- 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
- 硬件由計算機(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)目信號計權(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,造價高,而且不易對揚(yáng)聲器的損壞過程進(jìn)行有效的監(jiān)測。企業(yè)針對一批揚(yáng)聲器單元進(jìn)行功率試驗(yàn)時,為了提高工作效率,通常對多只揚(yáng)聲器單元同時進(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)將會十分復(fù)雜,不僅操作過程復(fù)雜、容易出錯,而且也容易出現(xiàn)故障。
針對這種情況,研發(fā)一種性價比高、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)的主要功能是同時對多只揚(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,工作時間可達(dá)上百小時,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)建一套以計算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器。借助于計算機(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),同時軟件可以對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲,并且還可以將試驗(yàn)的整個過程記錄下來,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,下面將分別針對硬件和軟件平臺的參數(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
硬件平臺是依照國標(biāo)GB/T9396-1996《揚(yáng)聲器主要性能測試方法》中揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)的測試原理進(jìn)行設(shè)計的。按照上述測試原理,虛擬儀器的硬件平臺包含如下單元:計算機(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)聲卡具有明顯的價格優(yōu)勢。
(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頻率之間的音頻測試要求。
(3)專業(yè)聲卡的驅(qū)動程序兼容性好,用戶十分容易在計算機(jī)上安裝成功。
(4)應(yīng)用軟件通過統(tǒng)一的API接口函數(shù)對聲卡進(jìn)行操作,當(dāng)改變聲卡型號時,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)用于本測試系統(tǒng)中。
常見的專業(yè)聲卡一般只具備兩個輸入通道,兩個輸出通道,而功率試驗(yàn)要求能夠同時對多個通道進(jìn)行測試,故需要分配電路實(shí)現(xiàn)信號選擇;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。整個硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1功率試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺
系統(tǒng)工作時,應(yīng)用程序通過計算機(jī)控制專業(yè)聲卡發(fā)出測試信號,測試信號經(jīng)過程控分配電路激勵多路功放,功放驅(qū)動揚(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,系統(tǒng)最多允許連接4路功放。每路功放可同時連接兩組揚(yáng)聲器,在功率試驗(yàn)儀內(nèi)部配置有對應(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)聲卡同時只能檢測2路信號,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,逐個通道進(jìn)行檢測。功率試驗(yàn)儀的設(shè)計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、結(jié)構(gòu)設(shè)計、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試信號,還可以對其進(jìn)行各種濾波處理。由聲卡采集得到的測試信號,在庫函數(shù)的支持下,軟件便于對其進(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)計提供了極大方便,包括各種類型的旋鈕、開關(guān)、圖表和滑動條等等。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)計方案。
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法,整個系統(tǒng)包含中心管理模塊、測試步驟生成模塊、聲卡控制模塊、信號發(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)和升級建立了良好基礎(chǔ)。各個模塊完成的功能如下所述:
1)中心管理模塊:為整個系統(tǒng)軟件的入口和出口,同時對整個系統(tǒng)實(shí)施管理和調(diào)度。它調(diào)用其它各個模塊,使它們相互配合,協(xié)調(diào)一致的工作。
2)測試步驟生成模塊: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)出音頻測試信號,同時錄制輸入信號并送回軟件。
4)信號發(fā)生模塊:根據(jù)試驗(yàn)要求產(chǎn)生各種測試信號,包括各種頻段的白噪聲、粉紅噪聲、模擬節(jié)目信號,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。
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。
各個模塊之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。軟件啟動后,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功率試驗(yàn),接著對各個通道的揚(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)果保存或者生成報表打印出來。
注意事項
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:
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,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)長時間運(yùn)行之后出現(xiàn)崩潰的故障。程序代碼編寫過程中,對于內(nèi)存的操作要嚴(yán)格、規(guī)范,對于運(yùn)行時可能出現(xiàn)的異常情況要有應(yīng)對措施,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,是對傳統(tǒng)功率試驗(yàn)方法的一種升級。