基于GPIB的車載音響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

基于GPIB的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成和GPIB技術(shù)原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重介紹了已在工程實(shí)際應(yīng)用中使用的車載音響測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)大大提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度，使測(cè)試人員從繁重的測(cè)試任務(wù)中解脫出來(lái)，只需將精力集中于測(cè)試方案的設(shè)計(jì)和測(cè)試序列編寫上，從而凸顯了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
    一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目就是計(jì)算機(jī)向若干臺(tái)測(cè)試儀表發(fā)送消息，計(jì)算機(jī)和測(cè)試儀表之間通過(guò)GPIB線來(lái)連接，這就要求所用的測(cè)試儀表必須支持CPIB所發(fā)送的消息實(shí)際上就是SCPI(Standard Command for Program—ming Instrument)語(yǔ)言。近年來(lái)，新型的測(cè)試儀表上具備了GPIB接口，從而可以把它與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，組成一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但提高了儀器的測(cè)量精度，而且具有數(shù)據(jù)處理能力，并能用軟件來(lái)取代硬件甚至完成硬件無(wú)法完成的功能。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)由控制器、測(cè)試儀表、測(cè)試軟件和接口總線組成，如圖1所示。

2 GPIB技術(shù)特點(diǎn)及工作原理
2．1 GPIB的特點(diǎn)
    (1)GPIB接口板置于設(shè)備內(nèi)部，設(shè)計(jì)者不用考慮設(shè)計(jì)接口的問(wèn)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(jí)特性，進(jìn)行操作時(shí)僅需搬動(dòng)設(shè)備和插拔電纜插頭，并不涉及接頭的具體硬件設(shè)計(jì)，這是因?yàn)镚PIB引入了一些高級(jí)接口的概念，而且功能、電氣和機(jī)構(gòu)上的規(guī)定制定的相當(dāng)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(jì)的負(fù)擔(dān)，可使用高級(jí)語(yǔ)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，“散”可以各自單獨(dú)使用，表現(xiàn)出無(wú)以倫比的靈活性。
    (4)GPIB接口比一般接口的價(jià)格約貴10％，但考慮到組建測(cè)試系統(tǒng)連接多個(gè)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(jì)性等方面來(lái)看，GPIB接口是其他接口所無(wú)法比擬的。
2．2 GPIB母線
    GPIB系統(tǒng)為了進(jìn)行有效的信息傳輸，一般要求3種不同的元素：講者、聽(tīng)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(jìn)行。總線共24條，可分為3類：16條信號(hào)線，1條屏蔽線，7條地線。信號(hào)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(hào)線組成：ATN，IFC，REN，SRQ，EOI用于控制總線進(jìn)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(jìn)行。
2．3 三線掛鉤過(guò)程
    數(shù)據(jù)傳送在講者和聽(tīng)者間以三線掛鉤方式進(jìn)行。其基本過(guò)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(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，共同用NRFD=0向發(fā)送者表示已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)；
    (3)當(dāng)發(fā)送者確認(rèn)所有接收者均已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(dāng)接收者確認(rèn)數(shù)據(jù)可以接收時(shí)，信號(hào)NRFD=O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(zhǔn)備；
    (5)接收者開(kāi)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(dāng)接收速度最慢的那一段設(shè)備接收完畢時(shí)，使母線NDVC=0，表示所有接收者均已接收完畢；
    (7)當(dāng)發(fā)送者確認(rèn)各接收者都已接收數(shù)據(jù)完畢，原來(lái)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(shí)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=l，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(zhǔn)備。

3 基于GPIB的車載音響測(cè)試系統(tǒng)
3．1 硬件系統(tǒng)
3．1．1 測(cè)試系統(tǒng)介紹
    本項(xiàng)目為車載音響集成機(jī)架式測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)?？紤]到系統(tǒng)將來(lái)的擴(kuò)充性，將全面采用測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)的統(tǒng)一平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)音響部分的功能。車載音響測(cè)試系統(tǒng)，主要分為5個(gè)部分：雙通道音頻信號(hào)發(fā)生器與雙通道音頻信號(hào)分析儀，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，音頻切換開(kāi)關(guān)，控制器、標(biāo)準(zhǔn)直流電源和軟件體系。共同承擔(dān)起完整的系統(tǒng)功能。其中音頻分析儀、信號(hào)發(fā)生器、直流電源均采用德國(guó)的高性能測(cè)試儀表，能夠完成精準(zhǔn)的測(cè)試要求。
    音頻分析儀包含雙通道的音頻信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)分析，具有極高的靈敏度和豐富的聲學(xué)測(cè)試專用功能，其并行工作模式完全符合立體聲等測(cè)試的要求。信號(hào)發(fā)生器 射頻信號(hào)發(fā)生器配合UPV可以產(chǎn)生FM信號(hào)和立體聲信號(hào)，并且可以作為接收測(cè)試的干擾源來(lái)用。
    音頻切換開(kāi)關(guān) 音頻切換開(kāi)關(guān)由兩部分組成：開(kāi)關(guān)箱和開(kāi)關(guān)箱主機(jī)。開(kāi)關(guān)箱用于音頻信號(hào)通路間的矩陣切換，比如：立體聲與其他測(cè)試項(xiàng)目間的切換；開(kāi)關(guān)箱主機(jī)通過(guò)PCI板卡來(lái)控制開(kāi)關(guān)箱，確保任何測(cè)試項(xiàng)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(jī)，主要完成控制各個(gè)儀表及運(yùn)行相關(guān)軟件。
    直流電源 標(biāo)準(zhǔn)直流供電電源，主要用來(lái)給被測(cè)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(lái)完成的，運(yùn)行在Windows XP環(huán)境下。測(cè)試人員所有的測(cè)試工作均是在該軟件下來(lái)完成，包括測(cè)試項(xiàng)目的選擇、測(cè)試序列的控制、測(cè)試結(jié)果的顯示(包括圖表的顯示等)、測(cè)試結(jié)果的保存、輸出報(bào)告等。測(cè)試人員的工作僅僅是選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目啟動(dòng)測(cè)試，儀表的控制、最后結(jié)果的顯示和保存均由軟件來(lái)進(jìn)行。
3．1．2 測(cè)試原理
    標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器SML模擬電臺(tái)產(chǎn)生射頻信號(hào)，音頻分析儀UPV產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)通過(guò)SML的Modulation口對(duì)SML產(chǎn)生的射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)SML的RF口輸出給被測(cè)音響，被測(cè)音響通過(guò)一系列變換產(chǎn)生音頻信號(hào)后再輸出到UPV，音頻分析儀UPV對(duì)被測(cè)音響產(chǎn)生的音頻信號(hào)進(jìn)行分析，產(chǎn)生出測(cè)試需求的結(jié)果。
3．1．3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的連接示意圖，如圖2所示?？刂破髋c測(cè)試用儀表之間通過(guò)GPIB線連接，音頻分析儀與開(kāi)關(guān)箱之間通過(guò)音頻連接線進(jìn)行連接，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器與開(kāi)關(guān)箱之間通過(guò)射頻連接線進(jìn)行連接，收音機(jī)與開(kāi)關(guān)箱之間通過(guò)音頻連接線進(jìn)行連接，開(kāi)關(guān)箱主機(jī)與控制器之間通過(guò)網(wǎng)線連接，開(kāi)關(guān)箱與開(kāi)關(guān)箱主機(jī)之間通過(guò)PCI進(jìn)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(yùn)行環(huán)境，用微軟公司的Visual C++作為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序界面。根據(jù)測(cè)試用儀表的SCPI命令來(lái)使用Visual C++。來(lái)編寫硬件驅(qū)動(dòng)庫(kù)。
    軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，劃分為不同的功能模塊：硬件驅(qū)動(dòng)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(jì)思想
    系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)和維護(hù)的效率。
    軟件設(shè)計(jì)中根據(jù)各種不同的設(shè)備及其功能將各個(gè)測(cè)試儀表封裝成類，即信號(hào)源類、信號(hào)分析類、電源類等，將對(duì)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(gè)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(duì)象，如信號(hào)源類表征了信號(hào)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(lái)派生一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)類，將采樣數(shù)據(jù)作為測(cè)量數(shù)據(jù)類的主要屬性，將各種測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)類的接口方法。使用這種方法并結(jié)合設(shè)計(jì)模式和多態(tài)性有助于接口的規(guī)范化和自由擴(kuò)展。
    構(gòu)造測(cè)量數(shù)據(jù)類，采用直接封裝結(jié)構(gòu)和數(shù)組，由于測(cè)量的數(shù)據(jù)量一般都比較大，全局對(duì)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(dòng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再供用戶界面使用。組件對(duì)象模型(Component Object Model，COM)定義了各種不同的對(duì)象如何利用一種公共約定的協(xié)議相互之間進(jìn)行通信，是一種獨(dú)立于語(yǔ)言和平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。COM組件最重要的特點(diǎn)是具有面向?qū)ο蟮奶匦?。通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù)，用戶界面不需理會(huì)它現(xiàn)在操作的是什么樣的硬件，它只需通過(guò)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(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)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(biāo)來(lái)暫時(shí)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(lái)屏蔽部分交互操作。這樣可以容易地實(shí)現(xiàn)進(jìn)行某項(xiàng)操作時(shí)屏蔽
其他操作的功能。
    軟件設(shè)計(jì)使用了VC++多線程編程技術(shù)，多線程是為了使多個(gè)線程并行工作，以完成多項(xiàng)任務(wù)，提高系統(tǒng)的效率。本測(cè)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(jì)2個(gè)線程：一個(gè)線程進(jìn)行測(cè)試及讀取測(cè)試結(jié)果的工作；另一個(gè)線程進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的界面顯示工作。并行任務(wù)可用CWinThread類線程來(lái)實(shí)現(xiàn)。線程之間是通過(guò)消息來(lái)通信，用全局變量來(lái)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(shí)現(xiàn)測(cè)試與顯示的同步，并及時(shí)響應(yīng)用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的控制。
    而且，為了測(cè)試的需要，有時(shí)需要從某個(gè)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(cè)消息RegisteWin—dowMessage供多個(gè)儀表協(xié)作。事件響應(yīng)技術(shù)是消息驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)響應(yīng)用戶界面上的交互事件可以形成控制指令，測(cè)量控制動(dòng)作則放在消息響應(yīng)函數(shù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。以消息機(jī)制觸發(fā)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)象的采樣方法，去操作儀表驅(qū)動(dòng)程序來(lái)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)；測(cè)量數(shù)據(jù)到達(dá)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理、表達(dá)，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(guò)用戶界面、測(cè)量數(shù)據(jù)兩個(gè)中心對(duì)象以消息作為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件測(cè)試流程圖如圖3所示。

3．2．2 硬件驅(qū)動(dòng)程序
    亦即接口板的驅(qū)動(dòng)程序，是系統(tǒng)控制軟件的最低層，它直接對(duì)GPIB接口板進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的I／O操作。按照功能設(shè)計(jì)接口庫(kù)函數(shù)，并將接口庫(kù)函數(shù)包裝在動(dòng)態(tài)連接庫(kù)DLL中(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(dòng)的編寫是根據(jù)測(cè)試儀表提供的SCPI命令來(lái)完成的，使用Visual C++進(jìn)行編寫。用VC++編譯產(chǎn)生的．exe文件，直接放人到應(yīng)用程序中。通過(guò)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(dòng)庫(kù)信息，用戶可以從該文件中查找有關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(jī)界面，一方面，可以使用戶靈活地選擇所要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目，并通過(guò)適時(shí)的對(duì)話框提示告訴用戶應(yīng)該完成的操作，而且能夠?qū)崟r(shí)顯示目前的測(cè)試狀態(tài)，如：測(cè)試開(kāi)始，測(cè)試正在進(jìn)行，測(cè)試完成。另一方面，用戶可以通過(guò)界面來(lái)完成各種功能，如：選擇要測(cè)試的項(xiàng)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(cè)試等。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目都會(huì)有若干個(gè)子測(cè)試項(xiàng)目，例如：AM中就包括限噪靈敏度測(cè)試，干擾頻率測(cè)試，自動(dòng)放大器測(cè)試等。當(dāng)用戶選中測(cè)試項(xiàng)目后，它相應(yīng)的子測(cè)試項(xiàng)目會(huì)全部羅列出來(lái)，供用戶進(jìn)行靈活選擇。此外，測(cè)試的結(jié)果可以在測(cè)試完成之后，馬上在界面中顯示出來(lái)。在顯示結(jié)果的同時(shí)所有的結(jié)果也被保存下來(lái)，用戶可以通過(guò)界面上的操作按鈕來(lái)查看保存的結(jié)果。這種方式使用戶可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)測(cè)試指標(biāo)是否符合要求，也可以使用戶在事后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，為用戶提供了極大的方便。同時(shí)，還可以根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生輸出報(bào)告，報(bào)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(shí)時(shí)的也可以是非實(shí)時(shí)的。實(shí)時(shí)是指在測(cè)試完成后，測(cè)試的結(jié)果會(huì)馬上在界面上顯示出來(lái)，非實(shí)時(shí)是指所有的測(cè)試結(jié)果都能夠保存下來(lái)，供用戶事后使用。對(duì)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(huì)自動(dòng)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(guò)界面上的操作來(lái)完成。
3．3 測(cè)試方法舉例
3．3．1 基于GPIB的FM的限噪靈敏度測(cè)試
    (1)首先將被測(cè)收音機(jī)調(diào)諧到94．1 MHz；
    (2)用計(jì)算機(jī)控制將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)收音機(jī)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(cè)試項(xiàng)目就可以開(kāi)始測(cè)試了。
    測(cè)試的結(jié)果依據(jù)TL972標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，TL972標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試
    (1)首先播放測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)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(lái)，待所有頻率播放完畢，軟件界面上會(huì)自動(dòng)畫(huà)出頻響圖，并將相應(yīng)的頻率和輸出同時(shí)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(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB控制測(cè)試儀表來(lái)完成測(cè)試比，通過(guò)手動(dòng)測(cè)試大大提高了測(cè)試人員的工作量，使測(cè)試工作完全自動(dòng)化，減少人工干預(yù)，大大增加了測(cè)試速度和準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 語(yǔ)
    基于GPIB的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)越性，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好，同時(shí)軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，有利于進(jìn)一步擴(kuò)展或修改。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于汽車音響測(cè)試，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)可靠性高，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，軟件升級(jí)方便快捷，可移植性好。