地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與研究

賈 濤,趙 磊,陳茂強,時文昌

(中車青島四方車輛研究所有限公司 電氣電子事業(yè)部,山東 青島 266031)

交通噪聲是環(huán)境噪聲污染的主要來源之一[1-2],世界衛(wèi)生組織出版的《新科學(xué)家》周刊發(fā)表的報告指出,歐洲因心臟病或中風(fēng)死亡的人中,有3%的是由于交通噪聲所致[3]。對于地鐵等城市軌道交通列車產(chǎn)生的噪聲,我國發(fā)布了相關(guān)標準加以限制,國標GB 14982—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》中規(guī)定地鐵車輛客室內(nèi)A計權(quán)下等效聲級Leq在地上運行時限值為75 dB,在地下運行時限值為83 dB[4]。

地鐵車內(nèi)廣播易受背景噪聲影響,同時作為車內(nèi)聲源之一,直接影響車內(nèi)的總體噪聲水平,廣播音量自動調(diào)節(jié)功能可以幫助減少背景噪聲影響,控制車內(nèi)總體噪聲水平。由于傳統(tǒng)的地鐵廣播音量是固定的,因此在環(huán)境嘈雜時,部分乘客無法聽清廣播提示的內(nèi)容;如果將廣播的音量調(diào)整到最大狀態(tài),雖然可以解決乘客聽不清的問題,但在環(huán)境相對安靜時,過大的廣播音量會降低乘客的舒適度,造成車廂內(nèi)的噪聲污染[5-6]。簡而言之,由于背景噪聲的變化,會造成乘客有時聽不清提示音內(nèi)容,有時因廣播音量過大而降低乘客舒適度的問題。

為解決上述問題,文章提出一種地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境噪聲的大小來實時匹配廣播的音量。這樣既能保證人耳能清晰地接收廣播內(nèi)容,提高信息傳播效率,又能改善乘客收聽的舒適度,減少公共廣播對聲環(huán)境的污染。

1 系統(tǒng)概述

地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)適用于出站提示音、換乘提示音、到站提示音和多媒體廣播等內(nèi)容的音量調(diào)節(jié)。地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,列車的每節(jié)車廂都裝有1臺客室廣播主機,相鄰車廂的主機之間通過千兆以太網(wǎng)組網(wǎng),數(shù)字音頻信息、控制信息等在以太網(wǎng)中傳輸和交互,實現(xiàn)全列車的信息互通。主機采用中央處理單元對每節(jié)車廂的噪聲數(shù)據(jù)進行處理,并動態(tài)控制和管理每列車的廣播音量。每節(jié)車廂裝有2臺噪聲監(jiān)測模塊,噪聲監(jiān)測模塊之間的通信線和電源線采用級聯(lián)的方式進行連接,2臺噪聲監(jiān)測模塊單獨采集車廂聲環(huán)境,并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和加權(quán)運算等,將聲壓數(shù)據(jù)發(fā)送到客室廣播主機。揚聲器是車廂內(nèi)的發(fā)聲設(shè)備,每節(jié)車廂實際分有兩路共配備8個揚聲器,采用級聯(lián)方式進行連接,示意圖中受空間所限僅畫2個揚聲器進行示意。

圖1 地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示,客室廣播主機選擇使用標準3U機箱結(jié)構(gòu),背板采用CPCI總線接口標準,集成電源模塊、解碼模塊、功放模塊及電源接口模塊等,采取模塊化設(shè)計,具有更好的互換性和通用性。電源模塊將車載DC 110 V電源轉(zhuǎn)換為DC 24 V電源和DC 12 V電源,并平衡電源波動濾除干擾為主機所載板卡供電。功放模塊、解碼模塊和電源接口模塊之間的通信接口和供電接口均通過背板引出,通過機箱背板進行數(shù)據(jù)交互,功放模塊與解碼模塊采用UART總線的形式進行通信。

圖2 地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體設(shè)計方案

噪聲監(jiān)測模塊采集環(huán)境噪聲聲壓值,采用DC 24 V供電線和RS-485總線通信。客室揚聲器通過音頻線與功放板連接,在功放模塊的驅(qū)動下發(fā)聲?？褪覐V播主機的其他模塊功能如下:

(1) 功放模塊。采用效率高、體積小、失真低的后級數(shù)字音頻功率放大器,增加輸入信號的功率幅度,驅(qū)動客室揚聲器發(fā)聲。

(2) 解碼模塊。選用高性能音頻解碼芯片,一方面對噪聲監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)進行處理和邏輯運算,另一方面將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

(3) 電源接口模塊。內(nèi)置濾波模塊,將背板的24 V直流電源引出到前面板,為噪聲監(jiān)測模塊等設(shè)備供電。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)總體設(shè)計方案和功能接口分析,進行系統(tǒng)硬件平臺的選型和設(shè)計。文章將重點介紹系統(tǒng)中包含芯片及需要邏輯開發(fā)的噪聲監(jiān)測模塊、解碼模塊和功放模塊。

3.1 噪聲監(jiān)測模塊

噪聲監(jiān)測模塊主要作用為采集環(huán)境噪聲,并進行頻譜分析處理和計權(quán)運算等,將模擬量轉(zhuǎn)化為十六進制的聲壓級,通過RS-485接口輸出數(shù)據(jù)。該模塊選用某公司HH_07.06數(shù)據(jù)采集卡,集成專業(yè)噪聲處理芯片和高性能運算處理器,核心板卡實物圖如圖3所示。核心板卡采用被動模式協(xié)議,所有通信都是從主機發(fā)起,設(shè)備返回對應(yīng)數(shù)據(jù)包,支持設(shè)備信息讀取、聲壓值讀取、設(shè)備地址設(shè)置以及波特率設(shè)置等。

圖3 噪聲監(jiān)測模塊核心板卡

核心板卡具有聲壓級測量范圍大、監(jiān)測頻率范圍寬以及響應(yīng)時間快等特點,具體參數(shù)如表1所示,可滿足地鐵車廂噪聲測量和工作環(huán)境的需求。

表1 噪聲監(jiān)測模塊核心板卡主要參數(shù)

測量范圍/dB

30～130

監(jiān)測頻率范圍/Hz

31.5～8 000

接口

串行TTL

計權(quán)方式

A計權(quán)

分辨率/dB

0.1

工作溫度/℃

-20～60

響應(yīng)時間/ms

<300

核心板卡工作原理如圖4所示,駐極體電容麥克風(fēng)采集的噪聲數(shù)據(jù)首先在前端通過數(shù)據(jù)采集量化,將電信號轉(zhuǎn)換為聲壓信號,再進行頻譜處理和1/3倍頻程頻帶劃分,以得到噪聲能量的頻率分布,然后進行有效值運算和頻帶的聲壓計算[7],最后根據(jù)HJ 453—2018[8]標準中的聲環(huán)境影響預(yù)測方法加入等效連續(xù)A聲壓級計權(quán)運算,得到最終的聲壓值。計算公式如下:

(1)

圖4 噪聲監(jiān)測模塊核心板卡工作原理

式中:LAeq,T為等效聲級,dB;(t2-t1)為規(guī)定的時間間隔,s;pA(t)為噪聲瞬時A計權(quán)聲壓,Pa;p0為基準聲壓,單位為20 μPa。

3.2 解碼模塊

在地鐵運行過程中,列車上眾多的電子電氣設(shè)備對車廂內(nèi)的電磁環(huán)境產(chǎn)生了巨大干擾。模擬音頻傳輸存在電磁干擾、接地干擾及信號損耗等問題,在車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境中傳輸極易受到干擾,而數(shù)字音頻具有傳輸抗干擾能力強,系統(tǒng)信噪比及失真度與傳輸距離無關(guān),保真度更高等優(yōu)勢。因此,在乘客信息系統(tǒng)的音頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)廣泛采用數(shù)字音頻進行傳輸。解碼模塊在系統(tǒng)中一方面用于解析以太網(wǎng)(Ethernet)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字音頻信號,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號,通過Audio Signal接口控制模擬信號的輸出,從而實現(xiàn)列車的廣播功能;另一方面通過RS-485接口接收噪聲監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù),并做相應(yīng)的處理。考慮功放模塊和噪聲監(jiān)測模塊通信的接口需求、音頻數(shù)據(jù)處理性能需求等,選用瑞芯微RK3308芯片,由芯片拓展的模塊外圍接口如圖5所示。

圖5 解碼模塊外圍接口示意圖

RK3308芯片是一款高性能四核應(yīng)用處理器,針對音頻和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用設(shè)計,增加了編解碼器(CODEC)以及音頻相關(guān)模塊。CPU采用4核心的ARM Cortex-A35內(nèi)核,最高頻率1.3 GHz,具有8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和2通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),并且支持8通道模擬MIC陣列和回采,支持語音交互、回聲消噪處理、音頻輸入/輸出處理等數(shù)字多媒體應(yīng)用[9]。音頻接口豐富,如PCM、TDM、PDM等,集成度較高,能滿足不同音頻應(yīng)用程序的開發(fā),減少硬件開發(fā)復(fù)雜性和開發(fā)成本。

解碼模塊與噪聲監(jiān)測模塊之間通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)交互。文章選用SIT3485ISO半雙工RS-485收發(fā)器,將芯片內(nèi)部的UART接口轉(zhuǎn)換為對外的RS-485接口。運用該收發(fā)器,總線端口在人體放電模式下的ESD保護能力達到15 kV,可有效預(yù)防因人體靜電對內(nèi)部器件的破壞。此外,該收發(fā)器還具備失效安全、過壓保護和過流保護等功能,在電噪聲環(huán)境中可實現(xiàn)高于500 kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸,使解碼模塊擁有較強的抗干擾能力。

3.3 功放模塊

功放模塊選用支持D類音頻功率放大器的TPA3118D2芯片,頻率響應(yīng)曲線較好,具有較高的能量使用轉(zhuǎn)換率和較低的失真率。采用單電源供電,減少了組件數(shù)量,集成自保護電路,包括過壓、欠壓、過熱、直流檢測和短路保護等功能,并且具有自檢功能,故障可報告給處理器,從而避免過載情況下對器件造成的損壞。

在DC 24 V電壓、8 Ω的BTL負載條件下,支持2路30 W的揚聲器功率輸出,足夠驅(qū)動單車廂內(nèi)的8個額定功率為5 W的揚聲器。芯片支持可編程功率限制功能,通過UART總線與解碼模塊進行通信,接收解碼模塊發(fā)來的級位控制信息,實現(xiàn)不同功放功率的輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序主要應(yīng)用RS-485通信協(xié)議和UART通信協(xié)議。在本系統(tǒng)中,噪聲監(jiān)測模塊和解碼模塊之間采用RS-485通信協(xié)議,解碼模塊和功放模塊之間采用UART通信協(xié)議,傳輸示意圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

RS-485總線作為一種常見的串行總線標準,采用平衡發(fā)送和差分接收,具有良好的抗干擾能力,總線收發(fā)器靈敏度較高,能檢測低于200 mV的電壓[10]。再加上結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、設(shè)計成本低等優(yōu)點,在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛[11]。數(shù)據(jù)包格式為:地址+命令+數(shù)據(jù)+CRC16校驗,整個數(shù)據(jù)包長度為8字節(jié)。

噪聲監(jiān)測模塊采用被動模式協(xié)議,因此要獲取其對應(yīng)的聲壓數(shù)據(jù),需要解碼模塊先向噪聲監(jiān)測模塊發(fā)送對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)包,如表2所示。

表2 解碼模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式

噪聲監(jiān)測模塊收到解碼模塊的發(fā)送指令,以表3形式返回對應(yīng)數(shù)據(jù)包。

表3 噪聲監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式

UART總線只需要2根通信線就可以在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù),兩個UART總線終端必須配置為發(fā)送和接收相同的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)[12],在本系統(tǒng)中所用的UART協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表4所示。

表4 UART協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

4.2 系統(tǒng)軟件處理邏輯設(shè)計

噪聲監(jiān)測模塊將采集的噪聲數(shù)據(jù)進行實時處理后傳輸至解碼模塊板卡,在車廂內(nèi)音頻廣播時,解碼模塊的軟件處理邏輯將依據(jù)車廂內(nèi)噪聲值進行邏輯運算,控制音頻功放輸出,以達到自動調(diào)節(jié)音量的目的。為了防止自激造成功放模塊輸出增益的無限增大,更好地區(qū)分背景噪聲和廣播聲音,系統(tǒng)僅在廣播沒有工作時進行噪聲采集及增益調(diào)節(jié),軟件邏輯通過系統(tǒng)廣播狀態(tài)反饋指令Brd_stt判斷,當(dāng)Brd_stt = 0時,表示揚聲器沒有工作。軟件設(shè)計應(yīng)首先將廣播音量控制在合理的區(qū)間內(nèi),例如設(shè)置廣播音量最低65 dB,最高85 dB,則音量調(diào)節(jié)區(qū)間為65～85 dB。解碼模塊收到噪聲監(jiān)測器的聲壓數(shù)據(jù)后,進行邏輯數(shù)據(jù)處理。將功放模塊輸出的功率劃分為6個級位,從0～5級的功率值遞增,根據(jù)地鐵實際的運行環(huán)境,保證廣播清晰度和傳播效率,以60 dB為分界線,當(dāng)檢測到環(huán)境噪聲小于60 dB時,解碼模塊發(fā)送第0級位指令給功放模塊,驅(qū)動揚聲器發(fā)聲;當(dāng)檢測到環(huán)境噪聲大于60 dB時,系統(tǒng)開始進行動態(tài)調(diào)節(jié),驅(qū)動揚聲器以對應(yīng)級位發(fā)聲。具體的系統(tǒng)軟件處理邏輯如圖7所示。

圖7 地鐵廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件處理邏輯

5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

搭建測試環(huán)境如圖8所示,使用音箱播放1 kHz、0 dB的音頻模擬環(huán)境噪聲,通過噪聲監(jiān)測模塊采集噪聲。

圖8 廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能測試

手動調(diào)節(jié)音箱的音量大小來模擬環(huán)境噪聲的變化,借助聲級計在A計權(quán)模式下采集當(dāng)前的聲壓值,經(jīng)過反復(fù)試驗,確定表5所示的廣播音量輸出級位調(diào)節(jié)關(guān)系。當(dāng)環(huán)境噪聲變化時,系統(tǒng)的廣播音量的大小可以快速進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

表5 廣播音量輸出級位調(diào)節(jié)關(guān)系

6 總結(jié)

本文提出的廣播音量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計方案,系統(tǒng)采用適于工程實際的模塊化設(shè)計,音量調(diào)節(jié)響應(yīng)快速準確,可以實現(xiàn)廣播音量伴隨環(huán)境噪聲的動態(tài)調(diào)節(jié),能有效提高廣播信息的傳遞質(zhì)量和乘客的乘坐舒適度。