基于虛擬儀器的顯示器音頻自動測試系統(tǒng)設(shè)計*

盧 毅 ，徐 勝 ，林志賢 ，3，林珊玲 ，郭太良

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室，福建 福州 350116；3.福州大學(xué) 先進制造學(xué)院，福建 泉州 362200)

0 引言

在視聽設(shè)備的快速發(fā)展下，音頻測試[1-2]成為顯示器檢測的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的顯示器音頻測試以儀器為主，需通過不斷調(diào)整、測量、記錄儀器的各項電氣指標(biāo)，整個過程需要人工值守，冠捷顯示科技集團作為全球最大的顯示器生產(chǎn)商，測試人員根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)測試程序(Standard Operating Procedure，SOP)進行測試至少需要35 min，耗費大量人力及時間。目前，許多學(xué)者提出了一些自動測試方案，文獻[3]提出一種利用數(shù)據(jù)采集卡及人工耳開發(fā)的測試系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測待測設(shè)備的音質(zhì)以及音效；文獻[4]提出并設(shè)計了一套基于LabVIEW 的采集系統(tǒng)，利用NI 的采集卡替代儀器測量車載音響的調(diào)頻及功放，采集結(jié)果接近儀器精度；文獻[5]提出一種音頻芯片測試系統(tǒng)，系統(tǒng)基于FPGA 和DDS 實現(xiàn)，能夠輸出各種頻率分量，并采集芯片的相關(guān)參數(shù)。上述研究成果大多通過采集卡、FPGA 的形式設(shè)計，有靈活性高、成本低的優(yōu)勢，但相對測量儀器測量精度較低，且未提出一個針對顯示器音頻測試的系統(tǒng)化方案。

虛擬儀器[6-8]作為新一代測試手段替代了以硬件為主的傳統(tǒng)測試方法，主要是將計算機與測試儀器有機結(jié)合起來，既能充分發(fā)揮計算機的處理功能，又在很大程度上提高了自動測試系統(tǒng)在儀器控制、數(shù)據(jù)采集方面的能力。為了解決音頻測試自動化程度低、耗時長等問題，本文通過分析音頻參數(shù)的測量基本原理，提出了一種基于虛擬儀器的多儀器集成自動測試系統(tǒng)方案。系統(tǒng)通過混合編程、接口通信和ActiveX 等自動控制技術(shù)將各儀器集成在LabVIEW 平臺內(nèi)，并實現(xiàn)音頻功放參數(shù)自動測量及導(dǎo)出等功能，該方案能夠全面替代人工自動執(zhí)行測試流程，大幅減少人工操作時間，為自動測試系統(tǒng)開發(fā)提供經(jīng)驗。

1 音頻參數(shù)測量基本原理

本文所述顯示器音頻測試主要針對其音頻功放，測試基本原理為，在輸入電壓為1 V、頻率為1 kHz 的正弦音頻信號下，以額定阻抗的純電阻替代立體聲喇叭作為功放負(fù)載，測量電阻兩端的電氣信號。主要測量參數(shù)基本原理及方法如下。

(1)信噪比(SNR)：定義為有用信號與噪聲信號強度的比值,測量時關(guān)閉雙側(cè)聲道并測量，信噪比越高，輸出音頻信號清晰度越高。

式中，Vs表示有用信號電壓，Vn表示噪聲信號電壓。

(2)總諧波失真+噪聲(THD+N)：經(jīng)信號放大后各次諧波電壓和噪聲的均方根與基波幅值之比，失真度越小表示輸出音頻更能反映出輸入音頻的真實度。

式中，V1表示基頻電壓，V2，V3，…，Vn為高次諧波分量電壓，VN表示噪聲信號電壓。

(3)串?dāng)_(CrossTalk)：也可以叫作通道分離度，指的是將單側(cè)聲道關(guān)閉，測量另一側(cè)輸出受干擾的程度。

式中，Vd表示已斷開聲道的電壓，Vud表示未關(guān)閉聲道電壓。

(4)頻率響應(yīng)：指的是功放在各個頻次下的輸出幅值變化情況，通常掃頻信號的頻段為人耳能夠識別的20～20 kHz。

(5)殘留電壓：表示為無音頻輸入或是音量最小的輸出電壓情況，一般來說電壓為趨近于0 V，否則喇叭會在上述情況下被功放推動產(chǎn)生聲響。

(6)音量曲線：即不同音量下的振幅情況，通常來說，音量曲線的總體趨勢應(yīng)當(dāng)是遞增的，音量自增1%后的的幅值應(yīng)當(dāng)大于或者等于原音量下的幅值，人耳可以感受到喇叭音量緩慢的遞增過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)

該測試系統(tǒng)主要用于檢測顯示器音頻功放的電氣參數(shù)，設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)以計算機為控制核心，主要用于設(shè)備控制、數(shù)據(jù)收集及報表輸出，視頻信號源使用的是致茂公司的Chroma-2235 可編程視頻圖形信號產(chǎn)生器，為待測顯示器提供標(biāo)準(zhǔn)的音視頻激勵信號，DDC/CI(Display Data Channel Command Interface)控制器遠程調(diào)節(jié)待測顯示器的音量參數(shù)，音頻分析儀使用Audio Preicison 公司的SYS-2722 音頻分析儀，負(fù)責(zé)采集顯示器左右聲道功放負(fù)載的測試數(shù)據(jù)。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

2.2 基于DDC/CI 協(xié)議的控制器設(shè)計

2.2.1 DDC/CI 協(xié)議基本原理

視頻接口一般留有兩根通信線路作為顯示數(shù)據(jù)通道(Display Data Channel，DDC)總線，其通信標(biāo)準(zhǔn)與I2C 總線相似，用于主機獲取或修改顯示器的基本參數(shù)信息。

DDC/CI 協(xié)議[9]是一種通過DDC 總線控制顯示器的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，該協(xié)議一般認(rèn)定主機為發(fā)起方，顯示器為接收方，每次傳輸一個字節(jié)，接收方收到后返回應(yīng)答信號，以“開始信號-目的地址-源地址-指令長度-指令特性-操作指令-數(shù)據(jù)位-校驗位-停止信號” 的格式連續(xù)傳輸指令與顯示器進行通信。

2.2.2 DDC/CI 控制器電路設(shè)計

DDC/CI控制器由USB 轉(zhuǎn)I2C 芯 片F(xiàn)T2232D、USB 接口、HDMI 接口及E2PROM 所設(shè)計，USB 接口為電路提供5 V 電壓供電及指令傳輸，E2PROM 用于緩存芯片輸出傳輸數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換芯片可以將輸入的USB 協(xié)議經(jīng)內(nèi)部的多協(xié)議同步串行引擎(Multi-Protocol Synchronous Serial Engine，MPSSE)處理后與I2C、SPI、JTAG設(shè)備進行通信，將輸入和輸出HDMI 接口HDMI_I、HDMI_O 直連，并將轉(zhuǎn)換芯片處理后的總線信號通過上拉電阻R1、R2 接入直連接口的DDC 總線上，控制器的電路硬件框圖如圖2 所示。

圖2 DDC/CI 控制電路框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)基于LabVIEW 平臺，平臺內(nèi)置多種開發(fā)工具，如VISA、ActiveX、動態(tài)鏈接庫及報表工具包等，以最大程度提高開發(fā)效率，滿足用戶設(shè)計需求。

3.1 軟件設(shè)計思路

首先，通過虛擬儀器及VC++技術(shù)，實現(xiàn)對測試模塊各儀器的通信及控制；接著，開發(fā)初始化、音頻測試及報表輸出模塊所需的各子Vi 模塊；最后，結(jié)合音頻參數(shù)的測試流程調(diào)用各個模塊，使系統(tǒng)能夠完整執(zhí)行所選測試項目。軟件各模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 LabVIEW 與顯示器交互實現(xiàn)

LabVIEW 圖形化編程環(huán)境擅于解決儀器控制、采集測量方面的問題領(lǐng)域，但在底層控制的處理上較為繁瑣，而VC++擅于解決底層控制、數(shù)據(jù)處理方面的問題，但在開發(fā)交互界面以及圖形化控件上的處理較為繁瑣。動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)[10-11]正是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)，通過調(diào)用已封裝的開發(fā)程序，實現(xiàn)VC++與LabVIEW 混合編程，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢。

為通過混合編程實現(xiàn)USB 與顯示器的遠程通信，在利用VC++封裝好傳遞函數(shù)后，通過LabVIEW 的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(Call Library Function Node，CLN)將函數(shù)導(dǎo)入即可實現(xiàn)。CLN 是一種實現(xiàn)混合編程的重要開發(fā)工具，在配置函數(shù)接口的變量類型、線程以及調(diào)用規(guī)范后便可直接使用，該開發(fā)方式操作便捷、可復(fù)用性強。

3.3 基于ActiveX 的參數(shù)采集程序設(shè)計

顯示器音頻功放數(shù)據(jù)通過SYS-2722 音頻分析儀所采集，儀器專用測試軟件AP2700 搭載在Windows 平臺內(nèi)，可以通過ActiveX 自動化技術(shù)[12-15]收集儀器采集的數(shù)據(jù)信息。ActiveX 是一種以COM 組件為基礎(chǔ)的可復(fù)用技術(shù)，外部容器只需根據(jù)其屬性、事件與方法三要素即可快速插入相應(yīng)控件，在LabVIEW 內(nèi)通過ActiveX 技術(shù)訪問組件接口進行程序開發(fā)，該方法操作簡單，方便快捷。對于AP2700，其發(fā)布的組件接口都有定義唯一標(biāo)識符，利用其屬性或方法節(jié)點能夠?qū)⒎治鰞x采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳遞到節(jié)點輸出端口，使用該技術(shù)可以實現(xiàn)對被測顯示器的功率/電壓、THD+N、串?dāng)_、信噪比等參數(shù)逐項采集。

3.4 基于VISA 的聲道關(guān)斷程序設(shè)計

針對信噪比、串?dāng)_等測試項目需通過關(guān)斷信號源單側(cè)的音頻通道后，再采集相關(guān)測試性能參數(shù)這一情況，系統(tǒng)利用VISA 函數(shù)控制信號發(fā)生器的音頻聲道關(guān)斷。VISA 是一種集成多種標(biāo)準(zhǔn)接口驅(qū)動程序，具有高效便捷的應(yīng)用編程接口，計算機通過VISA 函數(shù)傳輸程控儀器中有關(guān)音頻參數(shù)的控制指令后，通過指定接口將發(fā)送緩沖區(qū)的指令傳輸至儀器，該方式便于自動修改音頻電壓、通道、采樣率等參數(shù)調(diào)整。

3.5 數(shù)據(jù)報表導(dǎo)出

NI 公司提供了豐富的報表工具包，包括Excel、Word、Access 等常見的處理軟件，可以利用該工具實現(xiàn)報表的創(chuàng)建、存入及導(dǎo)出。系統(tǒng)將所有測試結(jié)果通過數(shù)組的方式整理，對于冗長的測試數(shù)據(jù)，利用工具包內(nèi)的“增加工作簿”的方式分別導(dǎo)出。該方式可以減少研究人員收集測試數(shù)據(jù)的時間，便于結(jié)果的后續(xù)處理及分析。

3.6 LabVIEW 測試平臺搭建

本文研制出的測試系統(tǒng)人機交互界面如圖4 所示，選項卡控件將分為項目區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，項目區(qū)內(nèi)包含了項目選擇、參數(shù)配置、系統(tǒng)控制，可供用戶自由選擇測試項目并配置相應(yīng)的測試參數(shù)，數(shù)據(jù)區(qū)分為喇叭數(shù)據(jù)和耳機數(shù)據(jù)，在測試結(jié)束后通過數(shù)值控件或波形圖顯示測試結(jié)果。

圖4 測試系統(tǒng)人機交互界面

為了實現(xiàn)系統(tǒng)自動執(zhí)行測試全流程，系統(tǒng)軟件平臺以“句柄獲取-參數(shù)預(yù)設(shè)-信號觸發(fā)及延時-參數(shù)讀取-數(shù)據(jù)導(dǎo)出”的形式設(shè)計，子Vi 的程序原理圖如圖5 所示。

圖5 子Vi 程序原理圖

系統(tǒng)測試流程如圖6 所示，以順序結(jié)構(gòu)+條件結(jié)構(gòu)內(nèi)調(diào)用各項打包好的測試流程子Vi，順序結(jié)構(gòu)能夠使系統(tǒng)按照預(yù)定流程執(zhí)行，條件結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)按序判別前面板內(nèi)測試項目的布爾控件，根據(jù)控件值決定是否需要執(zhí)行當(dāng)前測試項目。

圖6 測試系統(tǒng)運行流程圖

4 系統(tǒng)功能測試結(jié)果與分析

測試結(jié)果如圖7 所示，其中，圖片右側(cè)為繪制的音量曲線測試結(jié)果，橫軸表示音量，縱軸表示電功率，曲線呈遞增趨勢，中途無下降點，表明該功放驅(qū)動電壓能夠隨音量正常變化，其余測試結(jié)果也均符合《PC 99 System Design Guide》中制定的音頻放大器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，表明該設(shè)備達到音頻電器性能測試的基本標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 喇叭接口性能測試數(shù)據(jù)

分別記錄10 個不同測試人員在相同環(huán)境條件下，通過人工測試和自動測試系統(tǒng)得出的測試時間和測試結(jié)果。如表1 所示，比較10 次人工與系統(tǒng)的參數(shù)測量結(jié)果，相對誤差的最大值不超過0.04%，表明測試精度不受系統(tǒng)影響。另外，由表2 時長對比可以看出，由于熟練度不同使得人工測試時長相差較大，而本系統(tǒng)通過LabVIEW 實現(xiàn)，操作便捷且測試時長相對穩(wěn)定,相比人工測試本系統(tǒng)平均測試時間縮短84.25%，大幅減少測試投入時間，提高測試效率。

表1 人工測試與本系統(tǒng)結(jié)果對比

表2 人工測試與本系統(tǒng)測試時長

5 結(jié)論

本文通過分析顯示器音頻測試基本原理，設(shè)計了一套基于LabVIEW 的自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)顯示器音頻功放參數(shù)的自動測試。通過對系統(tǒng)的測量結(jié)果分析，該系統(tǒng)充分利用了虛擬儀器的特點，操作便捷，自動化程度高，能夠大幅縮短測試時長，在測試系統(tǒng)開發(fā)和多測試設(shè)備集成控制方面具有較強應(yīng)用價值。