应用LabVIEW开发的车载音响性能检测系统

张震邦，汪小名，吴伟斌，刘落实，黄冰瑜，郭协明，陈燊豪

（1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642；2.广州智维电子科技有限公司，广州510641）

0 引 言

音响及多媒体系统一体化产品在汽车中的应用日益广泛。车载音响设备已成为汽车中必不可少的一部分，有必要对汽车音频系统进行性能检测。评价音频设备的性能指标主要包括频率响应、总谐波失真、动态范围和共模抑制比等。目前市场上已出现了可用于测量音频设备的各类分析仪器，具有操作简便、测量精度高等优点，获得了广泛的应用。但这些硬件仪器功能单一，图形显示效果差，存储打印性能低，可扩展性也差，而且价格昂贵令用户难以承受［1-5］。

为了克服传统音频分析设备的缺陷并提高汽车音频设备的测试效率，本文以国家标准“车载音视频及多媒体信息集成系统通用技术条件”为参考，提出一种新的音频分析设计技术。该技术基于虚拟仪器的思想，可方便准确地对汽车音频设备进行整体的性能测试。

1 测试系统工作原理及硬件组成

1.1 测试系统原理和硬件总体架构

该检测系统硬件主要由高速数据采集设备构成，硬件以工业控制计算机为核心，系统软件采用LabVIEW和Sound and Vibration，包含可定制的收音机控制模块（Radio Control）和音频信号分析模块（AudioAnalyzer）等。采用LabVIEW 开发，具有低成本和可灵活扩展等特点，同时系统软件能保障系统的正常运行和应对以后的更新测试项目。本系统应用了数字信号处理、虚拟仪器技术、测控技术及计算机等多方面的技术知识，实现了车载收音机测试系统的精密测试［6-8］。

测试系统原理如图1、2所示。车载音频系统是调幅/调频（Amplitude Modulation/Frequency Modulation，AM/FM）、DVD/CD、功放和液晶显示屏等组成的一体化装置。本方案针对收音机部分，采用的测试方案是由音频信号发生器输出标准的测试信号，信号通过车载收音机装置，测试输出通道的音频参数，并进行相关分析。需要注意的是，在功放输出端测量AM/FM接收机的4个输出通道音频性能，测量结果实际反映的是AM/FM和功率放大器的整体性能。

图1 AM/FM测试系统示意图

图2 音频放大器测试系统示意图

1.2 系统各组成部分功能

1.2.1 待测试车载音视频设备

音频设备为Cruze CE8945。

1.2.2 4通道NI 9234数据采集卡

NI 9234作为4通道C系列动态信号采集模块，可以测量来自集成电路压电式与非集成电路压电式（IEPE）传感器的信号。具有4路同步采样模拟输入，±5 V输入范围，24 bit分辨率，102 dB动态范围，抗混叠滤波器，每通道最高51.2 kS/s采样速率，在本系统中用于采集4通道音频信号。

1.2.3 4槽NI cDAQ-9174

NI cDAQ-9174 Compact DAQ 4槽USB机箱适用于混合信号测量系统。cDAQ-9174最多可与4个I/O模块结合，以自定义搭建模拟输入、模拟输出、数字I/O和计数器/定时器数据采集系统。用户能够通过cDAQ-9174配置的硬件定时数字NI C系列模块，访问4个内置的32 bit通用计数器/定时器，设计正交编码器、PWM、事件计数、产生脉冲序列，以及测量周期或频率，与NI 9234模块共同构成数据采集硬件模块。

1.2.4 1 kHz、0 dB 的测试光盘

1 kHz 0 dB标准正弦波信号，符合DVD/CD系统技术规范规定，常被用于音频系统的功率放大器性能。

1.2.5 12 V直流电源

设备使用电源电压为DC 12 V。

1.2.6 AM/FM信号发生器

SG-1501B信号发生器频率覆盖范围由100 kHz～150 MHz，开路时输出电平范围为-20～126 dBμV，AM调制范围为0% ～60%，FM调制范围为0～100 kHz，通过RFSG产生RF Signal射频信号，作为车载收音机的输入测试信号。

1.2.7 PC机

PC个人台式计算机，主频为2.00 GHz，内存为2.00 GB，硬盘容量为320 GB。

2 测试系统的软件设计

2.1 软件设计思路

软件的用途主要有采集音频信号数据，音频性能各项参数测试和数据记录与显示。对数据采集卡进行初始化设置，将采集到的各个测试项目的数据进行记录、处理和显示［9-14］。其流程图如图3所示。

图3 软件设计流程图

2.2 软件总体架构图

基于LabVIEW和声音和振动（Soundand Vibration）工具包的音频测试系统整体软件架构主要由以下几部分构成，如图4所示。

图4 主程序软件架构图

计算机虚拟仪器音频测试系统各部分功能说明如下：

（1）DAQmx数据采集设置。控制NI 9234，设置采集相关参数如采样率、采样通道等。

（2）原始信号波形、频率显示。显示所采集的原始信号波形、频率、幅度等。

（3）交流毫伏表。测试信号的交流有效值。

（4）谐波失真测量。测试信号THD，SINAD，以及THD+D等失真信息。

（5）增益、RMS测量。测量信号使用汉宁窗计算线性平均直流与均方根数值。

（6）实验数据记录保存。用于记录测试过程中的数据结果并记录到文件中。

（7）其他。拓展测试模块如声音强度测量和音阶分析等。

工具包的内容有基带和缩放FFT的频率测量、THD、SINAD以及正弦扫频等相关的倍频分析，以工程单位为基准校准结果。

2.3 软件界面

软件界面分为原始信号波形显示和各测试项目数据读取。

原始信号波形显示如图5所示，主要功能为设置采集通道和采样率等参数，通过4通道同时采集到的波形数据分成不同颜色显示在虚拟示波器上，测试数据结果可以保存到Excel文件中。

图5 原始信号波形显示界面

各测试项目数据读取如图6所示，主要显示信号的频谱图以及各项性能参数，并可通过实时数据的记录，将与测试相关联的数据记录到自定义命名的Excel表格中，方便后期的数据处理与核实。

图6 各项测量显示界面

3 试验测试结果和误差分析

3.1 测量仪器简介

系统失真度采用TDM-1911失真仪进行测量，失真度测量范围为0.01% ～30%，电平测量范围为100 mV ～100 V。

ST16A示波器。该型号示波器的Y轴偏转因数为5 mV ～ 5 V/div，扫描时间因数为0.1 s/div ～ 0.1 μs/div±3%。

GVT-427B毫伏表，测量范围为300 μV～100 V。

3.2 试验数据记录和误差分析

测试项目采用虚拟失真计作为读取测试结果的仪器，辅助以信号发生器，虚拟示波器，虚拟毫伏表等仪器。

试验数据真值由真实仪器测量所得，真实仪器包括失真仪、示波器和毫伏表。

测试系统绝对误差为

式中：Δ为绝对误差；A为测量值；L为真值。

相对误差为

式中：δ为系统测试相对误差；（试验中以真实仪器所测值作为真值，真实仪器误差忽略不计）。

平均相对误差绝对值按照式（3）进行计算：

式中：｜δn｜为第n次测量时的相对误差绝对值。

表1为3次虚拟仪器的测试结果相对误差百分比和平均相对误差绝对值。

表1 各项目测试数据和误差

3.3 测量数据的对比和分析

图7分别为第1～3次虚拟仪器测量数据与真实仪器测量结果的数据拟合图。图中，x为真实仪器测量值，y为虚拟仪器测量值。

图7 3次测量数据拟合曲线

可见，以真实仪器测试的结果作为参照对象，虚拟失真计的几次测量结果，出现过3次较大的误差，分别是14.285 7%，11.111 1% 和8.333 3%，失真误差比较大，是由于屏蔽效果不好产生噪音信号干扰引起不稳定失真，其他在13% ～15%之间，平均相对误差绝对值在0%～5%之间，基本符合国家标准规定的测量误差要求［15］。

由真实仪器测量数据和虚拟仪器3次数据在Excel中做数据拟合的结果可知，3次的拟合直线公式分别为：

回归系数分别为R2＝0.997 8，R2＝0.998 2，R2＝0.998，非常接近于1，说明拟合的效果很好，虚拟仪器测试结果与真实仪器测试结果非常接近［16-18］。

4 结 语

（1）测试系统实现的功能。对车载音响性能的检测，实现了对AM性能、FM性能和音频功率放大器性能的测试。通过对虚拟仪器测量的数据结果和真实仪器测量的数据结果进行对比分析，本系统的相对误差在0% ～12%之间，3次测量相对误差平均值在0% ～5%之间，基本满足测试的要求，拟合曲线的回归系数非常接近1，总体虚拟系统的测试结果与实际结果非常接近。

（2）传统仪器的功能相对单一。本系统还能拓展其他的测试以及对现有模块进行调节，在功能上更加灵活，如系统中添加的声音强度测量和音阶分析等，后期的开发能够使整个系统保持与当今主流设备匹配，减少更新硬件仪器的费用［19-20］。

（3）与传统仪器相比。本系统能简化测试过程，并自动记录及生成数据结果。原来依靠手动记录数据，测试全部项目需要140 min。该系统更加方便测量分析数据，在一次完整的测试中将测试时间缩短了约40 min，能在一定程度上提高测试效率。