应用背景与动机
在工厂生产线上的测试验证,对于音频讯号的量测分析,以往都是使用Audio Precision及其所附之软体ATS来做处理,其软硬体在业界广为使用,且具有一定之可信度。但是,其音频分析,都是针对单一音频(single tone)来做处理,不但分析上耗费时间过长,操作界面也不易操作,重要的是所需软硬体造价不赀,加上开发时间长;如果想多开设几条生产线,成本跟时间都是一笔相当大的支出。再来,由于客户提出多增列一项多音频(multi-tone)测试项目,对于整体生产成本更是不小的负担。所以,选择一低成本、处理时间短与操作简单的替代方案是势在必行,此系统不但要具有简易的操作界面,好在短时间内可将测试设备转移给生产线工程人员,还必须兼顾整体测试之经济成本与时效性,提升生产效率。
研究之问题及目的
所以,在评估此方案上,成本上的考量虽列为首要,但仍须兼顾测试的精确度。选择由NI的可携式DAQ Card作为讯号撷取的工具,除了其产品稳定性高且效能符合目标外,加上具有十六个通道可以使用,在扩充性上也具有其优势。另外,LabVIEW软体发展易操作的人机界面,作为控制DUT输出讯、DAQ Card撷取讯号以及讯号分析处理之用。
LabVIEW及DAQ Card来取代Audio Precision及ATS之可行性上,主要取决于硬体的效能,选用可携式USB界面的DAQPad-6015,其解析度为16 bits,虽然其最大取样率200KHz,且可使用之Input Channel数为十六个,但在解析度上比Audio Precision的24 bits来的差,在原始讯号的精确度上可能会是很棘手的问题。而且,因为DUT的音频输出分为左右声道,对于使用单一放大器的DAQPad-6015来说,在撷取过程中,如何避免音频讯号产生串音现象,也是该注意着墨的重点。
在与DUT沟通方面,则以RS-232作为I/O介面,再配合客户所制订之通讯协定指令来加以控制,但因为LabVIEW无法顺利呼叫客户所提供之DLL档。所以,必须先使用VC++再编译一层DLL档,建立新的API后,再提供给LabVIEW来呼叫使用。
最后,在讯号分析上则使用FFT(Fast Fourier Transform:快速傅立业转换)演算法来求得所撷取之Multi-Tone音频讯号,再根据客户所要求的测试项目,如THD+N、SNR,以及左右声道的Balance、Isolation及各音频对于1K Tone的差值。以上测试结果除了会显示于人机界面上外,并存档客户所要求之格式,透过网路存档到资料库中。
以上控制及分析动作全部以LabVIEW来完成,藉由人机操作界面,可完全取代Audio Precision及ATS,成为生产线测试验证系统。如此除了成本可以降低之外,测试程式开发与测试的时间也可减少一半以上。
研究流程及设计
在系统设计初期,由于硬体的解析度不同,担心会对所撷取的原始音频讯号,在精确度上产生差异,并影响FFT之后的结果,所以,特别针对两种硬体所撷取的音频讯号做过比对,并比较其在频谱上的差异。因为从两种不同设备所撷取的原始讯号在比较上是几乎无差距,但经由频谱观察,由DAQ Card所得之频谱在Noise Flow上是大于Audio Precision,但此差异并不影响分析之结果。
另外,针对客户所提供之DLL档,由于档案里头含有Structure之档案,LabVIEW无法顺利使用Call Library Function Node这个元件去呼叫Structure档,虽然可以在LabVIEW环境下重新建立Structure档案中的变数,但因为数量太多,若以LabVIEW来建立会太过繁琐。所以,使用VC++将客户所提供之DLL档再编译一层,并订定新的API,提供给LabVIEW来呼叫,在经过多次验证后,确认新的DLL档可供呼叫使用。
进行多音频讯号分析系统环境架设,如(图一)所示,以桌上型电脑作为系统处理中枢,使用主机原有的通讯界面,RS-232及USB,分别连接测试DUT的治具及DAQPad -6015,作为控制沟通及资料撷取之用;并用PS/2连接条码扫瞄机,分别扫瞄治具及DUT上的条码,作为测试结果档名之用,建立一套PC-Based的分析系统。
在确定硬体架构后,开始进行系统软体设计,流程如(图二)所示。
因为架设的测试治具只有一台,所以,治具的条码序号只需在第一次使用时扫瞄即可,并将条码存至Windows系统下的登录档中,待测试成功结束与测试结果一同存至档案中,以简化每次测试都得再扫瞄一次的困扰。在主要过程中,以控制DUT输出Audio讯号为首要目标,藉由RS-232传递控制指令至DUT,此步骤需呼叫以VC++编译成之DLL,对DUT进行Open Comport及Set Power指令,并判断DUT是否正常动作,再接着进行Set Channel动作,使得DUT可顺利接收由SMIQ(Signal Generator,Rohde & Schwarz)所发射之高频讯号,并由左右声道输出音频讯号。接着,控制DAQPad-6015,撷取左右声道的Multi-Tone讯号,并对讯号的正确性进行判读,为避免讯号产生串音现象,在DAQ Card的接线上,以AI0接到左声道,而AI2接到右声道,AI1及未使用之通道则连结至AI Sense。然后进行FFT得到多音频讯号之功率频谱图,同时侦测出多音频讯号各频率点之振幅,再进行THD+N、SNR、Balance、Isolation等运算,并将其测试结果显示于人机界面上并存档。
@大标:结果呈现
经由上述之研究方法及流程后,多音频讯号分析系统终于完成,其人机界面如(图三)所示。
![《图三 多音频量测分析系统---针对一台DUT测试使用》](/art/2006/07/061949159236/p3.gif)
《图三 多音频量测分析系统---针对一台DUT测试使用》 |
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人机界面操作说明如下:
- (1)设定主机串列埠号码及DUT之号码。
- (2)串列埠及DUT电源是否开启成功之状态显示。
- (3)讯号分析设定之参数,如采样率、Filter Windows及资料处理长度等。
- (4)讯号分析结果,如Power Level、SNR及THD+N等
- (5)原始讯号之显示画面,可提供使用者作初步的判别。
- (6)测试结果之显示。 PASS显示绿灯,NG则以红灯表示。
- (7)START键,程式开始执行之按键。 Fixture NO.键,程式第一次执行时使用,或将系统安装至新主机时使用。
- (8)设定DAQPad-6015的Device Number及所使用之通道号码。
- 转移此测试分析系统至生产线后,在经过试用之后,生产线的产品工程师提出几个改进的要求:
- (1)因为测试治具只有一台,只能测试一台DUT,为增快测试效率,产品工程师将修改测试治具,使其一次可测试四台DUT。
- (2)人机介面上的测试结果对于作业员来说太过于复杂,希望再精简测试结果的显示。
针对以上两点需求,遂修改测试程式,如(图四)所示。将修改重点摆放在测试结果的显示上,取消前版系统上的编号1、2、4,保留编号3、5、6及7四项,并将编号6的图示再放大,且在程式执行中先隐藏,提醒使用者测试正在进行中,直至讯号分析完毕,再显示结果为PASS或NG,以符合产线作业上的需求。
在硬体方面,考虑DAQ Card采样率及避免Cross Talk问题,因为此张DAQ Card为单一放大器,其可提供之最大采样率为200KHz,而撷取DUT输出之多音频讯号的采样率为32KHz,所以总共可供六个通道使用,但为了产线人员架设方便,且程式撰写上的一致性,便设计一张DAQPad-6015只能撷取四个通道的资料,也就是两台DUT。所以,需再增加一张DAQPad-6015来达到硬体上的需求。另外,修改人机界面上的测试结果显示,单纯以PASS或NG来表现测试结果的良窳。
![《图四 多音频量测分析系统—针对四台DUT测试使用》](/art/2006/07/061949159236/p4.gif)
《图四 多音频量测分析系统—针对四台DUT测试使用》 |
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人机界面操作说明如下:
- (1)设定DAQPad-6015的Device Number及所使用之通道号码。
- (2)讯号分析设定之参数,如采样率、Filter Windows及资料处理长度等。
- (3)START键,程式开始执行之按键。 Fixture NO键,程式第一次执行时使用,或将系统安装至新主机时使用。
- (4)测试结果之显示,PASS显示绿灯,NG则以红灯表示。
- (5)原始讯号之显示画面,可提供使用者作初步的判别。
结论与建议
经由上述反覆地设计验证之后,此测试分析系统已经顺利完成,并(再次)转移至生产线来使用,简易的人机操作界面也符合产线作业员需求;快速地量测与分析速度,更缩短整个生产测试时间,提升生产效率。虽然在开发过程中曾经以另一张效能更好的DAQ Card,PCI-4474,来取代DAQPad-6015,但碍于成本的考量只好割爱,转而专注在讯号的处理与硬体抗杂讯方法上,并藉由多次的实验,以不同的分析方式来得其最佳的效果。
最后,此系统除了比原系统降低成本之外,在多通道的扩充使用上也极具优势,加上开发完成的时间更是比预期来的短,而且在系统移转上更是方便。 (作者为启碁科技工程师)
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在LabVUEW环境下,使用者除了可以使用LabVIEW所提供在Control Pallet上的元件(Control或Indicator)外,更可以利用Edit Customize Control功能,来改变显示在Front Panel上元件的外观。除了可以自订元件之外,LabVIEW还针对需要使用大量控制元件来开发程式的LabVIEW使用者,提供了绝对型别定义(Strict Type Definitions)功能。相关介绍请见「透过绝对型别定义(Strict Type Definition)」一文。 |
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LabVIEW使用来做仪器自动控制的工具,使用LabVIEW来做一些实验数据的读取,通常,读取到的资料量都相当少。在工厂中,数以百计的仪器都需要使用LabVIEW做仪器自动控制,每一台仪器又会产生一些资料档或是记录档,此时将资讯分存于单独的电脑中,会造成资料分散,所以需要将资料存放于资料库中。你可在「利用LabSQL,进行资料库存取」一文中得到进一步的介绍。 |
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利PCMCIA介面的DAQ卡取代传统笨重的数位式波器撷取讯号,并以LabVIEW开发系统整合程式,以完成繁杂的讯号处理、分析及硬体控制。由上述方式所开发的自动化检测系统,除大幅提升实验室内实验数据量测与分析效率外,亦使成熟的检测理论能迅速转移至产业技术的应用。在「虚拟仪控在弹性波非破坏检测技术之应用」一文为你做了相关的评析。 |
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美商ADI和NI公司日前发表NI LabVIEW Embedded Module for ADI Blackfin Processors。该立即可用的整合方案延伸了LabVIEW图形化资料开发环境,并以高效能、低电力的Blackfin处理器为目标,使网域专家只要利用一个图形化开发平台,便能克服嵌入式系统开发的挑战,迅速推出精密的应用程式。相关介绍请见「NI LabVIEW结合ADI Blackfin处理器简化嵌入式系统开发」一文。 |
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微软公司选择NI LabVIEW及PXI产品,做为Xbox 360游戏及娱乐系统控制器的测试平台。这套虚拟仪控解决方案原本是在微软的设计认证实验室中开发,最近已经布署至生产线,应用于测试每一部Xbox 360控制器。你可在「微软选择NI LabVIEW及PXI产品测试 Xbox 360控制器,测试时间有效缩短50%」一文中得到进一步的介绍。 |
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日本NI发表NI DAQPad-6015、NI DAQPad-6016、NI USB-9211、NI USB-9215和NI SCXI-1600五款支援USB的数据采集器。主要用于车载数据采集等安装空间有限的情况。 DAQPad-6015和6016为16位精度,单通道最大采样频率为每秒20万。两种产品均配备螺丝介面,不必购买连接线和介面即可使用。在「日本NI上市五款USB数据采集器」一文为你做了相关的评析。 |
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