- 多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)的簡介
- 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件平臺(tái)
- 硬件由計(jì)算機(jī)、功率試驗(yàn)儀和功放組成
- 軟件采用微軟公司的Vc6.0結(jié)合NI公司的Measurementstudio6.0聯(lián)合開發(fā)
傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)，是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB9396-96，采用粉紅噪聲/白噪聲發(fā)生器、模擬節(jié)目信號(hào)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、帶通濾波器、功放和真有效值電壓表等一整套的獨(dú)立設(shè)備對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行壽命試驗(yàn)。采用上述的試驗(yàn)方法，不僅使用設(shè)備數(shù)量多，造價(jià)高，而且不易對(duì)揚(yáng)聲器的損壞過程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。企業(yè)針對(duì)一批揚(yáng)聲器單元進(jìn)行功率試驗(yàn)時(shí)，為了提高工作效率，通常對(duì)多只揚(yáng)聲器單元同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)（進(jìn)行多通道試驗(yàn)）。如果使用上述模擬設(shè)備進(jìn)行多通道試驗(yàn)，系統(tǒng)將會(huì)十分復(fù)雜，不僅操作過程復(fù)雜、容易出錯(cuò)，而且也容易出現(xiàn)故障。
針對(duì)這種情況，研發(fā)一種性價(jià)比高、操作簡便、可靠性高且功能強(qiáng)大的多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)，將能夠廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)各揚(yáng)聲器生產(chǎn)企業(yè)，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)的簡介
多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是同時(shí)對(duì)多只揚(yáng)聲器進(jìn)行各種類型的功率試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括最大噪聲功率試驗(yàn)、長期最大功率試驗(yàn)、短期最大功率試驗(yàn)、額定最大正弦功率試驗(yàn)和最優(yōu)功率標(biāo)稱試驗(yàn)，如配備高、低溫箱，則可進(jìn)行高低溫貯存試驗(yàn)。通過這些類型試驗(yàn)獲得的參數(shù)，為標(biāo)稱揚(yáng)聲器的額定阻抗和額定功率提供了依據(jù)。
進(jìn)行一次完整的功率試驗(yàn)，用戶需要按照試驗(yàn)步驟，依次設(shè)置許多參數(shù)，同時(shí)也要將多只揚(yáng)聲器單元同系統(tǒng)正確連接。因此試驗(yàn)系統(tǒng)要有良好的人機(jī)交互界面和人性化的操作方法，以方便用戶使用。系統(tǒng)進(jìn)行長期最大功率試驗(yàn)時(shí)，工作時(shí)間可達(dá)上百小時(shí)，因此系統(tǒng)自身的可靠性要高，能夠保證長期穩(wěn)定的運(yùn)行。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要構(gòu)建一套以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器。借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能和軟件的靈活性，不僅可以完成上述功能，還能夠保證系統(tǒng)日后便于升級(jí)和維護(hù)。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用使得多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)具有高性價(jià)比、易用性、可擴(kuò)展性和高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
虛擬儀器系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器硬件資源和軟件資源三者有機(jī)的結(jié)合起來，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力和軟件的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和分析功能，大大簡化了儀器硬件的結(jié)構(gòu)，同時(shí)軟件可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)，并且還可以將試驗(yàn)的整個(gè)過程記錄下來，使用戶可以更加細(xì)致的掌握揚(yáng)聲器的特性。而這些功能使用傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器很難實(shí)現(xiàn)。
整套虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件由計(jì)算機(jī)、功率試驗(yàn)儀和功放組成，軟件采用微軟公司的Vc6.0結(jié)合NI公司的Measurementstudio6.0聯(lián)合開發(fā)。為了使系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，硬件部分和軟件部分都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，下面將分別針對(duì)硬件和軟件平臺(tái)的參數(shù)要求、框架結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行說明。
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硬件平臺(tái)
硬件平臺(tái)是依照國標(biāo)GB/T9396-1996《揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》中揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)的測(cè)試原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。按照上述測(cè)試原理，虛擬儀器的硬件平臺(tái)包含如下單元：計(jì)算機(jī)、AD/DA數(shù)據(jù)卡、功率試驗(yàn)儀、功率放大器及若干連接線材。
在虛擬儀器的硬件平臺(tái)中，AD/DA數(shù)據(jù)卡和功率試驗(yàn)儀是系統(tǒng)的核心單元。在這里，AD/DA數(shù)據(jù)卡采用的是專業(yè)聲卡。之所以選擇專業(yè)聲卡，是出于以下幾點(diǎn)原因：
（1）相對(duì)于專業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡（如NI、Adlink、Advantech等公司的系列產(chǎn)品），專業(yè)聲卡具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
（2）專業(yè)聲卡具備良好的性能參數(shù)，如頻響、失真和信噪比等指標(biāo)都比較高，很多型號(hào)還具備96KHz采樣頻率、24位精度的性能，完全可以滿足20Hz至20KHz頻率之間的音頻測(cè)試要求。
（3）專業(yè)聲卡的驅(qū)動(dòng)程序兼容性好，用戶十分容易在計(jì)算機(jī)上安裝成功。
（4）應(yīng)用軟件通過統(tǒng)一的API接口函數(shù)對(duì)聲卡進(jìn)行操作，當(dāng)改變聲卡型號(hào)時(shí)，軟件幾乎不需做修改就可以正常運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，專業(yè)聲卡采用德國坦克公司的Phase22聲卡，該聲卡性能可靠，工作穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的品質(zhì)。此外需要強(qiáng)調(diào)的是，價(jià)格低廉的普通民用聲卡，由于性能指標(biāo)不夠確定，不推薦應(yīng)用于本測(cè)試系統(tǒng)中。
常見的專業(yè)聲卡一般只具備兩個(gè)輸入通道，兩個(gè)輸出通道，而功率試驗(yàn)要求能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，故需要分配電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇;此外，專業(yè)聲卡的電壓工作范圍在1至2伏之間，揚(yáng)聲器的實(shí)際工作電壓和工作電流有較大的變化范圍，因此需要進(jìn)行電平變換才能和聲卡連接。綜合這些因素，需要一套獨(dú)立的功率試驗(yàn)儀和聲卡相配合，才能完成測(cè)試功能。功率試驗(yàn)儀內(nèi)部由程控分配電路、程控衰減器、程控放大器、通訊端口、電源電路和接線端子等部分組成。整個(gè)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1功率試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)
系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)用程序通過計(jì)算機(jī)控制專業(yè)聲卡發(fā)出測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過程控分配電路激勵(lì)多路功放，功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率試驗(yàn)。在圖1中，出于簡化，僅畫出了1路功放，實(shí)際工作時(shí)，系統(tǒng)最多允許連接4路功放。每路功放可同時(shí)連接兩組揚(yáng)聲器，在功率試驗(yàn)儀內(nèi)部配置有對(duì)應(yīng)的2只（每路有2只，4路有8只）低阻值參考電阻，串聯(lián)在揚(yáng)聲器連接回路之中，根據(jù)電阻壓降可計(jì)算出揚(yáng)聲器工作電流。揚(yáng)聲器的工作電壓和電流分別通過程控衰減器和程控放大器經(jīng)專業(yè)聲卡完成A/D變換，通過系統(tǒng)軟件分析得出揚(yáng)聲器的阻抗，用于判斷出揚(yáng)聲器的工作狀態(tài)。由于專業(yè)聲卡同時(shí)只能檢測(cè)2路信號(hào)，要進(jìn)行多路試驗(yàn)，必須采取循環(huán)掃描的工作方式，由硬件完成通道切換，逐個(gè)通道進(jìn)行檢測(cè)。功率試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)要確保良好的精度和可靠性，內(nèi)部硬件連線和布局要合理，以盡可能降低干擾，參考電阻的電壓較低，應(yīng)采用差動(dòng)放大器放大，以提高共模抑制比。此外，程控衰減器和放大器均要經(jīng)過限幅電路再和聲卡連接，以防損壞聲卡。
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軟件部分
系統(tǒng)軟件是使用微軟公司的Vc6.0結(jié)合NI公司的Measurementstudio6.0開發(fā)的。Vc6.0是開發(fā)通用windows應(yīng)用軟件的成熟工具，在程序的界面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件訪問和數(shù)據(jù)庫操作等方面均有著很強(qiáng)的靈活性。Measurementstudio6.0在虛擬儀器方面可以為Vc6.0提供強(qiáng)有力的支持，它提供了大量的庫函數(shù)和組件。通過調(diào)用庫函數(shù)，軟件可以方便的生成各種類型的測(cè)試信號(hào)，還可以對(duì)其進(jìn)行各種濾波處理。由聲卡采集得到的測(cè)試信號(hào)，在庫函數(shù)的支持下，軟件便于對(duì)其進(jìn)行各種深入的分析，可以獲得揚(yáng)聲器的阻抗曲線、TS參數(shù)和音圈溫度等重要參數(shù)。此外，Measurementstudio6.0提供的組件還為程序的界面設(shè)計(jì)提供了極大方便，包括各種類型的旋鈕、開關(guān)、圖表和滑動(dòng)條等等。應(yīng)用這些組件，可以開發(fā)出非常專業(yè)的儀器界面，容易滿足用戶的操作習(xí)慣。使用Vc6.0結(jié)合Measurementstudio6.0開發(fā)軟件，可做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大降低了軟件的開發(fā)難度和周期，是一種理想的虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)方案。
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)包含中心管理模塊、測(cè)試步驟生成模塊、聲卡控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、揚(yáng)聲器模型分析模塊、硬件端口控制模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和界面管理模塊等等。其中中心管理模塊為核心部分，軟件運(yùn)行時(shí)從該模塊進(jìn)入，其它功能模塊均在該模塊的管理下，協(xié)調(diào)一致的工作。各功能模塊均有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)一經(jīng)過中心控制模塊完成數(shù)據(jù)交換，彼此之間不獨(dú)自發(fā)生聯(lián)系，因此可以保證模塊的獨(dú)立性，為程序的維護(hù)和升級(jí)建立了良好基礎(chǔ)。各個(gè)模塊完成的功能如下所述：
1）中心管理模塊：為整個(gè)系統(tǒng)軟件的入口和出口，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施管理和調(diào)度。它調(diào)用其它各個(gè)模塊，使它們相互配合，協(xié)調(diào)一致的工作。
2）測(cè)試步驟生成模塊：將用戶的輸入指令和要求轉(zhuǎn)換成一系列容易執(zhí)行的試驗(yàn)步驟。功率試驗(yàn)的過程較為復(fù)雜，但是這一復(fù)雜過程可分解成多個(gè)簡單、具體且容易執(zhí)行的步驟。
3）聲卡控制模塊：負(fù)責(zé)控制聲卡發(fā)出音頻測(cè)試信號(hào)，同時(shí)錄制輸入信號(hào)并送回軟件。
4）信號(hào)發(fā)生模塊：根據(jù)試驗(yàn)要求產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)，包括各種頻段的白噪聲、粉紅噪聲、模擬節(jié)目信號(hào)，以及各種頻率的正弦波、鋸齒波，各種頻率和占空比的方波、三角波及IEC、EIA、DIN等等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
5）揚(yáng)聲器模型分析模塊：根據(jù)揚(yáng)聲器工作電壓和電流分析其阻抗曲線、TS參數(shù)和音圈溫度等參數(shù)，用于判斷揚(yáng)聲器的狀態(tài)。
6）硬件端口控制模塊：控制功率試驗(yàn)儀內(nèi)部各個(gè)功能模塊的工作狀態(tài)，從而完成硬件參數(shù)的設(shè)置。
7）數(shù)據(jù)庫管理模塊：將試驗(yàn)過程的大量測(cè)量數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，或從數(shù)據(jù)庫讀取。
8）界面管理模塊：試驗(yàn)過程中，大量測(cè)量數(shù)據(jù)被不斷送往該模塊，并由該模塊在界面顯示。
各個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。軟件啟動(dòng)后，中心管理模塊首先將用戶的指令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的試驗(yàn)步驟，并按試驗(yàn)步驟控制各模塊啟動(dòng)功率試驗(yàn)，接著對(duì)各個(gè)通道的揚(yáng)聲器狀態(tài)采取循環(huán)掃描的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并將分析結(jié)果不斷送往界面顯示，然后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)直至結(jié)束為止，最后按照用戶的要求將試驗(yàn)結(jié)果保存或者生成報(bào)表打印出來。
注意事項(xiàng)
功率試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件在研發(fā)過程中還要注意以下事項(xiàng)：
圖2功率試驗(yàn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
1）功率試驗(yàn)儀內(nèi)部要求具備充分、合理的保護(hù)電路，以確保系統(tǒng)有高的可靠性。試驗(yàn)儀內(nèi)部針對(duì)聲卡要有電壓校準(zhǔn)電路，用來消除不同聲卡電壓靈敏度的差異，以保證試驗(yàn)儀的一致性。
2）功率試驗(yàn)系統(tǒng)每次試驗(yàn)運(yùn)行最長可達(dá)上百小時(shí)，處理的數(shù)據(jù)量十分巨大，需要有很高的穩(wěn)定性。因此要求軟件程序代碼具備高的編寫質(zhì)量，以防止系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行之后出現(xiàn)崩潰的故障。程序代碼編寫過程中，對(duì)于內(nèi)存的操作要嚴(yán)格、規(guī)范，對(duì)于運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的異常情況要有應(yīng)對(duì)措施，總之要嚴(yán)格遵循軟件工程的要求編寫代碼。
7結(jié)論
系統(tǒng)研發(fā)成功以后，曾在多家企業(yè)進(jìn)行推廣使用。在推廣過程中，通過不斷的升級(jí)換代，最終使系統(tǒng)達(dá)到了多數(shù)用戶的要求。通過企業(yè)使用的反饋信息可知，該系統(tǒng)具備操作簡便、功能強(qiáng)大、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性良好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代傳統(tǒng)的功率試驗(yàn)系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、通道少的聲卡、功率試驗(yàn)儀和軟件四者結(jié)合起來，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)，用較低的成本實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的功能，是對(duì)傳統(tǒng)功率試驗(yàn)方法的一種升級(jí)。
