破損玻璃檢測器 (GBD)的系統設計

引言

　　破損玻璃檢測器 (GBD) 主要用來(lái)檢測家庭住宅或商業(yè)樓宇門(mén)窗玻璃的破損情況。GBD 也可歸類(lèi)為一種監控設備，用以提高家庭或商業(yè)環(huán)境的安全性，避免非法進(jìn)入。GBD 既可獨立工作，也可與其它防盜設備協(xié)同工作，形成一套完整的安全系統。GBD 的基本工作原理就是捕獲各種聲音，并對其進(jìn)行分析，然后報告玻璃是否破碎?；谶@種工作模式，GBD的性能很大程度上取決于聲源音質(zhì)，這對設計人員提出了諸多挑戰。此外，GBD 必須排除各種非真正玻璃破碎發(fā)出的聲音，這種可能觸發(fā)虛假玻璃破碎警報的聲音事件就是誤報警。本文將介紹一種采用低成本微處理器 (MCU) 的高效、穩健可靠的 GBD 設計方案。MCU 屬于低端處理器，廣泛用于簡(jiǎn)單的數字實(shí)時(shí)時(shí)鐘或復雜的智能計量裝置等各種應用。MCU 之所以能夠廣泛應用，主要是因為其相對于大多數其他類(lèi)型的數字處理器而言具有低成本、低功耗、簡(jiǎn)便易用等優(yōu)異特性。在簡(jiǎn)單應用中，由于要求不多，因此低成本和低功耗很容易實(shí)現。然而，隨著(zhù) MCU 不斷應用于復雜的應用，要想保持低成本和低功耗就要面臨更大的挑戰。因此，工程師目前的任務(wù)就是以盡可能低的成本實(shí)現最佳性能。為了實(shí)現這一目標，我們必須解決諸如片上內存較低、外設集有限、運行速度較低、引腳數量較少等 MCU架構限制問(wèn)題。同時(shí)，工程師必須優(yōu)化利用 MCU 的一切可用資源，才能使其在像破損玻璃檢測器 (GBD) 這種相當復雜的應用中充分發(fā)揮作用。

設計考慮

　　穩健的 GBD 算法應該能夠很容易地將真正的玻璃破碎聲與其它聲音區別開(kāi)來(lái)。所有 GBD 算法都會(huì )捕獲聲音，并對其時(shí)間和頻率構成進(jìn)行分析，然后做出決策。玻璃破損聲會(huì )因玻璃類(lèi)型、厚度、聲學(xué)環(huán)境、距離，以及撞擊玻璃所用器具的不同而有所變化。雖然所有 GBD 算法的本質(zhì)很類(lèi)似，但在具體情況下會(huì )略有差別。不過(guò)，很難讓一種算法適用于所有情況。而對算法的微調通常要在家庭或企業(yè)的最后安裝階段中進(jìn)行。有效的玻璃破損信號可在時(shí)域或頻域內加以分析。圖 1 和圖 2 分別顯示了時(shí)域和頻域內典型的玻璃破損信號。玻璃破損聲的音頻頻譜正好介于 20Hz 至 20 kHz 之間。時(shí)域波形與實(shí)際聽(tīng)到的聲音相關(guān)，而頻域波形則給出了完整的信號頻譜。上述兩種圖形為設計高效的玻璃破損檢測算法提供了重要信息。時(shí)域圖顯示波形密集，且在短時(shí)間間隔內存在大量活動(dòng)，這不僅說(shuō)明信號包含了大量高頻分量，同時(shí)也意味著(zhù)波形的跨零和峰值數較多。盡管這些信息很有用，但這些特點(diǎn)看起來(lái)卻酷似白噪聲。設計人員接下來(lái)所面臨的挑戰就是如何對其加以區分。

　　圖 1：時(shí)域內的玻璃破損信號

　　圖 2：頻域內的玻璃破損信號在頻域方面，我們也面臨著(zhù)類(lèi)似的挑戰。玻璃破損信號分量好像是以相對平均的能量分布于整個(gè)頻譜，這與典型的白噪聲類(lèi)似。不過(guò)，我們也發(fā)現，在 200 ~ 300 Hz 的低頻區域有一個(gè)不小的峰值，這給我們做出區分判斷提供很有用的信息。這一峰值是玻璃破損過(guò)程中擊打物撞擊玻璃所最初產(chǎn)生的聲音頻率分量。撞擊表現為后續高頻玻璃破損聲中的低頻信號。這種“撞擊”或者“重擊”也可以理解為器具碰撞玻璃時(shí)所發(fā)出的聲音。這種信號在時(shí)域波形中很難分辨出來(lái)，但我們確實(shí)清楚這種聲音是在玻璃破損過(guò)程中先于其他聲音而發(fā)生的。據此，我們可以確定地列出玻璃破損信號的部分有關(guān)因素：包括大量高頻分量，即包含大量跨零和峰值。

　　包含擊打物碰撞玻璃所產(chǎn)生的 200 ~ 300 Hz 低頻分量，出現在玻璃破損聲音的起始階段。

　　圖 3：破損玻璃檢測器的系統方框圖上面列出了執行具體行動(dòng)的關(guān)鍵塊。GBD 必須始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，而且應該能夠實(shí)時(shí)處理任何聲音活動(dòng)。不過(guò)，GBD 的某些塊可在非工作狀態(tài)下關(guān)閉或進(jìn)入低功耗模式。我們將在后續部分對此加以分別說(shuō)明。擴音器負責捕獲聲音，而增益放大器與抗混淆濾波器 (AAF) 則負責信號放大及高頻分量過(guò)濾。AAF 旨在屏蔽超過(guò) 20 kHz 可聽(tīng)范圍以外的音頻，并避免在模擬信號數字化過(guò)程中違反奈奎斯特準則 (Nyquist criterion)。虛線(xiàn)內的塊可理解為處理器的一部分。處理器可以是 ASIC、MCU 或數字信號處理器 (DSP)。模數轉換器 (ADC) 將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?，以便在數字域中進(jìn)行處理。采樣頻率 ( ) 可根據信號的頻率分量來(lái)選擇。由于采用了 20 kHz 的 AAF，因此采樣率必須大于或等于 40 kHz，這樣才能保存原始內容，確保信號的完整性。信號分析塊包含檢測/區分玻璃破損聲所需的整個(gè)信號處理機制。完成之后，決策塊將激活 LED 或蜂鳴器等指示器，報告玻璃破損情況。在以下各節中，我們將全面討論各塊的具體規范。

硬件設計規范

　　在本節中我們將討論高穩健性 GBD 解決方案的硬件設計規范。在深入討論相關(guān)要求之前，需要說(shuō)明的重要一點(diǎn)是，大多數 GBD 都采用電池供電，因此為了確保足夠長(cháng)的電池使用壽命，設計方案必須注重低功耗。板上所有硬件組件的選擇都要圍繞實(shí)現低功耗這一設計目標而展開(kāi)。如圖 3 所示，整條模擬信號鏈從擴音器開(kāi)始，到 ADC 結束。擴音器的選擇至關(guān)重要，其性能將關(guān)系到所有 GBD 算法的成敗。擴音器還應能夠捕獲并保存撞擊等關(guān)鍵音頻分量以及其它高頻分量，這些頻率分量將在 GBD 算法中頻繁使用。擴音器大多數時(shí)間需處于開(kāi)啟狀態(tài)以捕獲各種聲音活動(dòng)，因此必須確保低功耗，以降低整體系統的電流消耗。增益放大器通常是以高于單位增益的反相模式或非反相模式配置的運算放大器 (OA)。OA 旨在為擴音器捕獲的聲音(大小通常為數十毫伏)提供足夠增益。OA 和擴音器一樣，也要始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，而且必須具有較小的開(kāi)啟電流。AAF 也是 OA，在模擬域進(jìn)行過(guò)濾，通常也是一個(gè)簡(jiǎn)單的一階或二階單位增益低通濾波器 (LPF)。整個(gè)設計中最重大的決策是如何選擇信號處理器。如前所述，ASIC、MCU 或 DSP 可用于本應用。不過(guò)，每種選項都有其優(yōu)勢和不足，我們應根據最有益于本應用的相關(guān)因素進(jìn)行選擇。大多數破損玻璃檢測器與煙霧檢測器類(lèi)似，都安裝在家庭或辦公環(huán)境中可確保安全的位置。不過(guò)，基于以下兩種原因，它們都要采用電池供電：可安裝在任何地方，而不必考慮電源插座問(wèn)題，而且

　　在電源斷電情況下仍能確保實(shí)現全部功能。

　　選擇的處理器必須具備低功耗、可編程、簡(jiǎn)便易用、價(jià)格低廉等優(yōu)異特性，而且在實(shí)時(shí)運行時(shí)可提供出色的處理能力。MCU 是所有可選方案中的最佳選擇，可滿(mǎn)足上述所有要求。此外，部分 MCU 還集成了模擬外設，這將進(jìn)一步降低整體系統成本。