關(guān)于模擬化儀器的仿真化體系的探討
1本文提出的基于虛擬儀器技術(shù)，硬件采用了北京聲望公司的電容傳聲器、NI公司PXI1042機(jī)箱與4472采集卡；軟件采用LabVIEW和MATLAB兩種平臺(tái)混合編程，并采用ActiveX技術(shù)進(jìn)行銜接。這充分利用了它們各自的優(yōu)勢(shì)，極大地縮短了軟件開發(fā)周期，并保證較高的運(yùn)行效率。
2功能需求
根據(jù)聲場(chǎng)可視化的原理，需要在候選聲源附近布置傳聲器陣列測(cè)量聲壓場(chǎng)，然后由聲源位置和頻譜等事先已知的信息，運(yùn)用各種重構(gòu)算法來重建包圍聲源表面的三維聲場(chǎng)（包括聲壓場(chǎng)、聲強(qiáng)場(chǎng)和質(zhì)點(diǎn)法向振速場(chǎng)），最后將聲場(chǎng)以圖形或動(dòng)畫的形式顯示出來。這里，重構(gòu)算法選用波疊加方法（WSM）。根據(jù)項(xiàng)目需求，輻射體包含1～3個(gè)不相干候選聲源，可以是設(shè)備中的某個(gè)部件，如齒輪、軸承等。其位置已知，頻率范圍在1000Hz以內(nèi)。首先需要對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，然后選擇關(guān)心的頻帶，在輻射體的表面和外部進(jìn)行聲場(chǎng)重建。
具體需求如下：（1）采樣：5KHz～10KHz可調(diào)的采樣頻率，聲壓傳感器ICP電源驅(qū)動(dòng)，－5V～＋5V可調(diào)電壓范圍。
（2）通道數(shù)：1～32個(gè)通道同步采集，單通道或者4通道同時(shí)顯示。
（3）自動(dòng)校準(zhǔn)：傳聲器靈敏度自動(dòng)校準(zhǔn)，并自動(dòng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲壓信號(hào)保存。
（4）FFT：各通道聲壓信號(hào)的頻譜分析。
（5）聲場(chǎng)重建：自動(dòng)調(diào)用波疊加算法進(jìn)行聲場(chǎng)重建。
（6）結(jié)果顯示：可以顯示三維圖，也可以顯示聲壓等高線圖。
3硬件組成
一個(gè)合理的硬件配置能獲得最佳的性能價(jià)格比，并使系統(tǒng)具有高可靠性、良好的可擴(kuò)展性，易于編程和升級(jí)，為系統(tǒng)的集成帶來很大的方便。
PXI－8176是一款高性能Pentium III1.26GHz嵌入式控制器，置于PXI機(jī)箱中，可為模塊儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供一個(gè)輕巧的高性能PC平臺(tái)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用后者系統(tǒng)集成度高、更方便靈活、更經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)一個(gè)有5個(gè)模塊，選擇PXI8插槽機(jī)箱。
因此，系統(tǒng)硬件部分主要包括一套傳聲器陣列和一套基于PXI總線的嵌入式采集系統(tǒng)�；旧显撓到y(tǒng)具有高可靠性、高性能、便攜，能在振動(dòng)、噪音、潮濕等惡劣環(huán)境下正常運(yùn)作。
4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1開發(fā)平臺(tái)LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，并可生成獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP／IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，可以方便地和MATLAB等外部軟件進(jìn)行無縫銜接。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是圖標(biāo)。
在二者的銜接上存在著多種方式，唐建鋒等人進(jìn)行了細(xì)致的研究。該系統(tǒng)的開發(fā)基于LabVIEW7.1平臺(tái)，結(jié)合NI4472采集卡，主要完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、采集模塊和數(shù)據(jù)顯示、保存模塊工作。選用了MATLAB6.5平臺(tái)，開發(fā)了基于波疊加算法的聲場(chǎng)重建與顯示模塊。采用MATLABScript節(jié)點(diǎn)方式，通過ActiveX技術(shù)和MATLABServer通訊，使得LabVIEW可以直接調(diào)用后臺(tái)的MATLAB算法。使用該方式混合編程簡(jiǎn)單、實(shí)用，但是沒有完全脫離MATLAB平臺(tái)。
4.2采樣方式的選擇NI4472提供了豐富的觸發(fā)方式和時(shí)鐘同步方式，可以靈活地應(yīng)用它們來實(shí)現(xiàn)采樣。觸發(fā)方式包括軟觸發(fā)，外部數(shù)字電平觸發(fā)，外部邏輯電平觸發(fā)等。這里選用了軟觸發(fā)的方式，由用戶點(diǎn)擊“開始”按鈕啟動(dòng)采樣。時(shí)鐘同步由硬件和軟件來共同保證，當(dāng)PXI1042機(jī)箱內(nèi)安裝了多個(gè)4472采集卡需要同步采樣時(shí)，默認(rèn)的主觸發(fā)模塊位于第二個(gè)插槽，其余為從模塊。以主模塊內(nèi)部時(shí)鐘為時(shí)鐘源，通過背板總線RTSI5／TRIG5線實(shí)現(xiàn)與其他模塊的時(shí)鐘同步。數(shù)據(jù)保存采用中斷方式，NI4472卡功能強(qiáng)大、操作靈活，可以根據(jù)用戶需求設(shè)置緩沖區(qū)大小。當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到半滿標(biāo)志位時(shí)觸發(fā)中斷信號(hào)，通知主控機(jī)從緩沖區(qū)搬運(yùn)數(shù)據(jù)存放到硬盤。
4.3系統(tǒng)軟件流程根據(jù)系統(tǒng)功能模塊劃分設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件流程圖，如圖2。程序主要分為5部分：初始化及參數(shù)輸入，預(yù)采樣與傳聲器校準(zhǔn)，采樣及數(shù)據(jù)保存，頻譜分析及重建頻帶選擇，調(diào)用MATLAB進(jìn)行聲場(chǎng)重建與結(jié)果顯示。其中，聲場(chǎng)重建算法應(yīng)用了由Koopmann等人提出并由本文作者改進(jìn)的波疊加算法，全部代碼采用MATLAB實(shí)現(xiàn)。由于跨平臺(tái)編程，首先需要在MATLAB下對(duì)聲場(chǎng)重建算法進(jìn)行細(xì)致的調(diào)試，待確認(rèn)無誤后再通過MATLABScript加載到LabVIEW進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。
左邊區(qū)域?yàn)橛脩魠?shù)輸入?yún)^(qū)，其中初始化部分需要用戶從前面板輸入采樣參數(shù)、陣列參數(shù)、位置參數(shù)等都從這里輸入。傳聲器校準(zhǔn)后直接記入傳聲器靈敏度數(shù)組，方便采樣時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。右上區(qū)為頻譜分析區(qū)，可以方便地選擇任意通道進(jìn)行頻譜分析，然后選擇需要的頻帶范圍進(jìn)行聲場(chǎng)重建。右下區(qū)為結(jié)果輸出區(qū)，該圖形區(qū)支持人機(jī)交互，可以方便地從各個(gè)角度查看試驗(yàn)結(jié)果。
4.4試驗(yàn)測(cè)試按照上述系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及代碼實(shí)現(xiàn)，形成了一套聲場(chǎng)可總共使用了28個(gè)傳聲器，用兩只音箱模擬噪聲源，由聲卡發(fā)聲經(jīng)功率放大器放大后輸出到音箱，在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行聲壓測(cè)量，重建音箱表面聲場(chǎng)和遠(yuǎn)處聲場(chǎng)。按照軟件說明書進(jìn)行了操作。可見，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立聲源的外部聲場(chǎng)重建，驗(yàn)證了其實(shí)用性。而且界面生動(dòng)形象、使用方便、操作簡(jiǎn)單，容易為用戶接受。使用該系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)員的工作，為聲學(xué)研究提供一種有效手段。
5結(jié)語(yǔ)
（1）在分析需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件配置和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，選擇跨平臺(tái)混合編程最終實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該可視化系統(tǒng)的可實(shí)用性。程序設(shè)計(jì)兼顧了開放性，其中聲場(chǎng)重建算法也可擴(kuò)展到其他軟硬件平臺(tái)。
（2）由于聲學(xué)機(jī)理的研究目前進(jìn)展緩慢，尚存在許多未解決的問題，所以該系統(tǒng)的可視化算法還有待進(jìn)一步研究。
（3）利用MATLAB和LabVIEW混合編程的關(guān)鍵點(diǎn)是接口參數(shù)的設(shè)置。http://m.18192.cn
