- 多通道揚聲器功率試驗系統的簡介
- 系統結構、硬件平臺
- 硬件由計算機、功率試驗儀和功放組成
- 軟件采用微軟公司的Vc6.0結合NI公司的Measurementstudio6.0聯合開發
傳統的揚聲器功率試驗系統，是按照國家標準GB9396-96，采用粉紅噪聲/白噪聲發生器、模擬節目信號計權網絡、帶通濾波器、功放和真有效值電壓表等一整套的獨立設備對揚聲器進行壽命試驗。采用上述的試驗方法，不僅使用設備數量多，造價高，而且不易對揚聲器的損壞過程進行有效的監測。企業針對一批揚聲器單元進行功率試驗時，為了提高工作效率，通常對多只揚聲器單元同時進行試驗（進行多通道試驗）。如果使用上述模擬設備進行多通道試驗，系統將會十分復雜，不僅操作過程復雜、容易出錯，而且也容易出現故障。
針對這種情況，研發一種性價比高、操作簡便、可靠性高且功能強大的多通道揚聲器功率試驗系統，將能夠廣泛的應用于國內各揚聲器生產企業，獲得顯著的經濟效益和社會效益。
多通道揚聲器功率試驗系統的簡介
多通道揚聲器功率試驗系統的主要功能是同時對多只揚聲器進行各種類型的功率試驗，這些試驗包括最大噪聲功率試驗、長期最大功率試驗、短期最大功率試驗、額定最大正弦功率試驗和最優功率標稱試驗，如配備高、低溫箱，則可進行高低溫貯存試驗。通過這些類型試驗獲得的參數，為標稱揚聲器的額定阻抗和額定功率提供了依據。
進行一次完整的功率試驗，用戶需要按照試驗步驟，依次設置許多參數，同時也要將多只揚聲器單元同系統正確連接。因此試驗系統要有良好的人機交互界面和人性化的操作方法，以方便用戶使用。系統進行長期最大功率試驗時，工作時間可達上百小時，因此系統自身的可靠性要高，能夠保證長期穩定的運行。
為了實現上述功能，需要構建一套以計算機為基礎的虛擬儀器。借助于計算機強大的處理功能和軟件的靈活性，不僅可以完成上述功能，還能夠保證系統日后便于升級和維護。虛擬儀器技術的應用使得多通道揚聲器功率試驗系統具有高性價比、易用性、可擴展性和高可靠性等諸多優點。
系統結構
虛擬儀器系統將計算機硬件資源、儀器硬件資源和軟件資源三者有機的結合起來，利用計算機強大的處理能力和軟件的靈活性，可以實現各種復雜的控制和分析功能，大大簡化了儀器硬件的結構，同時軟件可以對試驗數據進行分析、顯示和存儲，并且還可以將試驗的整個過程記錄下來，使用戶可以更加細致的掌握揚聲器的特性。而這些功能使用傳統的獨立儀器很難實現。
整套虛擬儀器系統由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件由計算機、功率試驗儀和功放組成，軟件采用微軟公司的Vc6.0結合NI公司的Measurementstudio6.0聯合開發。為了使系統具有優越的性能，硬件部分和軟件部分都經過精心設計，下面將分別針對硬件和軟件平臺的參數要求、框架結構和工作原理進行說明。
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硬件平臺
硬件平臺是依照國標GB/T9396-1996《揚聲器主要性能測試方法》中揚聲器功率試驗的測試原理進行設計的。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、AD/DA數據卡、功率試驗儀、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數據卡和功率試驗儀是系統的核心單元。在這里，AD/DA數據卡采用的是專業聲卡。之所以選擇專業聲卡，是出于以下幾點原因：
（1）相對于專業的數據采集卡（如NI、Adlink、Advantech等公司的系列產品），專業聲卡具有明顯的價格優勢。
（2）專業聲卡具備良好的性能參數，如頻響、失真和信噪比等指標都比較高，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）專業聲卡的驅動程序兼容性好，用戶十分容易在計算機上安裝成功。
（4）應用軟件通過統一的API接口函數對聲卡進行操作，當改變聲卡型號時，軟件幾乎不需做修改就可以正常運行。在本系統中，專業聲卡采用德國坦克公司的Phase22聲卡，該聲卡性能可靠，工作穩定，保證了系統的品質。此外需要強調的是，價格低廉的普通民用聲卡，由于性能指標不夠確定，不推薦應用于本測試系統中。
常見的專業聲卡一般只具備兩個輸入通道，兩個輸出通道，而功率試驗要求能夠同時對多個通道進行測試，故需要分配電路實現信號選擇;此外，專業聲卡的電壓工作范圍在1至2伏之間，揚聲器的實際工作電壓和工作電流有較大的變化范圍，因此需要進行電平變換才能和聲卡連接。綜合這些因素，需要一套獨立的功率試驗儀和聲卡相配合，才能完成測試功能。功率試驗儀內部由程控分配電路、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。整個硬件平臺結構如圖1所示。
圖1功率試驗系統硬件平臺
系統工作時，應用程序通過計算機控制專業聲卡發出測試信號，測試信號經過程控分配電路激勵多路功放，功放驅動揚聲器進行功率試驗。在圖1中，出于簡化，僅畫出了1路功放，實際工作時，系統最多允許連接4路功放。每路功放可同時連接兩組揚聲器，在功率試驗儀內部配置有對應的2只（每路有2只，4路有8只）低阻值參考電阻，串聯在揚聲器連接回路之中，根據電阻壓降可計算出揚聲器工作電流。揚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專業聲卡完成A/D變換，通過系統軟件分析得出揚聲器的阻抗，用于判斷出揚聲器的工作狀態。由于專業聲卡同時只能檢測2路信號，要進行多路試驗，必須采取循環掃描的工作方式，由硬件完成通道切換，逐個通道進行檢測。功率試驗儀的設計要確保良好的精度和可靠性，內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
系統軟件是使用微軟公司的Vc6.0結合NI公司的Measurementstudio6.0開發的。Vc6.0是開發通用windows應用軟件的成熟工具，在程序的界面設計、結構設計、硬件訪問和數據庫操作等方面均有著很強的靈活性。Measurementstudio6.0在虛擬儀器方面可以為Vc6.0提供強有力的支持，它提供了大量的庫函數和組件。通過調用庫函數，軟件可以方便的生成各種類型的測試信號，還可以對其進行各種濾波處理。由聲卡采集得到的測試信號，在庫函數的支持下，軟件便于對其進行各種深入的分析，可以獲得揚聲器的阻抗曲線、TS參數和音圈溫度等重要參數。此外，Measurementstudio6.0提供的組件還為程序的界面設計提供了極大方便，包括各種類型的旋鈕、開關、圖表和滑動條等等。應用這些組件，可以開發出非常專業的儀器界面，容易滿足用戶的操作習慣。使用Vc6.0結合Measurementstudio6.0開發軟件，可做到優勢互補，大大降低了軟件的開發難度和周期，是一種理想的虛擬儀器軟件設計方案。
系統軟件采用模塊化設計方法，整個系統包含中心管理模塊、測試步驟生成模塊、聲卡控制模塊、信號發生模塊、揚聲器模型分析模塊、硬件端口控制模塊、數據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，軟件運行時從該模塊進入，其它功能模塊均在該模塊的管理下，協調一致的工作。各功能模塊均有標準的數據接口，統一經過中心控制模塊完成數據交換，彼此之間不獨自發生聯系，因此可以保證模塊的獨立性，為程序的維護和升級建立了良好基礎。各個模塊完成的功能如下所述：
1）中心管理模塊：為整個系統軟件的入口和出口，同時對整個系統實施管理和調度。它調用其它各個模塊，使它們相互配合，協調一致的工作。
2）測試步驟生成模塊：將用戶的輸入指令和要求轉換成一系列容易執行的試驗步驟。功率試驗的過程較為復雜，但是這一復雜過程可分解成多個簡單、具體且容易執行的步驟。
3）聲卡控制模塊：負責控制聲卡發出音頻測試信號，同時錄制輸入信號并送回軟件。
4）信號發生模塊：根據試驗要求產生各種測試信號，包括各種頻段的白噪聲、粉紅噪聲、模擬節目信號，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等等標準信號。
5）揚聲器模型分析模塊：根據揚聲器工作電壓和電流分析其阻抗曲線、TS參數和音圈溫度等參數，用于判斷揚聲器的狀態。
6）硬件端口控制模塊：控制功率試驗儀內部各個功能模塊的工作狀態，從而完成硬件參數的設置。
7）數據庫管理模塊：將試驗過程的大量測量數據和試驗結果存入數據庫，或從數據庫讀取。
8）界面管理模塊：試驗過程中，大量測量數據被不斷送往該模塊，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化成相應的試驗步驟，并按試驗步驟控制各模塊啟動功率試驗，接著對各個通道的揚聲器狀態采取循環掃描的方式進行監測和分析，并將分析結果不斷送往界面顯示，然后繼續進行試驗直至結束為止，最后按照用戶的要求將試驗結果保存或者生成報表打印出來。
注意事項
功率試驗系統的硬件和軟件在研發過程中還要注意以下事項：
圖2功率試驗系統軟件結構
1）功率試驗儀內部要求具備充分、合理的保護電路，以確保系統有高的可靠性。試驗儀內部針對聲卡要有電壓校準電路，用來消除不同聲卡電壓靈敏度的差異，以保證試驗儀的一致性。
2）功率試驗系統每次試驗運行最長可達上百小時，處理的數據量十分巨大，需要有很高的穩定性。因此要求軟件程序代碼具備高的編寫質量，以防止系統長時間運行之后出現崩潰的故障。程序代碼編寫過程中，對于內存的操作要嚴格、規范，對于運行時可能出現的異常情況要有應對措施，總之要嚴格遵循軟件工程的要求編寫代碼。
7結論
系統研發成功以后，曾在多家企業進行推廣使用。在推廣過程中，通過不斷的升級換代，最終使系統達到了多數用戶的要求。通過企業使用的反饋信息可知，該系統具備操作簡便、功能強大、測量數據準確、可靠性良好、工作效率高等優點，完全可以替代傳統的功率試驗系統。
本系統的創新之處在于：系統將計算機、通道少的聲卡、功率試驗儀和軟件四者結合起來，運用虛擬儀器技術進行多通道揚聲器功率試驗，用較低的成本實現了較強的功能，是對傳統功率試驗方法的一種升級。
