基于ＧＰＩＢ的車載音響自動測試系統(tǒng)

劉宏勇　呂　凝

摘 要：闡述基于GPIB技術(shù)的自動測試系統(tǒng)的組成，介紹了GPIB技術(shù)的特點和原理，最后介紹已在實際中使用的車載音響測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在基于GPIB的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的，并在實際中得到應(yīng)用。整個系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分：硬件部分主要由測試儀表構(gòu)成，軟件在Windows XP環(huán)境下運行,由Visual C++編寫。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;GPIB;自動測試;面向?qū)ο笤O(shè)計

中圖分類號：TP23文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-175-04

Car-audio Automatic Testing System Based on GPIB

LIU Hongyong,LV Ning

(Computer Science and Engineering Institute,Changchun University of Technology,Changchun,130012,China)

Abstract：The composition of automatic testing system based on GPIB technology,characteristics and principles of GPIB,the use of car-audio testing system in practice are introduced.This system is building up on the basis of GPIB,and is applied in practice.The whole system is divided into hardware and software parts:the hardware is mainly composed of test instruments,software run in Windows XP operating environment and is compiled by Visual C++.

Keywords：virtual instrument;GPIB;automatic testing system;object-oriented design

基于GPIB的自動測試系統(tǒng)是計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本文在介紹基于GPIB的自動測試系統(tǒng)組成和GPIB技術(shù)原理和特點的基礎(chǔ)上，著重介紹了已在工程實際應(yīng)用中使用的車載音響測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大提高了測試的自動化程度，使測試人員從繁重的測試任務(wù)中解脫出來，只需將精力集中于測試方案的設(shè)計和測試序列編寫上，從而凸顯了自動化測試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 自動測試系統(tǒng)

一個測試項目就是計算機向若干臺測試儀表發(fā)送消息，計算機和測試儀表之間通過GPIB線來連接，這就要求所用的測試儀表必須支持CPIB所發(fā)送的消息實際上就是SCPI(Standard Command for Programming Instrument)語言。近年來，新型的測試儀表上具備了GPIB接口，從而可以把它與計算機連接起來，組成一個自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但提高了儀器的測量精度，而且具有數(shù)據(jù)處理能力，并能用軟件來取代硬件甚至完成硬件無法完成的功能。一般來說，一個完整的測試系統(tǒng)由控制器、測試儀表、測試軟件和接口總線組成,如圖1所示。

2 GPIB技術(shù)特點及工作原理

2.1 GPIB的特點

(1) GPIB接口板置于設(shè)備內(nèi)部，設(shè)計者不用考慮設(shè)計接口的問題，此接口適用于該設(shè)備所能參與構(gòu)成的任何系統(tǒng)。其通用性是不言而喻的。

(2) GPIB具有高級特性，進行操作時僅需搬動設(shè)備和插拔電纜插頭，并不涉及接頭的具體硬件設(shè)計，這是因為GPIB引入了一些高級接口的概念，而且功能、電氣和機構(gòu)上的規(guī)定制定的相當完善，保證了充分的兼容性。GPIB的這種特性表現(xiàn)在編程上，就是減輕了軟件設(shè)計的負擔，可使用高級語言編程。

(3) GPIB系統(tǒng)組建和拆散靈活，使用方便，用具有GPIB接口設(shè)備組建的系統(tǒng)是真正的“積散型”系統(tǒng)，它們“積”成為自動測試系統(tǒng)，“散”可以各自單獨使用，表現(xiàn)出無以倫比的靈活性。

(4) GPIB接口比一般接口的價格約貴10%,但考慮到組建測試系統(tǒng)連接多個外設(shè)，GPIB接口比一般接口要便宜。因此，從通用性、兼容性、靈活性及經(jīng)濟性等方面來看，GPIB接口是其他接口所無法比擬的。

2.2 GPIB母線

GPIB系統(tǒng)為了進行有效的信息傳輸，一般要求3種不同的元素：講者、聽者和控者。其數(shù)據(jù)傳輸采用位并行，字節(jié)串行，雙向掛鉤和雙向異步的方式進行。總線共24條，可分為3類：16條信號線，1條屏蔽線，7條地線。信號線又分為3組：第一組是8位的數(shù)據(jù)總線，用于傳輸數(shù)據(jù)，命令或狀態(tài)字。第二組是接口管理總線，由5條信號線組成：ATN,IFC,REN,SRQ,EOI用于控制總線進程，起總線指揮作用。最后一組是3條掛鉤線(DAV,NRFD,NDAC)，用于數(shù)據(jù)的通訊聯(lián)絡(luò)，保證異步傳送順利進行。

2.3 三線掛鉤過程

數(shù)據(jù)傳送在講者和聽者間以三線掛鉤方式進行。其基本過程是：

(1) 發(fā)送者向數(shù)據(jù)母線上發(fā)送數(shù)據(jù)，但并不宣布數(shù)據(jù)有效，即令DAV=0；

(2) 接收者相繼準備接收數(shù)據(jù)，共同用NRFD=0向發(fā)送者表示已準備好接收數(shù)據(jù)；

(3) 當發(fā)送者確認所有接收者均已做好接收數(shù)據(jù)的準備，就發(fā)出DAV=1的信息，示意接收者放在數(shù)據(jù)母線上的數(shù)據(jù)可以接收；

(4) 當接收者確認數(shù)據(jù)可以接收時，信號NRFD=0已不必再保留下去，因而恢復(fù)NRFD=1的狀態(tài)，為下一次循環(huán)做準備；

(5) 接收者開始接收數(shù)據(jù)；

(6) 由于接收數(shù)據(jù)速度不同，接收者相繼收到數(shù)據(jù)，當接收速度最慢的那一段設(shè)備接收完畢時，使母線NDVC=0，表示所有接收者均已接收完畢；

(7) 當發(fā)送者確認各接收者都已接收數(shù)據(jù)完畢，原來發(fā)的“數(shù)據(jù)有效”信息DAV=1已不必保留了，故發(fā)DAV=0，同時將數(shù)據(jù)母線上的數(shù)據(jù)撤掉；

(8) 各接收者根據(jù)收到的DAV=1信息而恢復(fù)NDVC=1，到此DAV,NRFD,NDAC三線均已恢復(fù)原狀態(tài)，表示一次互鎖聯(lián)絡(luò)循環(huán)的結(jié)束，并為下一次循環(huán)做好了準備。

3 基于GPIB的車載音響測試系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 測試系統(tǒng)介紹

本項目為車載音響集成機架式測試自動化系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)將來的擴充性，將全面采用測試自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)音響部分的功能。

車載音響測試系統(tǒng),主要分為5個部分：雙通道音頻信號發(fā)生器與雙通道音頻信號分析儀,標準信號發(fā)生器,音頻切換開關(guān),控制器、標準直流電源和軟件體系。共同承擔起完整的系統(tǒng)功能。其中音頻分析儀、信號發(fā)生器、直流電源均采用德國的高性能測試儀表，能夠完成精準的測試要求。

音頻分析儀

包含雙通道的音頻信號產(chǎn)生和信號分析，具有極高的靈敏度和豐富的聲學測試專用功能，其并行工作模式完全符合立體聲等測試的要求。

信號發(fā)生器

射頻信號發(fā)生器配合UPV可以產(chǎn)生FM信號和立體聲信號，并且可以作為接收測試的干擾源來用。

音頻切換開關(guān)

音頻切換開關(guān)由兩部分組成：開關(guān)箱和開關(guān)箱主機。開關(guān)箱用于音頻信號通路間的矩陣切換，比如：立體聲與其他測試項目間的切換；開關(guān)箱主機通過PCI板卡來控制開關(guān)箱，確保任何測試項目不需要人工介入音頻線路連接。

控制器

控制器采用普通的PC機，主要完成控制各個儀表及運行相關(guān)軟件。

直流電源

標準直流供電電源，主要用來給被測的音響設(shè)備供電，它可以滿足車載音響的供電需求。

軟件體系

軟件是使用微軟公司的Visual C++來完成的，運行在Windows XP環(huán)境下。測試人員所有的測試工作均是在該軟件下來完成，包括測試項目的選擇、測試序列的控制、測試結(jié)果的顯示(包括圖表的顯示等)、測試結(jié)果的保存、輸出報告等。測試人員的工作僅僅是選擇相應(yīng)的測試項目啟動測試，儀表的控制、最后結(jié)果的顯示和保存均由軟件來進行。

3.1.2 測試原理

標準信號發(fā)生器SML模擬電臺產(chǎn)生射頻信號，音頻分析儀UPV產(chǎn)生調(diào)制信號通過SML的Modulation口對SML產(chǎn)生的射頻信號進行調(diào)制，調(diào)制后的信號通過SML的RF口輸出給被測音響，被測音響通過一系列變換產(chǎn)生音頻信號后再輸出到UPV，音頻分析儀UPV對被測音響產(chǎn)生的音頻信號進行分析，產(chǎn)生出測試需求的結(jié)果。

3.1.3 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的連接示意圖，如圖2所示?？刂破髋c測試用儀表之間通過GPIB線連接，音頻分析儀與開關(guān)箱之間通過音頻連接線進行連接，標準信號發(fā)生器與開關(guān)箱之間通過射頻連接線進行連接，收音機與開關(guān)箱之間通過音頻連接線進行連接，開關(guān)箱主機與控制器之間通過網(wǎng)線連接，開關(guān)箱與開關(guān)箱主機之間通過PCI進行連接。

3.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)選用Windows XP操作系統(tǒng)為系統(tǒng)的運行環(huán)境，用微軟公司的Visual C++作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了應(yīng)用程序界面。根據(jù)測試用儀表的SCPI命令來使用Visual C++來編寫硬件驅(qū)動庫。

軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，劃分為不同的功能模塊：硬件驅(qū)動程序部分、系統(tǒng)界面部分和數(shù)據(jù)管理部分。

3.2.1 軟件設(shè)計思想

系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)容易理解、修改和重用，能明顯提高軟件開發(fā)和維護的效率。

軟件設(shè)計中根據(jù)各種不同的設(shè)備及其功能將各個測試儀表封裝成類，即信號源類、信號分析類、電源類等，將對各儀表操作的函數(shù)及變量作為類的方法和屬性封裝到各個類中。這些類描述了具有公共方法和一般特性的一組相同對象，如信號源類表征了信號源的共有性質(zhì)，如波形種類選擇、波形參數(shù)設(shè)定等。并采用CObject類來派生一個測量數(shù)據(jù)類，將采樣數(shù)據(jù)作為測量數(shù)據(jù)類的主要屬性，將各種測量采樣方法、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)表現(xiàn)方法都作為測量數(shù)據(jù)類的接口方法。使用這種方法并結(jié)合設(shè)計模式和多態(tài)性有助于接口的規(guī)范化和自由擴展。

構(gòu)造測量數(shù)據(jù)類，采用直接封裝結(jié)構(gòu)和數(shù)組，由于測量的數(shù)據(jù)量一般都比較大，全局對象和共享內(nèi)存文件也是常用的辦法。也可以使用模板類，如CArray類、CList類等。它們都支持復(fù)雜類的動態(tài)添加。

軟件使用COM組件技術(shù)封裝各種數(shù)據(jù)處理算法，如快速傅里葉變換、濾波等，對數(shù)據(jù)進行處理，再供用戶界面使用。組件對象模型(Component Object Model,COM)定義了各種不同的對象如何利用一種公共約定的協(xié)議相互之間進行通信，是一種獨立于語言和平臺的標準。COM組件最重要的特點是具有面向?qū)ο蟮奶匦浴Ｍㄟ^面向?qū)ο蠹夹g(shù)，用戶界面不需理會它現(xiàn)在操作的是什么樣的硬件，它只需通過公共接口使用約定的協(xié)議，向組件收發(fā)數(shù)據(jù)和命令，而具體操作由組件去完成，從而實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)性。

在用戶界面中，界面元素之間的制約關(guān)系可以用Win32API函數(shù)LoadCurroe調(diào)用等待光標來暫時封鎖其他交互操作，也可以用CWnd::EnableWindow,CWnd::ShowWindow設(shè)置相應(yīng)界面控件來屏蔽部分交互操作。這樣可以容易地實現(xiàn)進行某項操作時屏蔽其他操作的功能。

軟件設(shè)計使用了VC++多線程編程技術(shù)，多線程是為了使多個線程并行工作，以完成多項任務(wù)，提高系統(tǒng)的效率。本測試系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理并行，因此需要在軟件中設(shè)計2個線程：一個線程進行測試及讀取測試結(jié)果的工作；另一個線程進行測試結(jié)果的界面顯示工作。并行任務(wù)可用CWinThread類線程來實現(xiàn)。線程之間是通過消息來通信，用全局變量來傳遞數(shù)據(jù)的。此外，還要解決兩線程間的協(xié)調(diào)同步，從而實現(xiàn)測試與顯示的同步，并及時響應(yīng)用戶對實驗進程的控制。

而且，為了測試的需要，有時需要從某個類別的類發(fā)送自定義消息。消息發(fā)送有兩種形式：SendMessage和PostMessage，還可以用系統(tǒng)注冊消息RegisteWindowMessage供多個儀表協(xié)作。事件響應(yīng)技術(shù)是消息驅(qū)動的，通過響應(yīng)用戶界面上的交互事件可以形成控制指令，測量控制動作則放在消息響應(yīng)函數(shù)中來實現(xiàn)。以消息機制觸發(fā)測量數(shù)據(jù)對象的采樣方法，去操作儀表驅(qū)動程序來獲取測量數(shù)據(jù)；測量數(shù)據(jù)到達后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、表達，最后呈現(xiàn)給用戶，這就是系統(tǒng)軟件的工作流程。它是通過用戶界面、測量數(shù)據(jù)兩個中心對象以消息作為媒介來實現(xiàn)的。軟件測試流程圖如圖3所示。

3.2.2 硬件驅(qū)動程序

亦即接口板的驅(qū)動程序，是系統(tǒng)控制軟件的最低層，它直接對GPIB接口板進行控制，實現(xiàn)對信號的I/O操作。按照功能設(shè)計接口庫函數(shù)，并將接口庫函數(shù)包裝在動態(tài)連接庫DLL中(動態(tài)鏈接庫是包含函數(shù)集和數(shù)據(jù)的一些模塊，它提供了一種模塊化應(yīng)用方式)。硬件驅(qū)動的編寫是根據(jù)測試儀表提供的SCPI命令來完成的，使用Visual C++進行編寫。用VC++編譯產(chǎn)生的.exe文件，直接放入到應(yīng)用程序中。通過應(yīng)用軟件產(chǎn)生XML文件，該文件中包含了所寫的硬件驅(qū)動庫信息，用戶可以從該文件中查找有關(guān)的驅(qū)動信息。

3.2.3 系統(tǒng)界面

軟件部分的核心，它直接面向用戶，是系統(tǒng)控制軟件的最上層。系統(tǒng)具有良好的人機界面，一方面，可以使用戶靈活地選擇所要進行的測試項目，并通過適時的對話框提示告訴用戶應(yīng)該完成的操作，而且能夠?qū)崟r顯示目前的測試狀態(tài)，

如：測試開始，測試正在進行，測試完成。另一方面，用戶可以通過界面來完成各種功能，如：選擇要測試的項目，包括幅度調(diào)制(AM)，頻率調(diào)制(FM)，立體聲調(diào)制(STEREO)以及CD的測試等。每個測試項目都會有若干個子測試項目，例如：AM中就包括限噪靈敏度測試，干擾頻率測試，自動放大器測試等。當用戶選中測試項目后，它相應(yīng)的子測試項目會全部羅列出來，供用戶進行靈活選擇。此外，測試的結(jié)果可以在測試完成之后，馬上在界面中顯示出來。在顯示結(jié)果的同時所有的結(jié)果也被保存下來，用戶可以通過界面上的操作按鈕來查看保存的結(jié)果。這種方式使用戶可以實時地監(jiān)測測試指標是否符合要求，也可以使用戶在事后對結(jié)果進行分析，為用戶提供了極大的方便。同時，還可以根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生輸出報告，報告是以Word的方式給出。

3.2.4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)的管理可以是實時的也可以是非實時的。實時是指在測試完成后，測試的結(jié)果會馬上在界面上顯示出來，非實時是指所有的測試結(jié)果都能夠保存下來，供用戶事后使用。對于數(shù)據(jù)的管理提供了兩種方式：一種是以數(shù)字方式給出的結(jié)果，另一種是以圖表方式給出的結(jié)果。數(shù)字形式的結(jié)果會自動保存在文本文檔中，圖表方式的結(jié)果可以由用戶自己選擇保存的路徑，這種方式更加靈活。所有的操作都可以通過界面上的操作來完成。

3.3 測試方法舉例

3.3.1 基于GPIB的FM的限噪靈敏度測試

(1) 首先將被測收音機調(diào)諧到94.1 MHz;

(2) 用計算機控制將標準信號發(fā)生器提供FM調(diào)制、94.1 MHz、頻偏75 kHz、高頻電平設(shè)為4 dBμV的信號收音機的天線接口，調(diào)制頻率1 kHz由音頻分析儀產(chǎn)生。

(3) 軟件選擇的FM的限噪靈敏度測試項目就可以開始測試了。

測試的結(jié)果依據(jù)TL972標準進行判斷，TL972標準規(guī)定FM的限噪靈敏度應(yīng)在4~8 dBμV。

3.3.2 基于GPIB的CD的頻率響應(yīng)測試

(1) 首先播放測試曲目(通常是掃頻的曲目，播放20 Hz~20 kHz的掃頻曲目)。

(2) 每變換一次頻率就通過計算機讀取音頻分析儀的輸出，也即相應(yīng)頻率下的輸出電平(單位為dBμV)。將每一次的頻率和相應(yīng)的輸出記錄下來，待所有頻率播放完畢，軟件界面上會自動畫出頻響圖，并將相應(yīng)的頻率和輸出同時以列表方式給出。

(3) 保存頻響圖和列表方式的數(shù)據(jù)，以便日后查用。

用計算機通過GPIB控制測試儀表來完成測試比,通過手動測試大大提高了測試人員的工作量，使測試工作完全自動化，減少人工干預(yù)，大大增加了測試速度和準確度。

4 結(jié) 語

基于GPIB的自動測試系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)越性，測試結(jié)果準確，實時性好，同時軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，有利于進一步擴展或修改。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于汽車音響測試，經(jīng)實踐檢驗可靠性高，測試結(jié)果準確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，軟件升級方便快捷，可移植性好。

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作者簡介 劉宏勇 男,1979年出生，河南洛陽人,碩士研究生。研究方向為基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)及應(yīng)用。

呂 凝 男,1959年出生，吉林長春人,教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向為分布式多媒體系統(tǒng)研究。