基于虚拟仪器的扬声器功率试验系统设计

1 引言
　　对扬声器进行功率试验，是电声企业在研发和生产扬声器产品的过程中，*的重要测试环节。按照和国家标准规定，在进行扬声器、号筒扬声器和头戴耳机等电声器件定型检验和例行检验时必须进行功率试验。在描述扬声器性能的诸多技术参数中，额定功率和阻抗是zui基本的两个参数。通过功率试验测得的输入电压和输入电功率是判断电声器件能否正常使用的必要参数。这些参数决定了扬声器的额定功率和使用寿命。
　　传统的扬声器功率试验系统，是按照国家标准GB9396-96，采用粉红噪声/白噪声发生器、模拟节目信号计权网络、带通滤波器、功放和真有效值电压表等一整套的独立设备对扬声器进行寿命试验。采用上述的试验方法，不仅使用设备数量多，造价高，而且不易对扬声器的损坏过程进行有效的监测。企业针对一批扬声器单元进行功率试验时，为了提高工作效率，通常对多只扬声器单元同时进行试验（进行多通道试验）。如果使用上述模拟设备进行多通道试验，系统将会十分复杂，不仅操作过程复杂、容易出错，而且也容易出现故障。
　　针对这种情况，研发一种性价比高、操作简便、可靠性高且功能强大的多通道扬声器功率试验系统，将能够广泛的应用于国内各扬声器生产企业，获得显著的经济效益和社会效益。
2 多通道扬声器功率试验系统的简介
　　多通道扬声器功率试验系统的主要功能是同时对多只扬声器进行各种类型的功率试验，这些试验包括zui大噪声功率试验、长期zui大功率试验、短期zui大功率试验、额定zui大正弦功率试验和*功率标称试验，如配备高、低温箱，则可进行高低温贮存试验。通过这些类型试验获得的参数，为标称扬声器的额定阻抗和额定功率提供了依据。
　　进行一次完整的功率试验，用户需要按照试验步骤，依次设置许多参数，同时也要将多只扬声器单元同系统正确连接。因此试验系统要有良好的人机交互界面和人性化的操作方法，以方便用户使用。系统进行长期zui大功率试验时，工作时间可达上百小时，因此系统自身的可靠性要高，能够保证长期稳定的运行。
　　为了实现上述功能，需要构建一套以计算机为基础的虚拟仪器。借助于计算机强大的处理功能和软件的灵活性，不仅可以完成上述功能，还能够保证系统日后便于升级和维护。虚拟仪器技术的应用使得多通道扬声器功率试验系统具有高性价比、易用性、可扩展性和高可靠性等诸多优点。
3 系统结构
　　虚拟仪器系统将计算机硬件资源、仪器硬件资源和软件资源三者有机的结合起来，利用计算机强大的处理能力和软件的灵活性，可以实现各种复杂的控制和分析功能，大大简化了仪器硬件的结构，同时软件可以对试验数据进行分析、显示和存储，并且还可以将试验的整个过程记录下来，使用户可以更加细致的掌握扬声器的特性。而这些功能使用传统的独立仪器很难实现。
　　整套虚拟仪器系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件由计算机、功率试验仪和功放组成，软件采用微软公司的Vc6.0结合NI公司的Measurement studio6.0联合开发。为了使系统具有优越的性能，硬件部分和软件部分都经过精心设计，下面将分别针对硬件和软件平台的参数要求、框架结构和工作原理进行说明。
4 硬件平台
　　硬件平台是依照国标GB/T 9396- 1996《扬声器主要性能测试方法》中扬声器功率试验的测试原理进行设计的。按照上述测试原理，虚拟仪器的硬件平台包含如下单元：计算机、AD/DA数据卡、功率试验仪、功率放大器及若干连接线材。
　　在虚拟仪器的硬件平台中，AD/DA数据卡和功率试验仪是系统的核心单元。在这里，AD/DA数据卡采用的是专业声卡。之所以选择专业声卡，是出于以下几点原因：（1）相对于专业的数据采集卡（如NI、Adlink、Advantech等公司的系列产品），专业声卡具有明显的价格优势。（2）专业声卡具备良好的性能参数，如频响、失真和信噪比等指标都比较高，很多型号还具备96KHz采样频率、24位精度的性能，*可以满足20Hz至20KHz频率之间的音频测试要求。（3）专业声卡的驱动程序兼容性好，用户十分容易在计算机上安装成功。（4）应用软件通过统一的API接口函数对声卡进行操作，当改变声卡型号时，软件几乎不需做修改就可以正常运行。在本系统中，专业声卡采用德国坦克公司的Phase22声卡，该声卡性能可靠，工作稳定，保证了系统的品质。此外需要强调的是，价格低廉的普通民用声卡，由于性能指标不够确定，不推荐应用于本测试系统中。
　　常见的专业声卡一般只具备两个输入通道，两个输出通道，而功率试验要求能够同时对多个通道进行测试，故需要分配电路实现信号选择;此外，专业声卡的电压工作范围在1至2伏之间，扬声器的实际工作电压和工作电流有较大的变化范围，因此需要进行电平变换才能和声卡连接。综合这些因素，需要一套独立的功率试验仪和声卡相配合，才能完成测试功能。功率试验仪内部由程控分配电路、程控衰减器、程控放大器、通讯端口、电源电路和接线端子等部分组成。整个硬件平台结构如图1所示。

图1 功率试验系统硬件平台
　　系统工作时，应用程序通过计算机控制专业声卡发出测试信号，测试信号经过程控分配电路激励多路功放，功放驱动扬声器进行功率试验。在图1中，出于简化，仅画出了1路功放，实际工作时，系统zui多允许连接4路功放。每路功放可同时连接两组扬声器，在功率试验仪内部配置有对应的2只（每路有2只，4路有8只）低阻值参考电阻，串联在扬声器连接回路之中，根据电阻压降可计算出扬声器工作电流。扬声器的工作电压和电流分别通过程控衰减器和程控放大器经专业声卡完成A/D变换，通过系统软件分析得出扬声器的阻抗，用于判断出扬声器的工作状态。由于专业声卡同时只能检测2路信号，要进行多路试验，必须采取循环扫描的工作方式，由硬件完成通道切换，逐个通道进行检测。功率试验仪的设计要确保良好的精度和可靠性，内部硬件连线和布局要合理，以尽可能降低干扰，参考电阻的电压较低，应采用差动放大器放大，以提高共模抑制比。此外，程控衰减器和放大器均要经过限幅电路再和声卡连接，以防损坏声卡。
5 软件部分
　　系统软件是使用微软公司的Vc6.0结合NI公司的Measurement studio6.0开发的。Vc6.0是开发通用windows应用软件的成熟工具，在程序的界面设计、结构设计、硬件访问和数据库操作等方面均有着很强的灵活性。Measurement studio6.0在虚拟仪器方面可以为Vc6.0提供强有力的支持，它提供了大量的库函数和组件。通过调用库函数，软件可以方便的生成各种类型的测试信号，还可以对其进行各种滤波处理。由声卡采集得到的测试信号，在库函数的支持下，软件便于对其进行各种深入的分析，可以获得扬声器的阻抗曲线、TS参数和音圈温度等重要参数。此外，Measurement studio6.0提供的组件还为程序的界面设计提供了极大方便，包括各种类型的旋钮、开关、图表和滑动条等等。应用这些组件，可以开发出非常专业的仪器界面，容易满足用户的操作习惯。使用Vc6.0结合Measurement studio6.0开发软件，可做到优势互补，大大降低了软件的开发难度和周期，是一种理想的虚拟仪器软件设计方案。
　　系统软件采用模块化设计方法，整个系统包含中心管理模块、测试步骤生成模块、声卡控制模块、信号发生模块、扬声器模型分析模块、硬件端口控制模块、数据库管理模块和界面管理模块等等。其中中心管理模块为核心部分，软件运行时从该模块进入，其它功能模块均在该模块的管理下，协调一致的工作。各功能模块均有标准的数据接口，统一经过中心控制模块完成数据交换，彼此之间不独自发生，因此可以保证模块的独立性，为程序的维护和升级建立了良好基础。各个模块完成的功能如下所述：
　　1） 中心管理模块：为整个系统软件的入口和出口，同时对整个系统实施管理和调度。它调用其它各个模块，使它们相互配合，协调一致的工作。
　　2） 测试步骤生成模块：将用户的输入指令和要求转换成一系列容易执行的试验步骤。功率试验的过程较为复杂，但是这一复杂过程可分解成多个简单、具体且容易执行的步骤。
　　3） 声卡控制模块：负责控制声卡发出音频测试信号，同时录制输入信号并送回软件。
　　4） 信号发生模块：根据试验要求产生各种测试信号，包括各种频段的白噪声、粉红噪声、模拟节目信号，以及各种频率的正弦波、锯齿波，各种频率和占空比的方波、三角波及IEC、EIA、DIN等等标准信号。
　　5） 扬声器模型分析模块：根据扬声器工作电压和电流分析其阻抗曲线、TS参数和音圈温度等参数，用于判断扬声器的状态。
　　6） 硬件端口控制模块：控制功率试验仪内部各个功能模块的工作状态，从而完成硬件参数的设置。
　　7） 数据库管理模块：将试验过程的大量测量数据和试验结果存入数据库，或从数据库读取。
　　8） 界面管理模块：试验过程中，大量测量数据被不断送往该模块，并由该模块在界面显示。
　　各个模块之间的逻辑关系如图2所示。软件启动后，中心管理模块首先将用户的指令转化成相应的试验步骤，并按试验步骤控制各模块启动功率试验，接着对各个通道的扬声器状态采取循环扫描的方式进行监测和分析，并将分析结果不断送往界面显示，然后继续进行试验直至结束为止，zui后按照用户的要求将试验结果保存或者生成报表打印出来。
6 注意事项
　　功率试验系统的硬件和软件在研发过程中还要注意以下事项：

图2 功率试验系统软件结构
　　1） 功率试验仪内部要求具备充分、合理的保护电路，以确保系统有高的可靠性。试验仪内部针对声卡要有电压校准电路，用来消除不同声卡电压灵敏度的差异，以保证试验仪的一致性。
　　2） 功率试验系统每次试验运行zui长可达上百小时，处理的数据量十分巨大，需要有很高的稳定性。因此要求软件程序代码具备高的编写质量，以防止系统长时间运行之后出现崩溃的故障。程序代码编写过程中，对于内存的操作要严格、规范，对于运行时可能出现的异常情况要有应对措施，总之要严格遵循软件工程的要求编写代码。
7 结论
　　系统研发成功以后，曾在多家企业进行推广使用。在推广过程中，通过不断的升级换代，zui终使系统达到了多数用户的要求。通过企业使用的反馈信息可知，该系统具备操作简便、功能强大、测量数据准确、可靠性良好、工作效率高等优点，*可以替代传统的功率试验系统。
　　本系统的创新之处在于：系统将计算机、通道少的声卡、功率试验仪和软件四者结合起来，运用虚拟仪器技术进行多通道扬声器功率试验，用较低的成本实现了较强的功能，是对传统功率试验方法的一种升级。