車站廣播智能管控技術

陳佩耀

中國鐵路西安局集團有限公司西安站，陜西 西安，714000

0 引言

在高鐵車站內，廣播系統(tǒng)的主要作用為播報列車的實時運行信息、緊急情況信息、天氣信息等，但由于在車站這種公共場合中，會出現諸如列車鳴笛聲、制動剎車聲、人聲等各種嘈雜的聲音，這將會對車站廣播的效果產生較大的影響。由于在不同的時間段和情況下，車站內的嘈雜聲會有很大的區(qū)別，為了既能夠保證廣播的效果，又不影響旅客的休息，車站廣播的分貝是需要結合實際情況來做出調整的，但使用人工來進行手動的調整是不切合實際的，這時就需要具備一套車站廣播智能管控系統(tǒng)，以達到既能夠保證車站廣播的實際效果，又避免產生噪聲污染的目的。

1 高鐵車站廣播效果測試

本文以國內某個已經投入使用的高鐵車站為例，使用一種系統(tǒng)的車站廣播檢測方法來對其候車廳內的廣播效果進行了測試，具體的測試流程如圖1所示。

圖1 高鐵車站廣播效果測試流程

1.1 候車廳的結構特征

該車站主體為混凝土框架結構，共有上下兩層，候車室內地面為大理石地磚，支架為水凝柱，四周安裝玻璃幕墻，天花板多使用柵欄進行裝飾，車站大廳內墻壁較為光滑[1]。翻閱車站建造時的相關數據可知，車站一層候車廳的建筑面積為6324平方米，二層候車廳的建筑面積為7030平方米。

1.2 背景噪聲測試

背景噪聲主要包含廣播音響設備噪聲以及放音環(huán)境噪聲兩大部分內容。車站內存在過大的背景噪聲不僅會導致人心情煩躁，而且還會影響有用信息的傳播，使得廣播聲音的信噪比以及動態(tài)范圍變得更小，破壞聲音質量。本次測試總計在車站候車廳內選取了5個不同的點位進行背景噪聲測試，其中每個點位收集6組測試數據，測試結果如表1所示，由此表我們可以得出，車站候車廳內的背景噪聲均值約為71dB，其噪聲大小適中。

表1 車站內背景噪聲測試數據（dB）

1.3 語音清晰度測試

本次測試所選取的時間段為車次均已停運，候車大廳處于無人的控場狀態(tài)，分別在一層候車廳和二層候車廳內選取了9個測試點，其測試的數據結果如表2所示，由此表中數據我們可以得知，車站一層候車廳的語言傳遞指數為0.39，二層候車廳的語言傳遞指數為0.29。

表2 車站候車廳RASTI

1.4 混響時間測試

混響時間指的是在廣播聲場到達穩(wěn)定狀態(tài)時并同時聲源停止發(fā)生之后，聲壓降低至60dB所需要的時間?；祉憰r間過短或者過長都會對廣播的效果產生影響，過短則會出現聲音不自然的現象；過長則會出現廣播聲音含混不清[2]。本次測試同樣選擇候車廳一層和二層作為測試點，其具體的測試結果如表3所示，經過對車站混響數據進行計算可以得知，其整體的混響時間較長。

表3 車站候車廳混響時間測試數據

2 車站廣播智能管控系統(tǒng)

基于噪聲檢測的智能廣播管控系統(tǒng)的工作原理為：首先噪聲檢測電路對候車廳內的噪聲環(huán)境進行采集，并通過電容式駐極體將造成轉換為電壓信號傳遞給單片機，然后單片機會將電壓信號轉換為對應的數字信號，并同時對噪聲進行計算，此時控制系統(tǒng)會根據計算出的噪聲值來對電位大小進行調整，以實現對語音播放電壓進行控制的目的，其具體的流程如圖2所示。

圖2 智能管控系統(tǒng)結構框架圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 單片機

基于本次設計既要實現對廣播音量進行智能調節(jié)，又要兼具廣播效果的實際需要，我們選取了MSP430F149型單片機作為系統(tǒng)中的控制器。該型號的單片機相較于51系列的單片機具有更為豐富的I/O接口，并具有內部集成A/D轉換模塊，因而更符合該系統(tǒng)的實際設計需求[3]。430單片機的晶振頻率為8MHz，指令執(zhí)行時間為125ns，采用的為22pF的起振電容，具有穩(wěn)定且良好的運行效果。

3.2 噪聲檢測電路

噪聲檢測的電路圖如圖3所示。

圖3 噪聲檢測電路

其具體的工作原理如下。

電容式駐極體話筒MIC將噪聲聲波轉為電壓信號，由C21低頻濾波和C22高頻濾波后，再經過可調電阻R21選擇適當的噪聲信號電壓輸入到運放LM386的IN+。

LM386的1號和8號引腳是電壓增益倍數選擇端，接入10μF電容，可實現LM386的200倍最高增益。當選擇較高增益工作時，7號旁路引腳需要對地接入0.1μF電容，以防止增益下降造成的不穩(wěn)定工作等情況。

在5號引腳的音頻輸出端，串接C24和R22到地進行高頻濾波，經過C23電容低頻濾波和D11去除可能出現的電源負壓后到R20電位器，增益200倍的電信號在0～4V范圍內，超出單片機的最大采樣電壓+3.3V，故通過R20調壓后送到單片機的P6.0引腳。

在P6.0檢測端接入D10指示燈，即可直觀地觀察噪聲的有無及大小。輸出端接D12和R23，用來給C23電容放電，放電速度取決于R23的阻值，其目的是較快地反映噪聲信號的平均直流電壓，以保證噪聲檢測的實時性。

為了消除電源適配器送出的5V電源中可能夾雜的各種高低頻噪聲（尤其是低頻噪聲），在檢測模塊電源輸入端需并聯(lián)C16大電容，以去除來自電源中的、不必要的噪聲干擾。

3.3 語音播放電路

為了仿真車站候車廳的廣播，系統(tǒng)中還安裝有ISD1760語音芯片，該芯片具有錄音的功能，且在語音芯片中還設置有自動增益控制、揚聲器驅動等實用功能。在ISD1760芯片的20號引腳串聯(lián)有震蕩電阻，來對芯片頻率進行采樣；芯片所需的工作電壓最高不得大于6V。

3.4 音量控制電路

為了實現智能管控系統(tǒng)對于廣播音量的自動控制，本次設計采用了電阻對信號進行分壓，電阻阻值的大小由單片機的對應引腳決定。依據所采集到的噪聲值大小，通過對控制器端口輸出狀態(tài)的調節(jié)來實現對分壓電阻的大小進行控制。既候車廳內的噪聲值越小，則揚聲器所串聯(lián)的分壓電阻阻值就越大，那么廣播聲音就會越小；而候車廳內的噪聲值越大，則揚聲器所串聯(lián)的分壓電阻阻值就會越小，那么廣播聲音就會隨之變大。

3.5 按鍵電路

為了確保車站廣播系統(tǒng)的音量能夠處于隨時可控的范圍之內，本次設計還增加了對應的按鍵電路[4]。在語音播放芯片的23號引腳上連接S3按鍵，來實現對廣播播放或者暫停的控制，在端口自低電平得電之后，語音芯片就會自動播放廣播內容。語音芯片的播放端口同時還受單片機的控制，而基于按鍵有可能隨時會使用的特點，還需要在系統(tǒng)之中串聯(lián)一個阻值為100Ω的電阻。S4為中斷檢測端口，S5為單次/循環(huán)模式切換端口，其分別與單片機的P2.0以及P2.1端口相連。

3.6 顯示電路

為了方便對于系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行觀測，本次設計還加裝了LCD1602液晶顯示器，用來對經由噪聲檢測電路輸出后再控制器計算后的電壓、系統(tǒng)的停止或者播放等實時工作狀態(tài)以及音量自動調節(jié)等功能的顯示。該液晶顯示器的1號引腳與電源的接地端進行相連，2號引腳與+5V電壓進行連接，3號引腳是模塊顯示對比度控制引腳，而4～6號引腳則與控制器的P4.5～P4.7端口相連，7～14號引腳為顯示電路的雙向數據傳輸端，和控制器的P5端口相連，15、16號引腳為顯示電路背光燈電源的正負極接口。

4 系統(tǒng)軟件設計

智能廣播管控系統(tǒng)采用C語言編程語言來實現相關的控制功能，而為了方便系統(tǒng)的調試，并同時提升軟件的可移植特性，本次設計采用了模塊化的設計語言和結構，軟件系統(tǒng)的設計模塊和流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)的流程圖

從圖中可以清晰地看出，在該系統(tǒng)得電之后，會自動對系統(tǒng)程序進行寄存器與輸入輸出端口進行設定，在設定完成之后會進入主程序。系統(tǒng)首先會對按鍵電路的狀態(tài)進行檢測，并在此基礎之上對廣播音量的調節(jié)方式進行確定，在自動調節(jié)模式下，系統(tǒng)會依據對候車廳內噪聲的平均數值來切換分壓電阻，并同時對進行語音播放的電壓實施控制，以最終實現對廣播音量的智能化控制；在手動調節(jié)模式下，系統(tǒng)則會依據按鍵工作狀態(tài)來對語音的輸出音量進行控制。而無論是在那種工作模式下，顯示電路都會直觀、高效的對音量的調節(jié)方式以及廣播系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息等進行實時顯示。

5 仿真實驗

在對該系統(tǒng)進行仿真實驗時，使用ISD1760語音控制芯片首先錄制一段模擬語音，并通過電容式駐極體話筒MIC對候車廳內的噪聲進行采集，并將其輸入智能系統(tǒng)當中，在經過對噪聲的計算和分析之后，系統(tǒng)會利用切換分壓電阻阻值的大小來實現對廣播音量大小的控制[5]。在仿真實驗過程中，如果檢測到的噪聲值越小則表明系統(tǒng)控制廣播音量就越小，如果檢測到的噪聲值高則表明廣播控制的音量就越高，在此過程中還應注意始終保持廣播音量要高于候車廳內的噪聲。經過多次的實驗，最終對噪聲的大小、分壓電阻阻值、控制器P1.0、P1.1、P1.2輸出和輸入端口以及廣播音量之間的一一對應關系，其控制關系如表3所示。

表3 系統(tǒng)音量控制關系

6 結語

綜上所述，對于我國的高速鐵路系統(tǒng)來講，其在向著運行速度更高、車站建設更大的方向發(fā)展的同時，也應對車站使用過程中的廣播效果進行關注。鑒于在車站候車廳內存在著人聲、列車鳴笛聲等多種雜聲，會對廣播的傳播效果造成嚴重的影響，本文在分析車站噪聲的基礎之上，對智能化的車站廣播系統(tǒng)開展了設計，該系統(tǒng)具有結合場內噪聲大小來自動調節(jié)廣播音量的功能，能夠實現對廣播的智能化控制，雖說該系統(tǒng)目前還存在著很多的不足和缺陷，但經過不斷地優(yōu)化和完善，必將在未來就有廣闊的應用前景。