专利名称：一种基于无线网络的扬声器及声压检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于无线网络的扬声器及声压检测装置。
背景技术：
公知的扬声器检测或者音频系统检测装置，通常只检测到音频系统末级功率放大器的输出电流、电压，因而虽然做到了连续、实时的检测能力，并具有与音频系统集成的接口，但是最多能够检测扬声器的电路连接是否正常，并不能检测扬声器的实际声压输出。而公知的声压检测装置，通常采用人工单独检测、不连续，不具备网络连接能力，难于与整个首频系统集成。
随着无线物联网的高速发展，无线传感器在多个领域得到了大范围的推广和使用。无线传感器具有下面的特点:具有一个支持IEE802.15.4标准低速网络接口，一个与传感器配合工作的嵌入式处理器，小巧的体积和低廉的成本，极低的功耗。
在一个音频系统中，通常扬声器数量最多，而且分布广泛，极低成本和功耗的检测系统才能成功检测扬声器，并被用户接受。而只有能够连续、实时地检测到每一个扬声器单元的声压，才能够完整地检测一个音频系统的状态。
有鉴于此，如何利用无线传感器实现更全面、更直接的音频系统检测成为目前的发展方向之一。发明内容
本发明的目的在于提供基于无线网络的扬声器及声压检测装置。以解决现有技术中的扬声器检测系统检测能力不完备，声压检测装置集成困难的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案: 一种基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，包括: 一个或者多个扬声器检测单元、一个或者多个声压检测单元和声压检测控制器；所述声压检测控制器分别通过IEE802.15.4无线网络连接扬声器检测单元和声压检测单元；所述扬声器检测单元和声压检测单元获取声场声压并数字化后，通过IEE802.15.4无线网络分发实时的声压信息到所述声压检测控制器。
所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，所述扬声器检测单元包括嵌入式处理器、拾音器、超声波传感器和一支持IEE802.15.4标准无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器、超声波传感器和无线网络接口。
所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，所述扬声器检测单元设置在扬声器上，且电源端连接到扬声器的音频驱动线路上，用于通过所述音频驱动线路取电，并使用低漏电电容器存储电能。
所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，所述声压检测单元包括嵌入式处理器、拾音器和支持IEE802.15.4标准的无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器和无线网络接口。
所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，所述声压检测控制器包括:嵌入式处理器、至少一路音频输入接口和一路音频输出接口、支持IEE802.15.4标准的无线网络接口和第二网络接口 ；所述嵌入式处理器分别连接音频输入接口、音频输出接口、无线网络接口和第二网络接口。
所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其中，所述第二网络接口为WIFI网络接口或以太网络接口。
有益效果: 本发明的基于无线传感器的声压及扬声器检测装置，并采用基于IEE802.15.4的低速无线网络技术组成测量网络，因为IEE802.15.4低速网络成本低，功耗极低，因而扬声器检测单元可以内置于扬声器单元中。在每个局部区域设置一个声压检测控制器，该控制器提供了高速的以太网络或者WIFI网络，以及强大的处理能力，同时解决了无线传感器传输速度低，计算能力不足的问题。从而可实现大型音频系统的协调，以及高级复杂控制策略的实施。相较于传统技术，本发明具有更全面、更直接的音频系统检测能力，更强的灵活性，更多的功能，而具备类似的成本和体积。
图1为本发明基于无线网络的声压及扬声器检测装的系统连接图。
图2为本发明示例部分的音频系统空闲状态检测流程图。
图3为本发明示例部分的音频系统播音状态检测流程图。
图4为本发明示例部分的声压检测发送流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。
请参阅图1，其为本发明的基于无线网络的声压及扬声器检测装的系统连接图。如图所示，所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置包括: 一个或者多个扬声器检测单元100、一个或者多个声压检测单元200和声压检测控制器300 (图中扬声器检测单元100和一个或者多个声压检测单元200的个数仅仅是用来示意的)；所述声压检测控制器300分别通过IEE802.15.4无线网络连接扬声器检测单元100和声压检测单元200 ;所述扬声器检测单元100和声压检测单元200获取声场声压并数字化后，通过IEE802.15.4无线网络分发实时的声压信息到所述声压检测控制器300。
具体来说，在本发明的实施例中，所述无线网络为基于IEEE802.15.4标准的低速无线网络，与基于IEEE802.11标准的高速无线网络相比，它的功耗仅为后者的百分之一，成本仅为后者的十分之一。
所述扬声器检测单元100用于检测扬声器，在本发明的实施例中，其包括嵌入式处理器、拾音器、超声波传感器和一支持IEE802.15.4标准的无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器、超声波传感器和无线网络接口。所述声压检测单元200用于进行声压检测。在本实施例中，所述扬声器检测单元包括嵌入式处理器、拾音器、超声波传感器和一支持IEE802.15.4标准的无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器、超声波传感器和无线网络接口。扬声器检测单元100和声压检测单元200都可分为四种工作状态:省电模式，只有定时器工作，电流小于三微安；采集声压，启动ADC采集声压，电流小于五毫安；监听控制器，开启无线接收接口，查看是否声压检测控制器有命令或者配置下发，电流小于三十毫安；发送数据，将采集到的声压通过无线接口发送出去，电流小于四十毫安。(参考多家集成电路方案，取最大值)。为达到尽量减少检测单元的功耗，我们进行如下设计:使用声压检测控制器作为一个无线低速局域网络中的唯一 FFD (全功能设备)，同时也是协调器。所有的扬声器检测单元和声压检测单元，都是RFD (精简功能设备)，并通过星形拓扑连接到声压检测控制器。也就是说，所有的检测单元相互不能通讯，只能与声压检测控制器通讯，而本地的无线低速局域网络由声压检测控制器作为协调器统一管理信道。首先，声压检测控制器采用IEEE802.15.4的超级帧并使能信标，为保证低功耗和固定的时延，我们的超级帧没有CAP (竞争访问阶段)，只有CFP (固定时隙阶段)和INACTIVE(通讯休眠阶段)两个阶段。根据IEEE802.15.4，每个检测单元具有全球唯一的64位地址，这个地址由用户通过SDK配置到声压检测控制器。根据这个64位地址，声压检测控制器为其分配一个本地局域地址，并通过超级帧的信标部分通告检测单元。在CFP阶段，声压检测控制器为本地低速局域网络中的每个检测单元预留一个固定的时隙，在这个时隙中，对应的检测单元启动无线发射，将自己的声压数据发送给声压检测控制器。这样，所有检测单元只在自己的时隙，进入无线发射模式，发射完成后立刻关闭整个无线(包括接收)；除了在CFP阶段，其余阶段无线接口均处于关闭状态，保证了功耗最小。只有当采集间隔到达暂时进入采集模式，可以轻易做到，采集模式时间小于10% ；MCFP在超级帧中的时长比例则小于5%，这样检测单元的平均电流可以小于1mA，在通常的3.3V供电环境下，功率小于3.3mW。音频系统中的扬声器单元普遍功率大于3W，驱动电压峰值大于4.5V。因为要保证音频系统的实时检测，即使在没有音频播放时，仍然有间歇性测试正弦波驱动电流通过。而扬声器检测单元在没有音频或者测试激励通过扬声器期间，声压检测控制器调整超级帧中CFP和INACTIVE的比例，使得CFP占比更小，同时关闭检测单元的采集功能，使其长期处于省电模式，电流小于三微安。当有音频或者测试激励信号送入扬声器时，只需要一个普通的低漏电电容器存储电能，从驱动信号采集电能，就完全可以满足扬声器检测单元工作要求，因而无需额外的供电系统。这样，扬声器检测单元体积小巧，成本低廉，而且无需供电和数据传输的额外线路，完全可以在扬声器生产时内嵌入扬声器检测单元，用户安装和使用与传统扬声器完全一致，而成本相差也不明显。只要额外配置声压检测控制器后，可以快速得到一个实时完整的音频声压检测系统。声压检测单元则需要根据用户目标声场要求安装，无供电条件的可以采用普通电池供电；有条件的，室内可以使用就近取电，室外则可以采用太阳能电池板供电。由于声压检测单元只在系统播放音频时才进入工作状态，大量时间处于省电状态，电流小于3微安，其功耗要明显低于扬声器检测单元。即使使用普通电池供电，也可以工作很长时间。
所述声压检测控制器，该单元具有一个嵌入式处理器，至少一路音频输入和一路音频输出接口，一个支持IEE802.15.4标准的低速无线网络接口，一个以太网络或WIFI网络接口，使用AC220V交流供电。声压检测控制器作为区域声场的管理者，通过低速无线网络接口采集扬声器检测单元和声压检测单元的数据，判断音频系统状态，并根据用户设定进行自动调整。通过高速的以太网络接口，它还可以将这些数据进一步传递到声压检测系统SDK，供系统的高级监测或者控制软件使用；同时从声压检测系统SDK接收上层软件的控制指令，改变目标声场的设定参数。
所述声压检测控制器，具有扬声器检测功能，它具有一路音频输入，接收本地音频系统的音频，并具有音频检测能力。当本地音频系统处于空闲状态，即没有音频播放时，它自动产生一个28KHZ-40KHZ的正弦波信号，每隔指定时间间隔，通过音频输出接口经功率放大器，输出到扬声器单兀。扬声器检测单兀通过超声波传感器检测扬声器输出声压，并将数据传送到声压检测控制器。当系统进行音频播放时，声压检测控制器激活所有扬声器检测单元和声压检测单元，检测各点的声压。这样，既不影响用户正常使用，我们也保证了对整个音频系统的完整、连续和实时检测；而扬声器检测单元和声压检测单元，在没有音频时都完全处于休眠状态，也极大地节约了能源。
为了方便普通用户的使用，所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置还包括:一安装有声压检测系统SDK的后台服务器；所述后台服务器通过第二网络接口连接声压检测控制器。其中，声压检测系统SDK提供基于C、C++、JAVA语言的API函数库，用来读取声压检测控制器的实时数据，也可以配置声压检测控制器的参数，以便完成对声场的调整。可安装在普通个人计算机或者智能设备中，便于第三方构建自己特色的音频系统。
本发明还提供了一个较佳的实施例，在本实施例中: 扬声器检测单元采用美国TI半导体的CC2530F256作为嵌入式处理器，一个40Khz的超声波传感器，一个普通音频拾音头。
声压检测单元采用美国TI半导体的CC2530F256作为嵌入式处理器，一个普通音步页拾首头。
声压检测控制器采用NXP半导体的LPC1758作为主控处理器，通过UART接口连接到一个CC2530F256的无线处理器，通过RMII接口外接一片LAN8720A作为以太网络接口。通过I2S接口连接一片PCM3000实现音频输入数字化，和数字音频模拟化。声压检测控制器作为低速网络PAN(个人局域网络)中的唯一一个FFD，充当PAN的协调器，所有检测单元通过星形拓扑连接到声压检测控制器。也即，检测单元相互之间不能通讯，检测单元只与声压检测控制器进行通讯。并采用有信标的IEEE802.15.4超级帧，进行通讯管理。
在有音频播放或者处理扬声器激励信号测试期间，采用125ms的超级帧长度，因为我们的数据量很小，我们制定的每个数据包长度都低于20字节，所以规定每个GTS时间片长度小于25个字节传输时间，即250KB传输速度下时长小于0.8毫秒，也即CFP阶段时间长度等于: T⑩=Nmqds *0.8毫秒，剩余时间为INACTIVE阶段，并且，因为我们没有CAP阶段，我们将IEEE802.15.4的GTS槽位的限制从原来的7个加大到24个。在没有音频播放和扬声器激励信号时，采用I秒钟的超级帧长度，进一步降低了检测单元的功耗。
请继续参阅图2、图3和图4，声压检测控制器具有两种方式判定本地音频系统是否空闲。一是通过PCM3000实时采集本地音频输入接口的音频，当检测到的音频数据能量密度低于设定值时，认为本地音频系统处于空闲状态；二是通过以太网络接口从声压系统检测SDK接收上级音频系统的管理指令，当接收到进入空闲状态的指令时，认为本地音频系统处于空闲状态。本地音频系统进入空闲状态后，声压检测控制器指定所属的声压检测单元进入采集停止状态，以进一部节约能源；指定所属的扬声器检测单元进入超声波检测状态，从超声波传感器对应的AD端口采集声压。声压检测控制器每隔I小时(用户可设定)发送5秒钟40KHZ正弦波音频，即将自己内部生成的40KHZ正弦波音频数据发送到PCM3000，从而在音频输出端口产生一个40KHZ的正弦波信号，经本地音频系统传递到扬声器单元。并在激励信号发出的第一个I秒钟超级帧信标中，设定扬声器检测单元进入超音波采集工作状态，同时告知下一个超级帧的时长改为125ms，直到激励信号结束。当声压检测控制器检测到本地音频输入接口的音频数据能量密度大于设定值或者接收到上级音频系统进入工作状态的指令时，本地音频系统进入工作状态。声压检测控制器立即停止40KHZ正弦波音频数据的发送，将本地音频输入接口的音频接入本地音频输出接口 ；然后在之后的第一个到达的I秒钟超级帧信标中，设定检测单元进入音频采集工作状态，同时告知下一个超级帧的时长改为125ms，直到激励信号结束。CC2530具有8通道12BIT的AD转换器，我们采用8BIT，8Khz的采样速度，也就是使用定时中断，每隔125微秒启动AD转换器，等待AD转换完成，在AD转换的中断中读取8BIT的音频拾取电信号。这样然后依据IEC61672:2003的定义计算连续声压(时间平均值)，如下式:
Zj4r = 20ig|^gs(i)2/P0J，$ 表示 IEC61672 基准声压。为了获取较快的系统响应速度，我们同时计算时间常数为125ms的快速连续声压，也即计算1000个采样值的平均声压；和时间常数为I秒钟的慢速连续声压，也即8000个采样值的平均声压。并可由用户设定，按照人耳对声音频率的敏感程度曲线进行调整，支持C权重曲线、A权重曲线以及Z权重曲线(不调整)三种，默认采用Z权重曲线补偿，受限于CC2530的计算能力，权重调整在声压检测控制器中进行。在收到声压检测控制器的启动采集指令后，所有的检测单元开始进行声压的采集和计算。每隔125ms时间间隔，声压检测控制器发送一个超级帧，在超级帧的CFP阶段，每个检测单元都有一个对应的时间片。在这个时间片，扬声器检测单元或者声压检测单元，将快速连续声压值和慢速连续声压值通过CC2530的2.4G无线通讯接口报告到声压检测控制器。在这个超级帧的INCATIVE阶段，所有检测单元关闭无线通讯接口以节约电能。CC2530内置2.4G无线收发器，支持IEEE802.15.4无线网络标准，具有256KBFLASH, 8KB内存。我们选择C0NTIKI嵌入式操作系统作为嵌入式系统，使用上述超级帧管理方式进行通讯管理。这样，一方面满足了检测单元的功耗最低，另外一方面也保证了检测的时延较小，实时性很高。
声压检测控制器采用的LPC1758运行在80MHZ，是一个32位的C0RTEX-M3类型的RISC处理器，具有强大的处理能力。它通过UART接口与一个内嵌CC2530的无线通信模块进行数据交换，从扬声器检测单元或者声压检测单元发送的数据通过CC2530接收，然后通过CC2530的串口送达LPC1758 ;而LPC1758的控制命令则通过串口发送到CC2530，并通过CC2530发送给指定的扬声器检测单元或者声压检测单元。
在声压检测系统标定期，声压检测控制器由用户在背景声压较小的环境条件下，播放多段标准音频。声压检测控制器根据本地音频输入数据和扬声器检测单元及声压检测单元的相关性，如下式:
权利要求
1.一种基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，包括: 一个或者多个扬声器检测单元、一个或者多个声压检测单元和声压检测控制器；所述声压检测控制器分别通过无线网络连接扬声器检测单元和声压检测单元；所述扬声器检测单元和声压检测单元获取声场声压并数字化后，通过无线网络分发实时的声压信息到所述声压检测控制器。
2.根据权利要求1所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，所述扬声器检测单兀包括嵌入式处理器、拾音器、超声波传感器和一支持IEE802.15.4标准的无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器、超声波传感器和无线网络接口。
3.根据权利要求1所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，所述扬声器检测单元设置在扬声器上，且电源端连接到扬声器的音频驱动线路上，用于通过所述音频驱动线路取电，并使用低漏电电容器存储电能。
4.根据权利要求1所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，所述声压检测单元包括嵌入式处理器、拾音器和支持IEE802.15.4标准的无线网络接口 ；所述嵌入式处理器连接拾音器和无线网络接口。
5.根据权利要求1所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，所述声压检测控制器包括:嵌入式处理器、至少一路音频输入接口和一路音频输出接口、支持IEE802.15.4标准的无线网络接口和第二网络接口 ；所述嵌入式处理器分别连接音频输入接口、音频输出接口、无线网络接口和第二网络接口。
6.根据权利要求5所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，所述第二网络接口为WIFI网络接口或以太网络接口。
7.根据权利要求5所述基于无线网络的扬声器及声压检测装置，其特征在于，还包括:一安装有声压检测系统SDK的后台服务器；所述后台服务器通过第二网络接口连接声压检测控制器。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线网络的扬声器及声压检测装置，包括一个或者多个扬声器检测单元、一个或者多个声压检测单元和声压检测控制器；所述声压检测控制器分别通过无线网络连接扬声器检测单元和声压检测单元；所述扬声器检测单元和声压检测单元获取声场声压并数字化后，通过无线网络分发实时的声压信息到所述声压检测控制器。本发明由于使用嵌入式处理器将声压信号从模拟转变为数字信号，并通过无线网络传送到区域中心，从而为音频系统提供了实时、分布的声压检测能力，从而可以实现更加灵活、功能更强、可靠性更高，管理更简单的音频系统，在中大型音频系统中尤其显著。
文档编号H04R29/00GK103152687SQ20131008793
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者张巍 申请人:张巍