Page 127 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 张梦玉等： 一种新型的电脑键盘按键声信号采集方法 447

1.2 键盘按键敲击方式优化 大的力，保证是电磁铁按下的过程，尽量减小电磁铁
本文采用半正弦波模拟信号作为驱动电磁铁 和按键键帽的撞击声。电磁铁在敲击键盘的过程的
敲击键盘按键的信号。电磁铁在半正弦波信号的驱 声信号主要包括两个部分，一是电磁铁以一定速度
动下敲击键盘按键，电磁铁的敲击力度与半正弦波 撞击到键盘之后和键盘帽之间的撞击声，二是电磁
驱动信号的变化趋势一致，敲击力度随着半正弦波 铁在按下键盘的过程中，键盘本身的弹性结构所产
信号电压的增加而增加，减小而减小，如图 2(a) 所 生的声音，前者并非我们需要的，后者才是我们需要
示。此种敲击方式，一方面模拟了人们实际使用键 分析和处理的。从图 2(b)也可以看出其中的声信号
盘按键的敲击过程，使得键盘按键在被敲击过程中 包括两部分，即电磁铁按下键盘按键和按键回弹过
所发出的声音更接近人们实际使用键盘按键时的 程中按键的弹性卡扣结构所产生的声音。
敲击声，增加了信号源的可靠性，并且这种敲击方式
2 强背景噪声下的微弱信号采集
不会由于电磁铁速度的突然归零，产生撞击声；另一
方面电磁铁的成本低，使用电磁铁代替低噪声马达
由于实际键盘生产线环境复杂，且有较强的背
大幅度降低了生产成本，有利于工业上的大规模使
景噪声，键盘按键的信号相对较为微弱，因此在强背
用。给电磁铁施加半正弦信号的目的之一是模拟人
景噪声下，设计一个好的信号采集系统保证键盘按
手敲击键盘按键的过程，并非以完全模仿人手敲击
键声信号采集的干净度是键盘按键检测准确、可靠
键盘的力度的时域变化情况，因为给电磁铁施加半
的前提。
正弦信号的另一目的是给电磁铁施加一个缓慢增
2.1 信号采集系统

1.0 在传统的键盘按键声信号采集过程中，传声器
距离待检测信号源的距离为 50 cm，但由于传统的
0.8
键盘按键异声检测过程在低噪声环境中进行，信号
U/V 0.6 采集不受环境噪声影响，若此种较长距离的信号采
0.4
集方法在自然环境下进行，信号采集精度将会受环
境噪声影响较大 [5−9] 。为提高信号在自然环境下的
0.2
采集精度和信号采集效率，本文设计了多通道键盘
0
0 50 100 150 200 250 按键声信号采集电路系统，该采集系统以单片机为
t/ms
核心，上位机通过串口与单片机通讯控制单片机程
(a) ӧ൤ऺฉ᯶үηՂ
序运行。在上位机的控制下，单片机执行已写入的
程序，其 DAC 口发出半正弦波信号，经过功率放大
1.5
器放大后驱动电磁铁敲击键盘按键，传声器采集键
1.0
盘按键的按键声，由于按键声信号较小，需要经过放
0.5
U/V 0 大电路放大后再进行信号分析。电路系统示意图如
图3所示。此电路系统由以单片机为主的数字部分、
-0.5
以功率放大器为主的功率部分、对外通讯部分和信
-1.0
号采集部分组成。为保证电路系统的可靠性，本文
-1.5
采用光隔离器 [10] 将此电路系统的每一部分隔离为
0 50 100 150 200 250
独立的一个子电路系统，以提高整个电路系统的抗
t/ms
(b) ᪄ᄨો᪄ܦฉॎڏ 干扰能力。本文分别采用 HCNR200、PVI1050N 和
图 2 驱动信号波形和采集信号波形 6N137 这 3 种光隔离器实现了功率部分与数字部分
Fig. 2 The wave form of driving signal and acqui- 的隔离和通讯部分与数字部分的隔离，保证了信号
sition signal 采集系统的稳定性。