主動噪聲控制平臺的FPGA實現(xiàn)探討

1、主動噪聲控制平臺的fpga實現(xiàn)探討工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，噪聲的影響越來越受到人們的關(guān)注。噪聲的控制主要分為被動噪聲控制與主動 噪聲控制。對于低頻噪聲來說，被動降噪技術(shù)的抑制效果不理想，且伴隨廿材料用量大、成木高的問題， 實用性較差。此時主動噪聲控制（active noise control, anc）技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。同時，由于往復(fù) 運動裝置或者旋轉(zhuǎn)裝置所產(chǎn)生的窄帶噪聲的能量集屮分布丁特定的頻帶，其頻率數(shù)值為離散數(shù)值，往往可 以通過非聲學(xué)傳感器采集得到，進而避免了聲反饋問題，更適合于采用主動控制的方法。目前工程上針對非聲學(xué)信號的采集主要是基于多個串行處理的單一傳感器，當多路傳感器同時工作時不 能

2、保證數(shù)據(jù)采集的同步性，這就導(dǎo)致在后續(xù)進行數(shù)據(jù)的處理與計算時會產(chǎn)生錯誤。在一些工程實現(xiàn)中，為 避免這個問題，提出在多路傳感器后加-臺信號同步調(diào)節(jié)器的解決方案，但這會使得整個系統(tǒng)復(fù)朵且操作 麻煩。針對上述問題，本文搭建了一個基t fpga的主動噪聲控制平臺。該平臺能夠?qū)崟r正確地采集信號，滿 足多通道信號的同步性，同時也方便根據(jù)所需功能擴展通道，整個平臺也操作簡單。1主動噪聲控制平臺設(shè)計主動噪聲控制平臺由傳感作動系統(tǒng)與降噪算法模塊構(gòu)成，傳感作動系統(tǒng)由相關(guān)傳感器及fpga中對 應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊構(gòu)成，負責(zé)參考信號（與初級信號相關(guān)的各種形式的信號，如振動、轉(zhuǎn)速 信號）的采集以及次級聲信號的產(chǎn)

3、生，降噪算法模塊由硬件語言搭成，主要是對參考信號進行分析從而產(chǎn)生 次級聲信號。車內(nèi)噪聲主耍是發(fā)動機噪聲、進排氣噪聲與傳動系的噪聲。研究表明，發(fā)動機振動引起的低頻噪聲是 車內(nèi)噪聲的主要成分，同時發(fā)動機振動噪聲以及其他傳動系引起的噪聲與發(fā)動機振動以及車身各點振動成 正比，噪聲的主頻率也與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比?；诖?，本文在該平臺上通過采集汽車的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的 振動加速度等這些非聲學(xué)信號來構(gòu)建車內(nèi)噪聲的參考信號，繼而產(chǎn)生次級聲信號，以此來避免聲反饋問題。主動噪聲控制平臺如圖1所示。其中，mpu6065芯片負責(zé)振動信號的采集，gcan-600模塊負責(zé)轉(zhuǎn)速 信號的采集，在由非聲學(xué)信號產(chǎn)生噪聲參考信號的過程

4、中，需要初級噪聲信號的參與以及和關(guān)的算法，因 此需要wm8731芯片以及音頻輸入輸岀模塊來完成初級聲信號的采集與次級聲信號的輸出，同時sdram 芯片將釆集到的數(shù)據(jù)存儲起來，從而研究相關(guān)的算法。2傳感作動系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1振動加速度的采集振動加速度的采集所用的芯片是mpu6065芯片，芯片與fpga之間通過uart協(xié)議進行信號傳輸。采 樣頻率是100 hzo該芯片可釆集多種物理信號（如加速度、角速度、角度等），不同的信號有不同的數(shù)據(jù)包格式與檢驗位, 每個數(shù)據(jù)包包括10個數(shù)據(jù)位與1個檢驗位，fpga檢測到這個正確的包頭z后，將前面10個數(shù)暫存起來 與檢驗位進行比較，正確則進行數(shù)據(jù)處理，錯誤則返回初

5、始狀態(tài)等待下一幀正確數(shù)據(jù)到來。2.2轉(zhuǎn)速的采集汽車轉(zhuǎn)速的采集是基于gcan-600模塊，該模塊可支持所冇標準can總線物理層及iso 15765汽車 obd接口診斷協(xié)議，可將汽車電控系統(tǒng)的各項傳感器數(shù)值自動轉(zhuǎn)換為串口格式的數(shù)據(jù)，給模塊輸入相對應(yīng) 的at指令讀取所需耍的數(shù)據(jù)，并通過uart協(xié)議將數(shù)據(jù)輸出。采樣率為200 hz。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號對應(yīng)的指令為atpid=012,以ascii碼形式傳輸，接收到的每幀數(shù)據(jù)是指令 pid012=xxxx對應(yīng)的ascii碼。完成一個收發(fā)周期表示采集到一次轉(zhuǎn)速，連續(xù)不斷地對轉(zhuǎn)速信號采集意 味著上述收發(fā)周期需要不斷地循環(huán)。但接收到的每一幀數(shù)據(jù)并沒冇結(jié)束標志位，同時

6、由于轉(zhuǎn)速的位數(shù)不確 定（3位數(shù)或4位數(shù)），導(dǎo)致上述循環(huán)沒法自動進行，需要借助標識符。使用uart協(xié)議接收數(shù)據(jù)時，每當一個數(shù)接收完畢時，就在該數(shù)的末尾產(chǎn)生一個標識符rx_doneo用邏 輯分析儀對接收到的數(shù)據(jù)信號進行分析發(fā)現(xiàn)，每幀數(shù)據(jù)中兩個rx_done的時間間隔為t1（與uart協(xié)議選 擇的波特率相關(guān)），上一幀末尾rx_done與下一幀起始rx_done的時間間隔為t2（與采樣率相關(guān)），且 t2»t1 o由此設(shè)計一個計時器，每次檢測到rx_done信號，計時器開始計時，若是在t1+at（at«t1）rt檢 測到下一個rx_done信號，表明該幀數(shù)據(jù)還沒有結(jié)束；若沒有檢測到標

7、志信號，則表明該數(shù)已是最后一個 數(shù)，產(chǎn)生該幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標識符done,檢測到done信號后，fpga再次給模塊發(fā)送指令atpid=012, 如此循環(huán)，即可不間斷地獲取轉(zhuǎn)速信號。2.3音頻的輸入輸出音頻信號的采集及輸出所采川的芯片是低功耗的音頻編解碼芯片wm8731 o音頻傳輸模塊是連接fpga 與音頻編解碼芯片wm8731的接口模塊，它需要實現(xiàn)兩個功能6：第一個功能是向wm8731芯片發(fā)送配 置參數(shù)的命令，使芯片在系統(tǒng)所需要的模式下工作；第二個功能是在參數(shù)配置完成后，控制麥克風(fēng)采集音 頻數(shù)據(jù)。fpga通過i2c協(xié)議向芯片傳輸配置參數(shù)，配置完成后，fpga與芯片進行晉頻數(shù)據(jù)傳輸。在晉頻的采 集

8、過程中涉及兒個參數(shù):bclk為音頻數(shù)據(jù)傳輸（包括發(fā)送和接收）過程中的位時鐘線.adclrc和daclrc 分別為芯片發(fā)送和接收音頻數(shù)據(jù)的幀時鐘線，adcdat和dacdat分別為發(fā)送和接收音頻數(shù)據(jù)的信號線。由菲聲學(xué)信號生成參考信號后，該參考信號經(jīng)過降噪算法模塊后產(chǎn)生次級聲信號。在初級聲信號的采集與次級聲信號的輸出過程中都遵循i2s模式。即音頻數(shù)據(jù)有效位的傳輸開始于 adclrc或daclrc信號發(fā)生跳變后bclk信號的第二個上升沿，并且音頻數(shù)據(jù)是從故高位開始傳輸?shù)摹?當芯片工作在從模式下時，bclk信號是山fpga控制器生成的。2.4數(shù)據(jù)存儲采集到的信號需要通過一個以狀態(tài)機為主體的sdram控

9、制器來控制信號實時地存入sdran m芯片屮。由于sdram存儲數(shù)據(jù)是由起始位置開始按給定的存儲長度進行順序存儲的，3種信號需要實時存入。 同時信號z間不能相互影響或覆蓋，這就需要在sdram屮給3種信號分配好位置區(qū)間。每種信號有白己 不同的起始位置，在進行存儲的過程屮，sdram是按順序存儲的，存儲地址是逐次加當存儲地址進行 多位變動時，存儲數(shù)據(jù)會遺失或者出錯，故針對多路信號存入sdram時，需要對多路信號幣體進行一 個順序控制。另外，由于數(shù)據(jù)在存入sdram的過程中存在跨時域的操作，因此平臺中還需要搭建異步fifo 模塊。fifo是i種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，沒冇外部讀寫地址線，只能順序地寫

10、入、讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由 內(nèi)部讀寫指針自動加1完成。異步fifo在讀寫兩部分分別采用不同的時鐘同。木文中，sdram工作頻率 是27 mh乙加速度、轉(zhuǎn)速、音頻的采集模塊工作的頻率是50 mh乙數(shù)據(jù)需要跨時域傳輸。另外在多路信 號存入sdram過程中也需要借助異步fifo進行順序控制：當一種信號在存儲時，其他信號先暫存在fifo 中，待上一類信號存完產(chǎn)生標志后，再存入下一類信號。即多路信號是同時采集，先后存儲。3結(jié)果分析整個采集系統(tǒng)是在de2-115開發(fā)板上搭建的，所選用的fpga是cyclone iv ep4ce115f29芯片，為 了驗證所搭建采集系統(tǒng)的正確性，在用該系統(tǒng)對汽車進行數(shù)據(jù)采集

11、的同時，也分別利用錄音器采集音頻信 號；加速度傳感系統(tǒng)采集相同位置的振動加速度；轉(zhuǎn)速傳感系統(tǒng)采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速。用此參考系統(tǒng)采集的信 號來驗證所搭建平臺對信號采集的正確性與實時性。在實驗過程中，3個單一信號的傳感系統(tǒng)同時按下各自的開始按鈕進行信號的采集，總共采集時間為5 s, 大約1s后，按下所搭建平臺的開始按鈕，3種信號同時采集，采集3s后停止。這樣所搭建半臺采集的信 號是3個參考傳感系統(tǒng)采集信號的子信號，將兩個系統(tǒng)采集到的3種信號做互相關(guān)，得到的相關(guān)系數(shù)與子 信號的起點時間如圖2所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速信號起始時間s,與自搭建系統(tǒng)采集信號的相 關(guān)系數(shù)為1；振動加速度信號起始時間t仁0.91s

12、,與白搭建系統(tǒng)采集信號的相關(guān)系數(shù)為0.9&音頻信號起 始時間t1=1.34 s,耳|搭建系統(tǒng)采集信號的相關(guān)系數(shù)為0.94(對于音頻信號，由于各i系統(tǒng)的拾音器不同, 造成采集到音頻信號的幅值的數(shù)彊級不同，為了更方便地比較，對兩個系統(tǒng)采集到的信號均進行歸一化處 理)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的定義可得，兩個系統(tǒng)采集到的3段信號可認為對應(yīng)相等【9),將子信號的起始時間對應(yīng) 到參考信號中，3種信號的時域圖如圖3所示，這也證明了口搭建平臺采集的轉(zhuǎn)速信號的實時正確性。通過圖2的橫向?qū)Ρ瓤煽磳纾源罱ㄆ脚_采集的3種信號對應(yīng)于3個獨立參考系統(tǒng)中起始的時間t1u2. 13互不相等，這也證明對于多路信號的采集，多個采

13、集系統(tǒng)同時工作時不能保證采集數(shù)據(jù)的嚴格同步性， 還需耍專門的儀器進行信號的同步調(diào)整卩叭而口搭建的平臺，對丁多路信號的操作都是由同一個按鈕進行, 可以嚴格地保證數(shù)據(jù)的同步性，這樣可以得到任意時刻汽車的多種參數(shù)。4結(jié)論本文基于fpga搭建了針對汽車主動降噪的平臺，該平臺的作動傳感系統(tǒng)可以有效地采集汽車運行中 的轉(zhuǎn)速、振動加速度、噪聲信號。同時該平臺也是主動降噪算法實現(xiàn)的碩件系統(tǒng)，是后續(xù)主動降噪研究的 重要慕礎(chǔ)。數(shù)據(jù)在存入sdram前，需要先暫存在fifo中，導(dǎo)致存入的數(shù)據(jù)量與fifo的容量相關(guān)，后續(xù)可以利 用niosll來對多通道信號進行存儲順序的控制，就可以極人擴充數(shù)據(jù)存儲的容量，但開發(fā)周期較長。綜合而言，該平臺具冇以下優(yōu)點：(1) 平臺可以正確并且實時采集到參考信號。這為在主動降噪過程屮產(chǎn)生次級