破損玻璃檢測(cè)器 (GBD)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)規(guī)范

　　擴(kuò)音器的模擬信號(hào)由剪切頻率為 20 kHz 的 AAF 過(guò)濾。為了對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，采樣率必須大于 40 kHz，也即 ADC 必須能夠支持它。在實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下，所需的處理工作需在連續(xù)采樣間隙完成。例如，如果最高 CPU 頻率為 12 MHz，那么連續(xù)采樣之間的 CPU 周期數(shù)僅為 300 次，這對(duì)信號(hào)處理而言是極為不足的。為了增加 CPU 周期，我們可選用支持更高 CPU 時(shí)鐘的處理器;但是，這樣做的代價(jià)是提高了功耗，進(jìn)而縮短了電池使用壽命。因此，必須平衡算法復(fù)雜性和電池使用壽命。本節(jié)將探討用于檢測(cè)玻璃破損的實(shí)際算法。從圖 1 和圖 2 中可以看出，玻璃破損聲音包含大量高頻分量、跨零和峰值，以及低頻撞擊信號(hào)。重?fù)艋蜃矒舭l(fā)生在玻璃破損聲音的起始階段。必須注意的是，重?fù)?撞擊信號(hào)可能源于多種聲音，比如木門(mén)或柜櫥的關(guān)閉、物品掉落地上、快速擊掌、鎖門(mén)等。不過(guò)，這些聲音都不存在一般玻璃破損信號(hào)中包含的高頻分量。同樣，咖啡磨豆機(jī)、音樂(lè)、電視上的摩托車比賽、酒杯落地破損等發(fā)出的聲音盡管存在高頻分量，但卻沒(méi)有重?fù)?撞擊分量。下述 GBD 算法將探究這兩種分量及時(shí)獨(dú)立出現(xiàn)在頻譜兩側(cè)的事實(shí)。

算法

　　圖 4 顯示的是算法的高級(jí)軟件流程圖。該軟件分為三大塊，按時(shí)間發(fā)生順序分別為活動(dòng)檢測(cè)、撞擊檢測(cè)和玻璃破損。擴(kuò)音器和 OA1 每隔 2.5 毫秒開(kāi)啟一次，檢查有無(wú)聲音活動(dòng)。如果沒(méi)有顯著的活動(dòng)，它們就關(guān)閉，MCU 隨即進(jìn)入低功耗狀態(tài)。如果出現(xiàn)顯著活動(dòng)，則軟件啟動(dòng)撞擊檢測(cè)，其中 ADC 打開(kāi)，并隨后進(jìn)行信號(hào)處理，檢查撞擊分量。只有在確實(shí)出現(xiàn)撞擊事件，算法才啟動(dòng)實(shí)際的玻璃破損檢測(cè)，否則算法將返回活動(dòng)檢測(cè)狀態(tài)。如果成功檢測(cè)到玻璃破損，則將激活板上 LED/蜂鳴器發(fā)出事件警報(bào)。GBD 隨后將返回到活動(dòng)檢測(cè)狀態(tài)。

　　圖 4：高級(jí)軟件流程活動(dòng)檢測(cè)僅通過(guò)比較 ADC 輸入值與零點(diǎn)兩側(cè)的預(yù)設(shè)閾值來(lái)從噪聲中區(qū)別出真正的破損信號(hào)。如前所述，撞擊是接近 300 Hz 的低頻分量。既然撞擊分量?jī)H出現(xiàn)在玻璃撞破損的初始階段，那么只需過(guò)濾最初傳送進(jìn)來(lái)的少數(shù)幾個(gè)信號(hào)樣本即可。該過(guò)濾工作由剪切頻率為 350 Hz 的數(shù)字低通濾波器 (LPF) 來(lái)完成。先將過(guò)濾后的樣本累加、取平均值，然后再與預(yù)設(shè)的能量閾值進(jìn)行比較。如果能量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則啟動(dòng)撞擊分量和玻璃破損檢測(cè)算法。為了在不影響其工作效率的前提下縮小數(shù)字 LPF 的尺寸，針對(duì)初始樣本的采樣頻率非常低，僅保持在 4 kHz。不過(guò)，該部分算法采用剪切頻率為 2 kHz 的AAF(而非剪切頻率為 20 kHz的常規(guī) AAF)。 玻璃破損檢測(cè)算法比撞擊檢測(cè)更復(fù)雜，分為兩部分：信號(hào)分析 1 (SA1) 和信號(hào)分析 2 (SA2)。SA1 是處理的第一階段，一旦檢測(cè)到撞擊就會(huì)對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行分析。在 SA1 階段選用的是 20 kHz 的AAF，ADC 采樣頻率驟然提升至 40 kHz。SA1 階段將執(zhí)行信號(hào)平均、跨零檢測(cè)和峰值檢測(cè)，耗時(shí) 60 毫秒，完成了約 2,400 個(gè)樣本分析。SA1 完成后，即啟動(dòng) SA2 完成整個(gè)信號(hào)分析過(guò)程。圖 5 顯示的是 SA1 期間的信號(hào)表示圖，而圖 6 顯示的是實(shí)際的軟件流程。

　　圖 5：信號(hào)分析 1 的信號(hào)表示圖