基于DSP的汽车电喇叭耐久性智能试验台的研发

化雪荟，林伟康

(1. 佛山职业技术学院电子信息工程学院，广东 佛山 528000；2. 广东新昇电业科技股份有限公司，广东 佛山 528000)

0 引言

汽车电喇叭是汽车安全系统中一个不可缺少的电器元件。电喇叭能否适应汽车外环境的变化正常工作并同时发出适合的声响以及悦耳的声色，已经成为汽车电喇叭制造的核心问题。喇叭是开车时频繁使用的装置，电喇叭作用发挥得好，减少了减速、制动处理情况的操作次数，对车辆行驶速度的提高与行车安全将产生一定的影响[1-3]。虽然国内大多一线城市已经实行“禁鸣”，很多城市和乡镇还是允许鸣喇叭的。由于我国国情和驾驶员习惯与欧美等国存在很大差异，使得汽车喇叭要多鸣号10倍左右，直接导致电喇叭寿命难以满足我国市场需求，因此汽车电喇叭耐久性已经成为近年来的研究热点，而目前国内尚无较为完善的测试试验系统，制约着行业的快速发展[4]。

本文针对标准 GB 15742-2001《机动车用喇叭的性能要求及试验方法》和QC-T 30-2004《机动车用电喇叭技术条件》中电喇叭测试要求（包含启动性能和耐久性试验），为电喇叭测试提供一个稳定、可靠的智能电喇叭测试系统方案。

1 电喇叭耐久性试验台设计

电喇叭性能耐久试验台是用于测试电喇叭耐久度的仪器。通过对电喇叭的工作电压、电流和声音分贝三种参数进行设置并采集，综合判断、确定喇叭每一次工作是否合格，并统计总工作次数，用于确定喇叭的耐久度，结合国家标准和行业标准规定的耐久次数要求判断电喇叭是否达标。

试验台由启动测试盒 DSP处理器（digital singnal processor）、文本显示器模块、喇叭控制电路模块和工作箱组成，如图1所示。其中，耐久试验台采用220 V供电，经整流变压后为文本显示器、控制部分、可调直流电源、电喇叭取样部分、散热风扇、声音传感器、电压电流变送器等部分供电。DSP控制部分接受用户通过按键输入的信息，控制DSP内部工作情况，实现对喇叭测试的控制断开。控制面板的按键有多种功能，声音传感器标准值设置键可以设置标准电压，声音传感器失效次数设置键可以设置允许的失效次数，而电压/电流设置键则用来设置供给的电压和电流。DSP文本显示器用于显示设置的标准值（包括上下限值）：电压、电流、声音分贝和失效次数，以及测试过程中各路工作次数。

1.1 试验台DSP启动测试控制盒

1.1.1 DSP控制盒

汽车电喇叭耐久性能试验台在DSP性能方面要求较高，需要有特殊功能模块，所以选用DSP微处理器对喇叭的电压、电流以及启动的次数等进行控制。在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件 I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作[5-10]。

1.1.2 试验台DSP启动控制部分

DSP接入电源经整流变压后为文本显示器、启动控制部分、可调直流电源等各部分供电，如图2所示。

工作时，打开开关，系统开始自检，确认工作环境正常之后，就可以开始测试工作。DSP控制,采用 NPN管输出方式，用户按键输入控制参数之后，并显示当前启动测试盒状态。通过外部按键设置脉冲输出次数与间隔时间，通过启动按键（自动/手动）可选择不同的启动方式。开始测试之后，脉冲次数和间隔时间将在DSP文本显示器显示。输出部分，DSP用于控制IGBT管通断时间，IGBT管接受来自DSP发来的信号，接通可调直流电源至电喇叭。根据电喇叭的额定电压，通过设置可调直流电源，可以改变加于电喇叭两端的电压，电压范围为5～30 V。

在测试过程中，按下手动或者自动键，可以在两种控制方式中切换进行，同时两个指示灯显示对应的状态。

1.1.3 DSP测试控制

启动系统之后，DSP提供一个可调的时间脉冲，输出到驱动功率管 IGBT，IGBTG管接通测试喇叭的回路电源，同时声音传感器开始监控状态直到测试结束。预先设定标准声音分贝和标准声音上下限值，以及防止偶然干扰或偶尔的声音嘶哑造成的误测而设定的允许失效次数，即可以启动测试。试验台声级计用于记录声级，通过采集到的声级曲线，根据标准的声级参数可以判断该喇叭是否达标。

1.2 耐久试验台的调试

DSP控制 MOS管接通、分断电喇叭，接受电喇叭反馈信号，判断该路喇叭在耐久通断下寿命状态以及避免发生意外的断电保护。MOS管开关接受控制部分发来的控制信号，控制可调直流电源。启动测试后，DSP提供一个1 s脉冲，轮流驱动各路MOS管，每个循环周期为5 s，并将每一路电压、电流和声音反馈回DSP综合判断喇叭某一次测试是否有效。若信号取样部分检测到失效次数达到设定值则停止该路工作，保存计数值，其他各路继续工作直到全部测试完毕，从而得到各路喇叭的耐久次数。信号取样部分包括电压取样和电流取样，还包括声音传感器模块。使用直流电压变送器和直流电流变送器采集喇叭电压和电流值送入AD模块，另外将改装成品噪音计直接获取数字信号送入DSP。喇叭需放置在隔音箱里，起到隔音作用，隔音箱还需附带散热风扇，以维持一定温度。根据电喇叭的额定电压，加装可调开关电源，而改变加于电喇叭两端的电压，范围0～30 V。主程序工作流程图如图3所示。

2 耐久性试验台性能及技术参数分析

试验台 DSP输出脉冲的时间控制精度在±1 ms，脉冲可调最小分辨率为0.1 s，DSP的输出方式采用晶体管输出，响应时间小于2 us。直流驱动采用高速IGBT管（100 W功率），其响应时间小于1 us。脉冲输出到响应时间很小（不超过1 ms），精度高大屏幕液晶显示（DSP文本显示器）。

2.1 电流与电压精度

GB/T 15742-2001要求直流送电范围95～115%，整流送电控制精度在0.1 V。试验数据分析如表 1、表 2所示，结果表明试验台测得的电流、电压精度可达±0.1 A、±0.1 V。其中，电流的绝对误差绝对值平均为48 mA，相对误差绝对值平均为 1.92%；电压的绝对误差绝对值平均为54.1 mV，相对误差绝对值平均为0.31%。

表1 电流变送器试验数据分析表Tab.1 analysis of the current transmitter experimental data

表2 电压变送器试验数据分析表Tab.2 analysis of the voltage transmitter experimental data

2.2 声音测试试验

人听到声音的分贝，声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。在自由场中不同距离的分贝变化，可为喇叭本体的优化做出有价值的参考[6]。声级是物理上引入来描述声音的大小。试验中声压级的测量距离、测量环境均有严格规定。振动基频定义为喇叭工作时每秒钟动铁心带动膜片往复振动的次数，该频率与喇叭机械系统的固有频率十分接近，目的是工作时产生共振耦合效果，从而产生较大声音。试验采用型号为伟东蜗牛2-2的电喇叭进行测试。

试验台声音传感器数字值与声级计的分贝对应关系为3 900对应150 dB，波动范围在±35之间。而传感器电压与声级成线性关系：Y=1.656·X+66.42，相关系数R=0.89，其中Y为声级，X为电压。

以精度为0.1 dB的声级计为标准，试验台声音测量与声级计测量的声音误差分析如表 3所示，误差为±1 dB，达到国家标准的要求。其中，声音绝对误差的绝对值平均为0.586，相对误差绝对值平均为0.82%。

表3 声音测试误差分析表Tab.3 precision analysis of the sound test

3 试验与分析

试验时必须根据能耗和负载考虑额定电流和电压。电喇叭工作电流一般不超过6～6.5 A。

本试验额定电流为3 A。适应电压范围是指当汽车电瓶电压波动时，喇叭能够可靠工作并发出满足声音要求的最大、最小电压范围。

在试验台上对通泰蜗牛1-1、声扬盆形2-2、五狮盆形3-1和伟东蜗牛4-1四种喇叭进行试验。对喇叭在自由场中随机距离的声音分贝变化进行检测，并比较四种喇叭在自由场的声音效果。分析如表4所示，结果表明，四种喇叭的响度均符合93 dB～118 dB的标准，但在距离200 cm的条件下，伟东蜗牛4-1同距离响度差值为7.30，超过标准规定的5 dB，性能不合格。而五狮盆形3-1不同距离的差值均不合格。通泰蜗牛 1-1和声扬盆形 2-2均符合要求，其中，以声扬盆形 2-2较为优秀，不同距离距离差值平均为2.83 cm。

表4 喇叭在自由场中随距离变化的声音分贝变化分析表Tab.4 analysis of the change of the electronic horn's sound decibel changed with distance in a free field

试验台在为期三个月的不间断试验中，系统均能稳定工作，并保持良好的精确度。目前已通过国家计量认证部门的认证，并为某电器科学研究院中采购使用。

4 结论

本试验台根据国家标准GB/T 15742-2001和QC/T 30-2004的相关要求，采用DSP技术，通过控制电流电压并运用声级计检测，实现对电喇叭耐久性的检测。测试中变送电流电压精度达到±0.1 A、±0.2 V，声级分贝达到了±1 dB，精度达到试验要求，且符合相关的国家及其相关标准。其中，电流的绝对误差绝对值平均为48 mA，相对误差绝对值平均为 1.92%；电压的绝对误差绝对值平均为 54.1 mV，相对误差绝对值平均为0.31%；声音绝对误差的绝对值平均为0.586 dB，相对误差绝对值平均为0.82%。

试验台通过对四种产品进行的同等条件试验，表明四种喇叭的响度均符合93 dB～118 dB的标准，以声扬盆形 2-2较为优秀，不同距离距离差值平均为2.83 cm。