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多音頻訊號量測及分析系統—DAQ Card的應用
 

【作者: 蔡明曄】   2006年07月06日 星期四

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應用背景與動機

在工廠生產線上的測試驗證,對於音頻訊號的量測分析,以往都是使用Audio Precision及其所附之軟體ATS來做處理,其軟硬體在業界廣為使用,且具有一定之可信度。但是,其音頻分析,都是針對單一音頻(single tone)來做處理,不但分析上耗費時間過長,操作界面也不易操作,重要的是所需軟硬體造價不貲,加上開發時間長;如果想多開設幾條生產線,成本跟時間都是一筆相當大的支出。再來,由於客戶提出多增列一項多音頻(multi-tone)測試項目,對於整體生產成本更是不小的負擔。所以,選擇一低成本、處理時間短與操作簡單的替代方案是勢在必行,此系統不但要具有簡易的操作界面,好在短時間內可將測試設備轉移給生產線工程人員,還必須兼顧整體測試之經濟成本與時效性,提昇生產效率。


研究之問題及目的

所以,在評估此方案上,成本上的考量雖列為首要,但仍須兼顧測試的精確度。選擇由NI的可攜式DAQ Card作為訊號擷取的工具,除了其產品穩定性高且效能符合目標外,加上具有十六個通道可以使用,在擴充性上也具有其優勢。另外,LabVIEW軟體發展易操作的人機界面,作為控制DUT輸出訊、DAQ Card擷取訊號以及訊號分析處理之用。


LabVIEW及DAQ Card來取代Audio Precision及ATS之可行性上,主要取決於硬體的效能,選用可攜式USB界面的DAQPad-6015,其解析度為16 bits,雖然其最大取樣率200KHz,且可使用之Input Channel數為十六個,但在解析度上比Audio Precision的24 bits來的差,在原始訊號的精確度上可能會是很棘手的問題。而且,因為DUT的音頻輸出分為左右聲道,對於使用單一放大器的DAQPad-6015來說,在擷取過程中,如何避免音頻訊號產生串音現象,也是該注意著墨的重點。


在與DUT溝通方面,則以RS-232作為I/O介面,再配合客戶所制訂之通訊協定指令來加以控制,但因為LabVIEW無法順利呼叫客戶所提供之DLL檔。所以,必須先使用VC++再編譯一層DLL檔,建立新的API後,再提供給LabVIEW來呼叫使用。


最後,在訊號分析上則使用FFT(Fast Fourier Transform:快速傅立業轉換)演算法來求得所擷取之Multi-Tone音頻訊號,再根據客戶所要求的測試項目,如THD+N、SNR,以及左右聲道的Balance、Isolation及各音頻對於1K Tone的差值。以上測試結果除了會顯示於人機界面上外,並存檔客戶所要求之格式,透過網路存檔到資料庫中。


以上控制及分析動作全部以LabVIEW來完成,藉由人機操作界面,可完全取代Audio Precision及ATS,成為生產線測試驗證系統。如此除了成本可以降低之外,測試程式開發與測試的時間也可減少一半以上。


研究流程及設計

在系統設計初期,由於硬體的解析度不同,擔心會對所擷取的原始音頻訊號,在精確度上產生差異,並影響FFT之後的結果,所以,特別針對兩種硬體所擷取的音頻訊號做過比對,並比較其在頻譜上的差異。因為從兩種不同設備所擷取的原始訊號在比較上是幾乎無差距,但經由頻譜觀察,由DAQ Card所得之頻譜在Noise Flow上是大於Audio Precision,但此差異並不影響分析之結果。


另外,針對客戶所提供之DLL檔,由於檔案裡頭含有Structure之檔案,LabVIEW無法順利使用Call Library Function Node這個元件去呼叫Structure檔,雖然可以在LabVIEW環境下重新建立Structure檔案中的變數,但因為數量太多,若以LabVIEW來建立會太過繁瑣。所以,使用VC++將客戶所提供之DLL檔再編譯一層,並訂定新的API,提供給LabVIEW來呼叫,在經過多次驗證後,確認新的DLL檔可供呼叫使用。


進行多音頻訊號分析系統環境架設,如(圖一)所示,以桌上型電腦作為系統處理中樞,使用主機原有的通訊界面,RS-232及USB,分別連接測試DUT的治具及DAQPad-6015,作為控制溝通及資料擷取之用;並用PS/2連接條碼掃瞄機,分別掃瞄治具及DUT上的條碼,作為測試結果檔名之用,建立一套PC-Based的分析系統。


《圖一  多音頻訊號分析系統硬體架構示意圖》
《圖一 多音頻訊號分析系統硬體架構示意圖》

在確定硬體架構後,開始進行系統軟體設計,流程如(圖二)所示。



《圖二  多音頻訊號分析系統軟體設計流程圖》
《圖二 多音頻訊號分析系統軟體設計流程圖》

因為架設的測試治具只有一台,所以,治具的條碼序號只需在第一次使用時掃瞄即可,並將條碼存至Windows系統下的登錄檔中,待測試成功結束與測試結果一同存至檔案中,以簡化每次測試都得再掃瞄一次的困擾。在主要過程中,以控制DUT輸出Audio訊號為首要目標,藉由RS-232傳遞控制指令至DUT,此步驟需呼叫以VC++編譯成之DLL,對DUT進行Open Comport及Set Power指令,並判斷DUT是否正常動作,再接著進行Set Channel動作,使得DUT可順利接收由SMIQ(Signal Generator,Rohde & Schwarz)所發射之高頻訊號,並由左右聲道輸出音頻訊號。接著,控制DAQPad-6015,擷取左右聲道的Multi-Tone訊號,並對訊號的正確性進行判讀,為避免訊號產生串音現象,在DAQ Card的接線上,以AI0接到左聲道,而AI2接到右聲道,AI1及未使用之通道則連結至AI Sense。然後進行FFT得到多音頻訊號之功率頻譜圖,同時偵測出多音頻訊號各頻率點之振幅,再進行THD+N、SNR、Balance、Isolation等運算,並將其測試結果顯示於人機界面上並存檔。


@大標:結果呈現


經由上述之研究方法及流程後,多音頻訊號分析系統終於完成,其人機界面如(圖三)所示。



《圖三 多音頻量測分析系統---針對一台DUT測試使用》
《圖三 多音頻量測分析系統---針對一台DUT測試使用》

人機界面操作說明如下:


  • (1)設定主機串列埠號碼及DUT之號碼。


  • (2)串列埠及DUT電源是否開啟成功之狀態顯示。


  • (3)訊號分析設定之參數,如採樣率、Filter Windows及資料處理長度等。


  • (4)訊號分析結果,如Power Level、SNR及THD+N等


  • (5)原始訊號之顯示畫面,可提供使用者作初步的判別。


  • (6)測試結果之顯示。PASS顯示綠燈,NG則以紅燈表示。


  • (7)START鍵,程式開始執行之按鍵。Fixture NO.鍵,程式第一次執行時使用,或將系統安裝至新主機時使用。


  • (8)設定DAQPad-6015的Device Number及所使用之通道號碼。


  • 轉移此測試分析系統至生產線後,在經過試用之後,生產線的產品工程師提出幾個改進的要求:



  • (1)因為測試治具只有一台,只能測試一台DUT,為增快測試效率,產品工程師將修改測試治具,使其一次可測試四台DUT。


  • (2)人機界面上的測試結果對於作業員來說太過於複雜,希望再精簡測試結果的顯示。



針對以上兩點需求,遂修改測試程式,如(圖四)所示。將修改重點擺放在測試結果的顯示上,取消前版系統上的編號1、2、4,保留編號3、5、6及7四項,並將編號6的圖示再放大,且在程式執行中先隱藏,提醒使用者測試正在進行中,直至訊號分析完畢,再顯示結果為PASS或NG,以符合產線作業上的需求。


在硬體方面,考慮DAQ Card採樣率及避免Cross Talk問題,因為此張DAQ Card為單一放大器,其可提供之最大採樣率為200KHz,而擷取DUT輸出之多音頻訊號的採樣率為32KHz,所以總共可供六個通道使用,但為了產線人員架設方便,且程式撰寫上的一致性,便設計一張DAQPad-6015只能擷取四個通道的資料,也就是兩台DUT。所以,需再增加一張DAQPad-6015來達到硬體上的需求。另外,修改人機界面上的測試結果顯示,單純以PASS或NG來表現測試結果的良窳。



《圖四 多音頻量測分析系統—針對四台DUT測試使用》
《圖四 多音頻量測分析系統—針對四台DUT測試使用》

人機界面操作說明如下:


  • (1)設定DAQPad-6015的Device Number及所使用之通道號碼。


  • (2)訊號分析設定之參數,如採樣率、Filter Windows及資料處理長度等。


  • (3)START鍵,程式開始執行之按鍵。Fixture NO鍵,程式第一次執行時使用,或將系統安裝至新主機時使用。


  • (4)測試結果之顯示,PASS顯示綠燈,NG則以紅燈表示。


  • (5)原始訊號之顯示畫面,可提供使用者作初步的判別。



結論與建議

經由上述反覆地設計驗證之後,此測試分析系統已經順利完成,並(再次)轉移至生產線來使用,簡易的人機操作界面也符合產線作業員需求;快速地量測與分析速度,更縮短整個生產測試時間,提昇生產效率。雖然在開發過程中曾經以另一張效能更好的DAQ Card,PCI-4474,來取代DAQPad-6015,但礙於成本的考量只好割愛,轉而專注在訊號的處理與硬體抗雜訊方法上,並藉由多次的實驗,以不同的分析方式來得其最佳的效果。


最後,此系統除了比原系統降低成本之外,在多通道的擴充使用上也極具優勢,加上開發完成的時間更是比預期來的短,而且在系統移轉上更是方便。(作者為啟碁科技工程師)


延 伸 閱 讀

在LabVUEW環境下,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,來改變顯示在Front Panel上元件的外觀。除了可以自訂元件之外,LabVIEW還針對需要使用大量控制元件來開發程式的LabVIEW使用者,提供了絕對型別定義(Strict Type Definitions)功能。相關介紹請見「透過絕對型別定義(Strict Type Definition)」一文。

LabVIEW使用來做儀器自動控制的工具,使用LabVIEW來做一些實驗數據的讀取,通常,讀取到的資料量都相當少。在工廠中,數以百計的儀器都需要使用LabVIEW做儀器自動控制,每一台儀器又會產生一些資料檔或是記錄檔,此時將資訊分存於單獨的電腦中,會造成資料分散,所以需要將資料存放於資料庫中。你可在「使用LabSQL,進行資料庫存取」一文中得到進一步的介紹。

利PCMCIA介面的DAQ卡取代傳統笨重的數位式波器擷取訊號,並以LabVIEW開發系統整合程式,以完成繁雜的訊號處理、分析及硬體控制。由上述方式所開發的自動化檢測系統,除大幅提昇實驗室內實驗數據量測與分析效率外,亦使成熟的檢測理論能迅速轉移至產業技術的應用。在「虛擬儀控在彈性波非破壞檢測技術之應用」一文為你做了相關的評析。

市場動態

美商ADI和NI公司日前發表NI LabVIEW Embedded Module for ADI Blackfin Processors。該立即可用的整合方案延伸了LabVIEW圖形化資料開發環境,並以高效能、低電力的Blackfin處理器為目標,使網域專家只要利用一個圖形化開發平台,便能克服嵌入式系統開發的挑戰,迅速推出精密的應用程式。相關介紹請見「NI LabVIEW結合ADI Blackfin處理器簡化嵌入式系統開發」一文。

微軟公司選擇NI LabVIEW及PXI產品,做為Xbox 360遊戲及娛樂系統控制器的測試平台。這套虛擬儀控解決方案原本是在微軟的設計認證實驗室中開發,最近已經佈署至生產線,應用於測試每一部Xbox 360控制器。你可在「微軟選擇NI LabVIEW及PXI產品測試 Xbox 360控制器,測試時間有效縮短50%」一文中得到進一步的介紹。

日本NI發表NI DAQPad-6015、NI DAQPad-6016、NI USB-9211、NI USB-9215和NI SCXI-1600五款支援USB的數據採集器。主要用於車載數據採集等安裝空間有限的情況。DAQPad-6015和6016為16位精度,單通道最大採樣頻率為每秒20萬。兩種產品均配備螺絲介面,不必購買連接線和介面即可使用。在「日本NI上市五款USB數據採集器」一文為你做了相關的評析。

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