统；
测量结果识别系统包括:被测仪器显示屏、摄像头、图像电信号接口单元、ARM系统、检测电路、AC接口、DC接口和ZigBee收发单元；ARM系统通过Zigbee收发单元接收到标准声源发生系统发来的准备就绪的命令，ARM系统通过图像电信接口单元实现摄像头对被测仪器显示屏的测量结果进行图像识别，通过检测电路对被测仪器的AC接口、DC接口进行测量；ARM系统获取到测量结果后通过ZigBee收发单元将测量结果发送到计算机程控系统；
计算机程控系统包括：ZigBee收发单元、ARM系统和计算机上位机；ARM系统通过ZigBee收发单元获取测量结果识别系统的测量结果，通过USB接口或RJ45接口将数据送到计算机上位机，计算机上位机将测量结果送到预置的检定报告的输出条目中，通过USB接口或RJ45接口发送下一条检定规程中要求的输出信号源要求的波形、幅度和频率到测量结果识别系统，测量结果识别系统再通过ZigBee收发单元将输出信号源要求发送到标准声源发生系统。
2.一种如权利要求1所述的音频分析仪器自动化计量检定系统的测量结果识别系统的识别算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.首先通过AC接口进行音频信号频率计权以及时间计权数字化分析，具体如下：
频率计权的数字化实现过程如下：
对于频率计权如C计权，国际标准都有相应的传递函数，根据传递函数可以将其数字化，然后通过软件实现；如：C计权的传递函数如下：
将Ω＝2πf带入上式得：
从上式可以得到：
s＝±jΩ1(为2阶),s＝±jΩ4(为2阶),零点为s＝0(为2阶)；
选出左半平面的极点，s＝Ω1和s＝Ω4及零点s＝0，并设增益系数为K，则可以得到：
由HC(s)|s＝j＝HC(jΩ)|Ω＝1可以得到：
K＝Ω4 2
以其传递函数为：
然后利用模拟滤波器和数字滤波器之间的变换关系，可以得到，系统函数的Z变换为：
通过上述的方法处理就可以实现A、C计权的数字化；
Y＝X-RC(dY/dt) (9)
由微分方程可以写出相应的差分方程为:
Y(n)＝X(n)-RC(Y(n)-Y(n-1))/t其中t为采样间隔时间,
整理后得到:
设则上式又变为
Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1) (11)
时间计权F档的设计:
在F档的测试中,最小的猝发生的持续时间为0.25ms,采样时间间隔采用0.25ms,RC＝125ms,则a＝0.008；A/D转换的速度为48kHz,12个A/D结果平方后累加值作为输入X；利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求；
时间计权S档的设计：
因为在S档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝1s,则a＝0.001；A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X；利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权可以满足1型声级的要求；
时间计权I档的设计:
因为在I档的测试中,最小的猝发生的持续时间为2ms,所以采样时间间隔采用1ms,RC＝35ms,则a＝0.026；A/D转换的速度为48kHz,48个A/D结果平方后累加值作为输入X；利用公式(11)计算的结果在计算机上仿真后,表明时间计权满足1型声级的要求；I档的指数平均时间常数为35ms,但显示部分的下降沿为1.5S,所以进行指数平均后,如发现数据是降低的用公式(11)代入a＝0.00067得出显示值，该显示值不参与下一次指数平均；如数据是上升的则当前结果即是显示值；
S2.根据音频信号的测量参数公式获得相应的测量结果,通过这个测量结果形成光学识别算法中的相应频率计权(A或C)和时间计权(F)字符匹配模块:
如声压级:
式中:p为声压(Pa.),p0＝2x10-5Pa是参考声压,它是人耳刚刚可以听到声音的声压；
如等效连续声压级:
式中:pA(t)是瞬时A计权声压；p0是参考声压(2x10-5Pa)；LA是变化A声级的瞬时值,单位dB；T是某段时间的总量；
实际测量噪声是通过不连续的采样进行测量,假如采样时间间隔相等,则:
式中:N是测量的声级总个数；
对于连续的稳定噪声,等效连续声级就等于测得的A声级；
通过这些测量结果形成相应的字符匹配模块；
S3.通过DC接口,经ARM系统采样分析,获得相应的Z计权的测量结果,该结果形成光学识别测量结果中的Z计权的相应字符匹配模块；
S4.将被测仪器的测量结果显示屏通过数字摄像头通过RS232接口实现ARM系统的读取，进行光学识别。
3.根据权利要求2所述的测量结果识别系统的识别算法，其特征在于：所述步骤S4的光学识别的算法为：
识别对象的图像获取通过摄像头结合图像电信号单元实现灰度化，针对字符识别，选用中值滤波技术实现图像平滑，通过阈值设定实现图像的二值化，从二值化数据中进行字符分割，选用的方法是模板匹配法，再通过图像细化后采用骨架特征提取进行字符识别；采用骨架特征提取，减少相应的计算量，只把提取出的字符特征与上述S1、S2、S3步骤中形成的测量结果字符模板的特征进行匹配即可；给定一个待识别的图像，经过细化处理的字符骨架图像，或没有细化的去除了噪声的二值图像，横向和纵向都以固定的间隔划线，然后依次记下穿过字符图像的次数，也就是交叉次数；事先收集好模板图像，提取出每个模板的穿过次数，以矩阵的形式存放，作为特征矩阵，提取完每个字符的特征以后，作为数据库保存下来；获取了待识别的单个字符图像以后，同样提取出穿越次数，载入模板数据，和模板的穿越次数矩阵，依次作比较，计算相关系数，相关系数最大的就是识别结果；长和宽等分成五份，不能等分的，取整数部分，在每个等分位置计算穿越次数，每一次交叉，记为一次穿越，这样共有十个特征值；计算差别的方法：
式中X可以代表待识别的二值字符，P为模板的特征矩阵，得到的差值矩阵为D；d＝d11 2+…+d25 2为两者相关性衡量的数，该数最大的那个对应模板就表示识别结果。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1982000379A1 (en) * | 1980-07-15 | 1982-02-04 | Ellis D | Sound signal automatic detection and display method and system |
| CN102506994A (zh) * | 2011-11-21 | 2012-06-20 | 嘉兴中科声学科技有限公司 | 一种数字化声学检测系统 |
| CN104332050A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-04 | 浙江省环境保护科学设计研究院 | 一种智能环境噪声与振动监测装置及监测方法 |
| CN104808164A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-07-29 | 云南省计量测试技术研究院 | 电学三表自动检定的测量系统及实现自动检定的方法 |
| CN105334460A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-17 | 浙江大学城市学院 | 基于噪声与振动分析的机器运行状态在线监测分析系统 |
| CN108254067A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-06 | 上海展扬通信技术有限公司 | 测试声压级的系统及方法 |
| CN209822276U (zh) * | 2019-03-15 | 2019-12-20 | 浙江大学城市学院 | 音频分析仪器自动化计量检定系统 |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1982000379A1 (en) * | 1980-07-15 | 1982-02-04 | Ellis D | Sound signal automatic detection and display method and system |
| CN102506994A (zh) * | 2011-11-21 | 2012-06-20 | 嘉兴中科声学科技有限公司 | 一种数字化声学检测系统 |
| CN104332050A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-04 | 浙江省环境保护科学设计研究院 | 一种智能环境噪声与振动监测装置及监测方法 |
| CN104808164A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-07-29 | 云南省计量测试技术研究院 | 电学三表自动检定的测量系统及实现自动检定的方法 |
| CN105334460A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-17 | 浙江大学城市学院 | 基于噪声与振动分析的机器运行状态在线监测分析系统 |
| CN108254067A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-06 | 上海展扬通信技术有限公司 | 测试声压级的系统及方法 |
| CN209822276U (zh) * | 2019-03-15 | 2019-12-20 | 浙江大学城市学院 | 音频分析仪器自动化计量检定系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 王玉林: "PXI总线声级计自动检定系统设计", 今日电子, vol. 01, pages 55 - 57 * |
| 金晖 等: "声级计自动检定系统设计", 仪器仪表学报, vol. 2, pages 1503 - 1504 * |
Also Published As
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