專利名稱：使用低成本微控制器的信號識別方法
使用低成本微控制器的信號識別方法 發(fā)明的技術領域 本發(fā)明涉及一種通過使用低成本微控制器識別波形的方法。對于信號是時間有限的且周期性的情況，其具有很廣泛的應用范圍，，例如區(qū)分不 同類型的嬰兒啼哭聲，和機器的不同類型的日常工作等。發(fā)明的背景目前，識別波形的方法基于使用一種人們所知的數(shù)字信號處理器(或者DSP)的電 子裝置。這種類型的電子裝置的特征在于能夠提供較高的計算能力，但是這種電子裝置存在 具有相對較高的成本的缺點。這種電子裝置所具有的計算能力是通過快速傅立葉變換方法(FFT)實現(xiàn)傳統(tǒng)的信 號分析所需要的。這種方法，F(xiàn)FT，將信號由時域轉(zhuǎn)換到頻域，通過此種方法使在頻率范圍內(nèi)分析和 處理信號變得容易。在聲音信號處理領域具有很多的應用，如在音樂領域范圍和語音識別領域范圍，它 們均基于使用一種類型的數(shù)字信號處理器(DSP)或者其它產(chǎn)品。盡管這種類型的電子裝置帶來較高的成本，但在消費電子領域的那些設備里阻止它 們的使用，因為在消費電子領域里，成本是判斷一種具體的裝置的可行性的主要因素。發(fā)明概述本發(fā)明的目的是為了解決上述缺點，提供一種可以植入到低成本微控制器中的波形 識別方法。此方法允許在所有之前已被丟棄的消費電子裝置中使用。這種方法要求待處理的信號是時間有限的和重復性的。這種類型的信號具有很多例 子，如孩子的哭聲，狗的吠聲，機器的噪音，和由人類、動物或者物所制造的一般地重 復性的聲音。這種方法的獨特性在于并非基于在頻域內(nèi)分析信號，而是基于在時域內(nèi)分析信號。單獨地這種改變就消除了使用快速傅立葉變換的需求，因此消除了對使用數(shù)字信號處理 器的需求。本發(fā)明所述的方法消除了使用存儲在存儲器內(nèi)的，與待分析信號進行比較的樣本。 代之以通過模糊邏輯算法實現(xiàn)的識別過程。使用所述的算法允許吸收輸入信號中一定振幅的變化，這些振幅的變化否則會由于 沒有與之相匹配的樣本而被舍棄。然而，待分析信號必須具有小的動態(tài)門限，因此對正 在進行分析的信號的振幅的自動控制是根本。本發(fā)明所述的信號分析方法基于使用一個低成本的合并一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的微 控制器。當探測到周期信號開始時，開始采樣階段。轉(zhuǎn)換器允許以固定間隔對信號包絡幅值的值進行一系列的采樣。 雖然沒有進行信號的直接采樣，但是已在之前獲得了其包絡的波形。 鑒于將待處理信號轉(zhuǎn)換為從分析的角度而言相似的、且從分析的角度而言非常簡單的信號就可以了，這個區(qū)別是能夠使用對于計算能力沒有較高要求的裝置的關鍵。。 信號是重復性的事實允許僅在信號的一個重復周期期間從包絡采集信號。 第一個結(jié)果是降低了信號的速度。這涉及到了能夠應用低計算能力的微控制器的可能性。第二，發(fā)生與環(huán)境噪聲相關聯(lián)的高頻信號的自動濾波，所以，與傳統(tǒng)方法比較此方 法可以較強地抵制環(huán)境噪聲。第三，消除了關于信號的瞬時頻率的信息。這使得此方法不依賴于頻率。待分析信號的低頻段允許進行比奈奎斯特頻率的下限更多數(shù)量的采樣。為了能夠應用冗余比較方法，應該以奈奎斯特頻率的兩倍頻率進行許多采樣。這種待分析信號的過采樣允許以兩組采樣序列實現(xiàn)重復地分析。這種分析的重復性允許比較根據(jù)已分析的采樣序列得到的結(jié)果并應用不同的能夠 確保最終結(jié)果有效性的驗證算法。在依次連續(xù)的采樣序列中獲得的結(jié)果的冗余性允許忽略那些被脈沖型噪音影響的 信號。在這種方法被使用在便攜式裝置的情況下，需要考慮由于電池的耗用而帶來的對采 樣的影響。待分析的波形是基于使用該波形的時間參數(shù)的矩陣來表達其特性的。 微控制器完成一系列的基于已采樣信息的計算、校驗和根據(jù)校正誤差的計算，以獲 得如下參數(shù) 平均值； 均方根值； 工作周期； 一階導數(shù)； 二階導數(shù)； 最大值； 最小值。為了確定一個信號是否屬于一組參考信號，則將在從信號中獲得的元素和不同參考 矩陣的元素之間進行比較。為了將某一矩陣的歸屬性分配到一個參考組，后者必須說明超過某一指標的矩陣的 所有元素之間具有相關性。所述指標的值通過與其它參考矩陣相比計算出。指標沒有一個預設值的事實允許接收具有不同的外觀相似性的，但是矩陣的某些元 素之間彼此具有高的相似度的波形。例如，平均值可能與參考值完全不同，但是如果剩余的其它元素的值具有高度的相 關性，則識別是確定的。這種方法允許自動地校正由于在便攜式器件中電池的耗損而帶來的信號平均值的 減小。這里必須指出，對于每一個待分析信號僅使用很少數(shù)量的值(在本例中為7)，或 者換句話說，微處理器的RAM具有非常少的記錄。關于采樣，即微控制器的內(nèi)部RAM存儲器所允許的最大值(在本例中為64)，因 此關于存儲器容量的需求非常小。關于需求的計算能力，必須指出這里僅需要完成集成在最簡單的微控制器中的最基 本的計算操作(此例中8位的加法與減法的記錄，而且沒有乘法和除法運算需要完成)。因此，關于微處理器的計算能力的需求是非常小的。由于需要弱的計算能力和少量的RAM存儲器，因此可以采用市場上最小的，從而價格最低的微控制器。必須指出的是，整個處理的持續(xù)時間少于幾十分之一秒。 因此，從使用者的角度看，分析過程在瞬間發(fā)生。附圖的說明為了補充說明和能夠更好的理解本發(fā)明的特征，將一組附圖作為整體的一個部分放 入當前的說明中，如下圖中所示為說明性質(zhì)和非限制性的特征

圖1為處理信號的不同階段流程圖； 圖2為獲得包絡和對其數(shù)字化的過程。發(fā)明具體實施方式
本發(fā)明所述的方法在一個完成分析嬰兒哭聲的聲音信號的微控制器中實現(xiàn)。 集成了微控制器裝置是為照顧嬰兒的人可以方便攜帶此裝置而設計的。 此裝置應該放置在距離嬰兒嘴部介于20cm和lm之間的位置上。 此距離的極限值取決于完成自動電平控制的模塊的校準能力。 聲音信號的捕獲通過一個與增加被捕獲信號強度的前置放大器(2)相連的擴音器 (1)完成。因而提供了需要的信號(12)，所以自動電平控制模塊(3)可以將最佳的信號提供給包絡檢波器(4)。一旦獲取了信號包絡(13)，就應用一個獲取信號瞬時值(14)的采樣的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(5)。然后在微處理器(6)中對獲取的值與在參考矩陣(15)中存儲的那些值進行比較。 一旦對于某一參考組的信號的歸屬性被識別后，所述的信息將被顯示在液晶顯示屏 (7)中。如果對于任一組的歸屬性沒有被識別，則顯示一個在識別中錯誤消息。 作為一種補充功能，具有一個存儲器(8)，在存儲器(8)中記錄了適合每個識別 情況的建議。信號識別過程可以在任何時候，通過一個用戶控制按鈕(9)重新開始。 可以通過其它兩個按鈕，向前進按鈕(10)和向后退按鈕(11)實現(xiàn)在顯示器中顯 示的不同建議的向前進或者向后退。
權(quán)利要求
1. 一種使用低成本微控制器的信號識別方法，包括獲得包絡(13)，對信號振幅(14)的瞬時值進行采樣，其特征在于根據(jù)一些時間參數(shù)(3)和它們與不同參考矩陣(15)進行比較，可以使用一個低成本的微控制器識別它們與所述矩陣中的一個的歸屬性。
2、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于被比較的信號的參數(shù)包括信號本身的平均值、均方根值、工作周期、 一階導數(shù)、二階導數(shù)、最大值和最小值。
3、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于通過使用 自動音量調(diào)整器補償由于在便攜式裝置中所使用電池的耗損而引起的信號的各值的 改變。
4、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于使用一種 相對比較法，增加了命中指標。
5、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于通過一個 具有低存儲容量的微控制器使用信號的時間分析。
6、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于對輸入信 號進行自動電平控制，所以分析的結(jié)果事實上不依賴于聲音捕獲的距離。
7、 如權(quán)利要求1所述的使用低成本微控制器的信號識別方法，其特征在于采用一種 高速的信號鑒定方法，實時地顯示結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號識別方法，此信號是時間有限和周期性的，包括獲得包絡、對信號振幅的瞬時值進行采樣，鑒于所需要的計算能力是在最簡單的微控制器中能夠完成的基本的計算操作，該方法通過一些時間參數(shù)和它們與不同參考矩陣進行的比較，可以使用一個低成本的微控制器識別它們與所述矩陣中的一個的歸屬性。
文檔編號G10L11/00GK101258537SQ200580051525
公開日2008年9月3日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者加布里·龐斯·福亞那, 胡安·佩德羅·巴雷拉·巴奎茲, 路易斯·岡薩加·梅加·卡斯達尼 申請人:拜祿普技術有限公司