全数字个体噪声暴露保护装置的设计

2018-05-16蔡启祥宋章明陈大洋贺慧勇

电子测试 2018年7期

蔡启祥，宋章明，陈大洋，贺慧勇

(长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙，410114)

0 引言

噪声污染已经渗透到社会生产和生活的各个领域，成为世界公认的四大环境公害之一[1]。噪声不但会对听觉系统产生特异性损伤，还对人的神经系统、心血管系统等产生重大影响[2]。尽管听力防护器材（耳罩、耳塞、头盔）的使用能够有效预防噪声对人的伤害，但大多数使用者并不愿整天佩戴，而是在需要的时候才使用，因此环境噪声的实时监测十分重要[3]。传统的噪声测量仪表中，音频信号需经过放大电路、计权网络、检波器、对数放大器和积分电路等一系列模拟电路进行模拟运算，其电路结构复杂、无法保证元件精度、难于调试，且稳定性和可靠性较差[4]。本文设计了一种全数字实现的个体噪声暴露保护装置，该装置采用PDM接口的MEMS数字麦克风采集噪声信号，并以数字信号处理技术对噪声信号进行处理，降低了电路设计的难度，且调试简单、体积小、功耗低。

1 全数字个体噪声暴露保护装置总体设计方案

个体暴露保护装置的全数字总体方案如图1所示，由MEMS数字麦克风、数据处理模块、数据存储模块、数据发送模块和报警模块组成。

其中MEMS麦克风将噪声信号调制成PDM信号；数据处理模块对输入的PDM信号进行数字化运算，得出人体所受的噪声剂量；数据存储模块存储监测过程中的声级信息；数据发送模块将存储的声级信息发送到上位机；报警LED根据当前的剂量进行分级报警。

图1 装置总体设计方案

2 噪声信号的数字化处理

全数字个体噪声暴露保护装置中噪声信号处理的流程如图2所示。

图2 噪声信号的全数字处理流程

噪声信号经过MEMS数字麦克风调制成PDM信号[5]。对PDM进行数字抽取滤波即可将其还原成原始信号量化后的信号[6]。

频率计权模拟人耳的生理特性，根据频率对输入的信号进行加权处理，加权值的单位为dB[7]。从时域看可将计权网络当成一个传递函数已知的窗口，输出信号为输入信号与该窗口的卷积。A计权的传递函数如式（1）所示，采样率为44.1kHz时，对应的参数分别为：a0=1，a1=−0 .9135，a2=−0 .0832，b0=0.5409，b1=−0 .5409，c0= 0 .9428，c1=−1 .8856，c2= 0 .9428，d0=1，d1=−1 .8848，d2= 0 .8863。

噪声剂量累积的表达式如式（2）所示。其中ND表示噪声剂量，用百分比表示；P (t)表示经A计权后的变化声压，单位为 Pa；T表示测量周期，单位为小时；0.632为90dB(A)的对应的系数，表示噪声剂量以在90dB(A)的等效连续声级下暴露8小时为100%。

依据“ISOR1999”标准，声压进行平方才能符合等能量原则，本文中取n=2。

3 装置的硬件设计

3.1 MEMS数字麦克风

为了减少体积和降低功耗，提高装置的便携性，本设计采用是一款结构紧凑的顶部收音孔式低功耗全向数字MEMS麦克风，其工作电流为0.65mA；具有120dBSPL的声学过载点、61dB信号噪声比和达-26dB的灵敏度；采用金属或塑料兼容SMD的HLGA封装，厚1.25mm；直接输出PDM数字信号，无需前置放大电路的设。这些优势使其成为便携式设备的理想选择。

3.2 MCU

噪声信号的处理过程中涉及到大量数据运算，因此MCU需要具备很强的数据处理能力；同时装置的便携性，对MCU的体积和功耗也一定的要求。

综合以上各方面因素，本装置采用的MCU.具有六种低功耗模式，其中停止模式下的电流低至1.1μA，运行模式下电流低至100uA/MHz；处理性能高达100DMIPS，同时内置FPU（浮点运算核），有利于提高实现数字信号处理的运算速度；采用LQFP64封装，适合用于对尺寸较小的便携式设备。

3.3 存储器

装置需长时间监测，存储器需满足容量足够、低功耗等特性，且要保证数据的安全。本文采用一个128K x 8bits的存储器，其带有写保护功能，具有非易失性，掉电后数据不会丢失；待机电流为90uA，带有休眠模式，该模式下的电流为5uA；支持SPI接口，最大速度可达40MHz，写入后无需等待时间。

3.4 报警 LED

噪声剂量分级输出的等级分别为标准噪声剂量的25%，50%，100%，200%，400%，800%，2000%，其与报警 LED的对应关系如表1所示。当噪声剂量到达某个等级后，装置点亮对应的LED进行报警。

表1 LED与报警等级

3.5 装置接口电路设计

装置电路结构如图3所示，MCU通过I2S接口读取MEMS数字麦克风输出的PDM信号，并将数据处理过程中的声级信息通过SPI接口存放至FM25V10。在进行数据上传时，MCU通过SPI接口读取存储器中的数据，并通过串口将数据发送到上位机。报警LED通过限流电阻与MCU的I/O口相连，在选择限流电阻时可适当地增大其阻值，降低电阻产生的功耗。

图3 装置电路结构

4 装置的软件设计

装置的软件流程图如图4所示。采用模块化方法进行程序设计，将测量、存储、报警、发送等四个部分封装成不同的模块。为了降低装置的功耗，采用中断触发的唤醒方式，若有唤醒，进入到相应的子程序模块中，否则，继续休眠。

测量采用RTC定时唤醒，其中采样时间常数为1s，采样间隔为5s，数据处理完毕后进入休眠模式；MCU内部存在较大的存储空间，先将声强级信息暂存在MCU内部存储空间，等待内部预留的空间存满之后，再唤醒存储器进行数据存储，存储完毕后，将存储器休眠，减少存储器的工作时间；由于各报警等级之间噪声剂量的间隔较大，因而对报警等级进行定时刷新，减少不必要的工作；串口发送部分采用外部中断触发的工作方式。

图4 装置软件流程图

5 测试与分析

5.1 分贝值测量验证

采用NP-DLX个体噪声剂量计的测量分贝值作为此次验证的标准。将NP-DLX个体噪声剂量计与装置放置于密闭空间内，且需保证两个传声器与声源的位置相同。通过控制声源的发声的频率和大小，对比两个装置测量的分贝值如表2所示，测量误差在2dB以内。

表2 分贝数对照表

800 83.00 82.08 0.92 1000 80.10 80.214 0.11 2000 76.50 76.40 0.10 4000 74.00 74.32 0.32

5.2 功耗测试与分析

装置的供电电压固定，将电流表接入装置的供电回路中，观察不同状态下的工作电流即可反应对应的功耗。

装置的电流情况如表3所示，T为单次数据处理过程中各部分所占时间。单次采样过程中噪声采集时电流为8.65mA，持续时间为1s；数据处理时电流为7.94mA，持续时间为0.36s；休眠时的电流为0.6mA，持续时间为3.64s；MCU内部预留1k的容量作为声级信息的暂存区，可预存1024*5s（约为一个小时25分钟）的信息，预留空间存满后，存储器进行数据存储，持续时间为8.2ms，因此一个工作日（8个小时）内存储器基本上处于休眠模式；在佩戴期间无需数据传输，可在下班后在充电的同时进行数据传输，在此不考虑这部分的功耗。因此，装置将大部分时间处于低功耗休眠模式，能有效降低装置功耗。