基于LabVIEW和HD Audio聲卡電動車報警器測試儀的實現(xiàn)

0 引言

電動車報警器在設(shè)防狀態(tài)下，由外界振動而觸發(fā)報警器發(fā)出報警信號，而報警聲音的大小和頻率等參數(shù)是報警器出廠質(zhì)量檢驗主要指標(biāo)。傳統(tǒng)的電動車報警器測試方法，主要根據(jù)人耳聽覺判斷報警器性能，高分貝噪音對企業(yè)測試及生產(chǎn)人員的身心健康、工作質(zhì)量和效率產(chǎn)生了較大的影響。

為了改善報警器及周邊企業(yè)環(huán)境噪聲污染，提高產(chǎn)品測試的自動化水平，減輕測試人員的勞動強度，設(shè)計一種基于LabVIEW和HD Audio聲卡電動車報警器測試儀。該測試儀采用隔音降噪技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和電腦自帶聲卡，采集報警器聲波信號，并對其進行濾波、放大和頻域分析，檢測信號最大峰值和對應(yīng)頻率。通過設(shè)置報警器參數(shù)異常報警極限值，自動判別報警器性能是否合格。該測試儀采用人性化系統(tǒng)設(shè)計，具有測量頻帶寬、精度高、速度快、使用方便等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于各種報警器生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品測試。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括隔音降噪裝置、遙控報警器、遙控器、拾音器、HD Audio聲卡、LabVIEW應(yīng)用軟件和計算機等部分構(gòu)成。

1.2 隔音降噪裝置[1]

聲學(xué)系統(tǒng)一般是由聲源、傳播途徑和接收器三環(huán)節(jié)組成。本系統(tǒng)噪聲源為報警器，設(shè)計要求遙控報警器發(fā)出的報警聲必須達到了110dB以上；接收器為人的耳朵，每個人的聽覺靈敏度不可改變。因此，為了在生產(chǎn)、測試時報警器發(fā)出噪聲不會對人們正常工作環(huán)境造成影響，采取隔聲、吸聲、消聲等措施控制噪聲傳播途徑，是降噪的最佳方案，從而可使測試環(huán)境噪聲降低到65dB以下。

隔音降噪裝置包括隔音箱體、消聲管、自動開啟裝置、振動器等部分。隔音箱體主要材料為隔音板和吸音棉，當(dāng)聲波傳播到材料表面時，激發(fā)孔隙內(nèi)部的空氣振動，使得空氣與材料產(chǎn)生摩擦作用，使聲能量得到衰減。消聲管主要由PVC塑料管、吸音棉和隔音板材料構(gòu)成。除了吸音棉、隔音板有吸音效果之外，PVC管還具有隔音功能，它能將入射到其側(cè)壁和內(nèi)部隔音板聲波反射出去，使透射的聲波大大減小。自動開啟裝置安裝在隔音箱蓋板上表面，采取電動或氣動方法打開合隔音箱蓋板，方便測試人員每次可同時放置8個以上報警器，放置后再自動閉合隔音箱蓋板。箱體內(nèi)安裝一個振動器，模擬振動狀態(tài)，測試設(shè)防狀態(tài)時報警器工作性能。拾音器安裝在箱體側(cè)壁上部，獲取報警器實際音頻信號。

1.3 HD Audio聲卡

聲卡是實現(xiàn)聲波/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的一種硬件。本系統(tǒng)采用計算機自帶HD Audio聲卡作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將聲波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，它具有大帶寬數(shù)據(jù)傳輸、高精度音頻回放、支持多聲道麥克風(fēng)音頻輸入、更低的CPU占用率和可以通用的底層驅(qū)動程序等特征。

2 虛擬儀器設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

在LabVIEW的圖形與聲音/聲音/輸入中，有現(xiàn)成的各種子vi，例如Sound Input Configure.vi、Sound Input Read.vi和Sound Input Clear.vi，按照LabVIEW的標(biāo)準(zhǔn)對其進行連線，可以對輸入的聲音信號的采樣模式、每通道采樣數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置。在連續(xù)采集模式下，可根據(jù)需要反復(fù)調(diào)用“讀取聲音輸入”。聲音格式設(shè)置采集速率、通道數(shù)和每采樣比特數(shù)。采樣速率通常為44100 S/s、22050 S/s、11025 S/s，默認值為22050 S/s；通道數(shù)對于多數(shù)聲卡，1為單聲道，2為立體聲；每采樣比特數(shù)分辨率通常是16比特和8比特，默認值為16。LabVIEW的聲卡模塊和聲卡采集程序框圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 LabVIEW的聲卡模塊

圖2 聲卡采集程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

2.2.1 信號濾波

LabVIEW自帶的濾波器有FIR濾波器、IIR濾波器、切比雪夫濾波器和巴特沃斯濾波器等。本設(shè)計中使用了FIR濾波器，根據(jù)報警器音頻信號特征，設(shè)置濾波器的各參數(shù)，如拓撲結(jié)構(gòu)、窗函數(shù)類型、濾波器類型，截止頻率等[2]。比較濾波前后波形，濾波器能有效濾除外界干擾信號。

2.2.2 聲波信號頻譜分析

頻域分析主要是對信號進行FFT變換，通過頻譜可以方便觀察和分析信號頻率的組成。FFT是為了進一步改進DFT運算量的高效算法[3]。

2.2.3 報警模塊設(shè)計

傳統(tǒng)的報警器測試，測試人員主要憑靠聽覺判斷報警器是否合格，但是由于長期工作往往造成誤判。為了提高生產(chǎn)效率和測試的準(zhǔn)確性，保護測試人員的身心健康，通過隔音降噪裝置將報警器實際聲強由110dB以上降到65dB以下，同時在測試界面上增設(shè)報警模塊，根據(jù)測量信號的幅值和頻率自動判別報警器質(zhì)量[4]。

報警模塊可以檢測、顯示時域信號最大幅值和頻域信號最大峰值及頻率，通過與設(shè)置的報警參數(shù)上下限加以比較，當(dāng)頻率過高時會顯示異常報警，當(dāng)檢測到的最大幅值小于預(yù)設(shè)的報警幅值時就會顯示幅值異常報警。報警時，指示燈由綠變紅，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲音。報警模塊程序框圖和前面板分別如圖3、圖4所示。

圖3 報警模塊程序框圖

圖4 報警模塊前面板

2.3 前面板設(shè)計

前面板主要分為數(shù)據(jù)采集前面板、數(shù)據(jù)分析前面板和參數(shù)設(shè)置面板[5]。在參數(shù)設(shè)置面板中可設(shè)置時域信號的采樣時間、放大倍數(shù)和偏移量等參數(shù)，使采集的信號波形圖顯示在最佳位置。數(shù)據(jù)采集前面板，實現(xiàn)時域信號的采集和濾波功能，顯示濾波后的報警器聲波信號波形；數(shù)據(jù)分析前面板將濾波后的實用波形和頻譜圖在同一界面上顯示。程序框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析程序框圖

3 結(jié)論

信號采集模塊能實時顯示采集遙控報警器聲波信號波形，可通過設(shè)置采集時長、放大倍數(shù)和等參數(shù)來改變波形相關(guān)屬性。數(shù)據(jù)分析和處理模塊，加入FIR濾波器對聲波信號進行濾波，可根據(jù)實際需要調(diào)整濾波器的類型和濾波參數(shù)；采用FFT變換算法進行頻譜分析，利用單頻測量和數(shù)組最大值的算法對于頻域信號進行處理，可以檢測最大峰值和對應(yīng)頻率值。報警模塊，通過設(shè)定上下限報警值，檢測信號一旦超過閾值就進行相應(yīng)的聲光報警。

基于LabVIEW和HD Audio聲卡電動車報警器測試儀，能夠快速檢測遙控報警器的音頻信號，通過時域與頻域分析，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量自動測試，提高測試效率；同時，采用自行設(shè)計的隔音降噪裝置，解決了報警器生產(chǎn)企業(yè)長期噪聲污染問題。該測試儀經(jīng)生產(chǎn)實際使用，操作方便，性能穩(wěn)定可靠，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

[1] 毛東興,洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程[M].高等教育出版社.2011.

[2] 周楊.基于虛擬儀器技術(shù)的混合信號電路自動測試系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué) 2013.

[3] 吉淑嬌,邢笑雪.基于LabVIEW的信號分析與處理平臺開發(fā)[J]. 長春大學(xué)學(xué)報,2012,(2).

[4] Zhou C.Online virtual measurement system for numerical control machine[J].Journal of Vibration,Measurement and Diagnosis, 2011,31(2).

[5] Xuedong Jing. Evaluation of measurement uncertainties of virtual instrument[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2006,27(11).