基于ARM的声音识别报警系统实现

一个 Ｎ 点的汉明（Ｈａｍｍｉｎｇ）窗函数定义如下：
在实际的工程中是无法实现的， 相比而言， 矩形窗频谱泄漏比较 严重， 但矩形窗一般可以用于计算短时能量和平均幅度； 汉明窗 具有更平滑的低通特性， 能够在较高程度上反映短时信号的频 率特性， 所以本系统在进行声音的频谱分析时， 采用汉明窗来获 得短时频谱。如图 ３ 为锯条断裂时的波形图， 可以清楚的看到在 １５０～２００ｍｓ 之间锯条突然断裂， 这时产生了频率很高、振幅很大 的 声 音 信 号 ， 这 个 信 号 持 续 的 时 间 大 约 为 ５０ｍｓ， 所 以 窗 口 的 长 度 应 设 为 １００ｍｓ。 我 们 实 际 使 用 的 采 样 频 率 为 ２００Ｋ， 故 Ｎ＝ ２０００００＊０．１＝２００００， 即汉明窗的取样数为 ２００００。
术
１ 引言
本文主要是针对木材加工中切割机的声音检测进行讨论，
存 储 器 和 Ｉ／Ｏ 之 间 的 传 输 ； ４ 个 具 有 ＰＷＭ 功 能 的 １６ 位 定 时／计
创 数器和 １ 个 １６ 位内部定时器， 支持外部时钟 源； ８ 通道的 １０ 位
ＡＤＣ， 最 高 速 率 可 达 ５００ｋＢ／ｓ； 触 摸 屏 接 口 ； ＩＩＳ 总 线 接 口 ； ２ 个
ｅｒ， ｔｈｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｒｔｉｎｇ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ｓｙｓｔｅｍ．
技
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ＡＲＭ， Ｓ３Ｃ２４１０， ｈａｒ ｄｗａｒ ｅ， ｄｒ ｉｖｅｒ ， ｒ ｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ， Ｌｉｎｕｘ， ｐｏｒ ｔｉｎｇ
ＣＯＮ， ＡＤＣＣＯＮ 的［５：３］位 为 选 择 的 ＡＤＣ 输 入 通 道 ， ＡＤＣＣＯＮ 的
［１３：６］位为 Ａ／Ｄ 的转换 比 例 因 子 值 ， 把 ＡＤＣＣＯＮ 的［０］位 置 为 １，
则启动 Ａ／Ｄ 转换。可以利用 ｒｅａｄ 接口读取经过 Ａ／Ｄ 转换后的数
字 量 ， 即 读 取 Ａ／Ｄ 转 换 结 果 数 据 寄 存 器 ＡＤＣＤＡＴ０ 的［９：０］位 就
绍 了 系 统 的 硬 件 设 计 ， 驱 动 程 序 的 编 写 ， 识 别 算 法 的 应 用 和 整 个 嵌 入 式 Ｌｉｎｕｘ 系 统 的 移 植 。
关键词：ＡＲＭ９； Ｓ３Ｃ２４１０； 硬件； 驱动； 识别算法； Ｌｉｎｕｘ； 移植
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３５２
文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｏｉｃｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ． Ｗｅ ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｏｕｎｄ ｏｆ ｓａｗ ｂｌａｄｅ ｕｓｉｎｇ ａｌｇｏ－
创 主 要 是 用 来 控 制 输 入／ 输 出 信 号 的 大 小 ， ＤＳＰ 主 要 用 来 实 现 录
制声音和播放声音。
新
４ 声音识别算法
（１） 添加时间窗口 声音信号是一种非平稳、非周期的时变信号， 频谱随时间连 续变化。虽然用傅里叶变换得到的频谱无法准确地获得声音每 个时刻的频谱特性， 但用短时傅里叶变换可以得到一段短时间 的频谱特性， 即用中心在某一时刻的长度有限的时间窗口截取 一段语音信号， 对其做傅里叶变换， 得到这一时刻的频谱， 然后 将时间窗口在时间轴上移动， 从而得到不同时刻的频谱， 这就是 声音的短时分析技术。设时间 窗 函 数 为 Ｗ（ｎ），一 个 Ｎ 点 的 矩 形 窗函数定义如下：
Ｘ（ｋ＋Ｎ／２）＝Ｘ０（ｋ）－ Ｘ１（ｋ）ＷＮｋ
（０≤ｋ≤Ｎ／２－ １，ｋ 为整数）
上面表明， 若将任何以偶数序列按 ｎ 的奇偶性分成两个子
序 列 ， 则 原 序 列 的 ＤＦＴ 可 以 由 两 个 子 序 列 ＤＦＴ 的 线 性 组 合 得
到， 图 ４ 给出定理的简化运算流图。
图 ３ 锯条断裂波形图 理想窗口函数的频率响应要求无频谱泄漏， 但这种窗函数
（２） 短时傅立叶变换 每个短时的声音段被称为一个分析帧， 我们使用上面所提 到的汉明窗来截取声音信号形成分析帧， 分析帧可以是连续的， 也可以采用交叠分帧［ ３］ 的方法。为了更好地得到短时内的频率 信 息 ， 我 们 采 取 交 叠 分 帧 的 方 法 ， 并 把 帧 长 设 为 １００ｍｓ，每 次 傅 立叶变换后， 分析帧在时间轴移 动 ５０ｍｓ。所以短时傅立叶变换 定义如下：
件的访问和操作。设备驱动程序隐藏了设备的具体细节， 对各
种不同的设备提供了一致的接口。同时把所有的设备都看成是
文件， 都纳入文件系统的范围， 设备会被映射为特殊的设备文
件， 应用程序可以像操作其他文件一样来对设备文件进行操作。
系统的程序流程图如图 ２ 所示。
主 线 程 主 要 是 打 开 Ａ／Ｄ 驱 动 ， 对 声 音 信 号 进 行 采 集 ， 并 把
农 毅： 硕士 本项目获得广西自然科学基金《桂科青 ０５４２０３８》资助
图 ２ 程序流程图 系 统 使 用 １２ＭＨｚ 的 有 源 晶 振 ， 经 过 Ｓ３Ｃ２４１０ 片 内 的 ＰＬＬ 电 路 倍 频 后 ， 最 高 可 以 达 到 ２０３ＭＨｚ，这 样 系 统 可 以 较 低 的 外 部 时钟信号获得较高的工作频率， 以降低因高速开关时钟所造成 的 高 频 噪 声 。 使 用 一 片 三 星 的 Ｋ９Ｆ６４０８Ｑ０Ｃ 构 成 ８Ｍ ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ， 使 用 两 片 ＨＹＮＩＸ 的 ＨＹ５７Ｖ５６１６２０ 构 成 ６４Ｍ ＳＤＲＡＭ， 使用一个 ２０ 针的 ＪＴＡＧ 接口 来 烧 写 引 导 程 序 Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ， 使 用 ＵＡＲＴ 接口来烧写 Ａｒｍ－ Ｌｉｎｕｘ 的内核、文件系统和程序， 使用逐 次 逼 近 型 的 Ａ／Ｄ 转 换 器 把 声 音 信 号 转 换 为 数 字 量 ， 使 用 Ｕ－ ＤＡ１３４１ＴＳ 芯片作为 ＩＩＳ 的总线接口芯片。
设 Ｘ（ｋ）＝ＤＦＴ［ｘ（ｎ）］（０≤ｎ，ｋ≤Ｎ－ １，ｎ，ｋ 为整数， Ｎ 为偶数）， ｘ０（ｉ）
＝ｘ（２ｉ），ｘ１（ｉ）＝ｘ（２ｉ＋１）（０≤ｉ≤Ｎ／２－ １，Ｉ 为整数）。若 Ｘ０（ｋ）＝ＤＦＴ［ｘ０（ｉ）］，
Ｘ１（ｋ）＝ＤＦＴ［ｘ１（ｉ）］，０≤ｋ≤Ｎ／２－ １，则
｝ Ｘ（ｋ）＝ Ｘ０（ｋ）＋Ｘ１（ｋ）ＷＮｋ
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０９－ ２－ ０１６５－ ０３
ＡＲＭ 开 发 与 应 用
基于 ＡＲＭ 的声音识别报警系统实现
Ａ Ｒｅ ａ ｌｉｚａ ｔｉｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｏ ｕ ｎ ｄ Ｒｅ ｃｏ ｇ ｎ ｉｔｉｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｌａ ｒｍ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＲＭ
ｒｉｔｈｍ ｏｆ Ｓｈｏｒｔ Ｔｉｍｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ３２ － ｂｉｔ
ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｓ３Ｃ２４１０．Ｓｏ ｗｅ Ｃｏｍｂｉｎｅ ｗｉｔｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｒｉｖ－
其 中｜ｗ（ｎ）｜为 实 数 窗 序 列 ， ｎ 取 不 同 值 时 ， 窗 Ｗ（ｎ－ ｍ）沿 时 间
轴滑动到不同的位置， 取出不同的声音帧进行傅立叶变换。显
然， 短时傅立叶变换是时间 ｎ 和角频率 ｗ 的函数， 它反映了声
音信号的频谱随时间变化的特性。从上式可以看出：当 ｎ 固定不
变 时 ， Ｘｎ（ｅｊｗ）为 序 列 Ｗ（ｎ－ ｍ）Ｘ（ｍ）（－ ∞＜ｍ＜∞）的 标 准 傅 立 叶 变 换 ，
图 ４ ２ＦＦＴ 简化运算流图 小圆圈左边的线段为输入支路， 右边的线段为输出支路， 并 且上支路的输出等于上支路输入和下支路输入之和， 而下支路 的输出等于上支路输入和下支路输入的差， 由于运算流图像蝴 蝶， 此算法又被称为蝶式算法。通过运用上述算法分别对图 ５ 未 切割木头时工厂的环境噪声波形图， 图 ６ 正在切割木头时的波 形图和图 ７ 锯条发生断裂时的波形图进行快速傅立叶变换得到 图 ８、图 ９ 和图 １０ 的声音信号功率谱图。 从图 ８ 可以看出当没有开动机器时， 主要存在的是工厂的 环境噪声， 其频率范围分布较广； 当切割木头时， 在图 ９ 中可以 看 出 切 割 木 头 所 产 生 的 声 音 基 本 上 分 布 在 ６ｋＨｚ～７ｋＨｚ 这 个 范
们 为 其 专 门 设 计 了 一 个 声 音 识 别 报 警 系 统 以 提 醒 工 人 锯 条 是 部中断源； ８ 通道 １０ 位 ＡＤ 控制器和电源管理，硬 件的基本组成
否断裂。
如图 １ 中， 用麦克风来采集机器的声音模拟数据， 并通过 Ａ／Ｄ 转 换 后 使 用 Ｓ３Ｃ２４１０ 微 处 理 器 对 数 字 量 进 行 处 理 和 分 析 ， 如果检测到机器的声音发生 异 常 ， 则 通 过 Ｓ３Ｃ２４１０ 微 处 理 器 自 带的 ＩＩＳ 总线控制器向报警音箱输出报警音频 ， 从 而 使 音 箱 发 出报警声。
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １６５ －
ＡＲＭ 开 发 与 应 用
中 文 核 心 期 刊 《微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 ＳＯＣ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 ９－２ 期
３ 驱动程序的编写
Ｌｉｎｕｘ 操作系统中， 应用程序必须通过驱动程序来实现对硬
（桂林电子科技大学）农 毅
ＮＯＮＧ ＹＩ
摘要：本文 主 要 讨 论 了 木 材 加 工 中 的 声 音 识 别 问 题 ， 利 用 短 时 傅 立 叶 变 换 和 快 速 傅 立 叶 变 换 算 法 对 锯 条 的 断 裂 声 进 行 识 别 ，