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機箱與4472采集卡；軟件采用LabVIEW和MATLAB兩種平臺混合編程，并采用ActiveX技術(shù)進行銜接。這充分利用了它們各自的優(yōu)勢，極大地縮短了軟件開發(fā)周期，并保證較高的運行效率。
2功能需求
根據(jù)聲場可視化的原理，需要在候選聲源附近布置傳聲器陣列測量聲壓場，然后由聲源位置和頻譜等事先已知的信息，運用各種重構(gòu)算法來重建包圍聲源表面的三維聲場（包括聲壓場、聲強場和質(zhì)點法向振速場），最后將聲場以圖形或動畫的形式顯示出來。這里，重構(gòu)算法選用波疊加方法（WSM）。根據(jù)項目需求，輻射體包含1～3個不相干候選聲源，可以是設(shè)備中的某個部件，如齒輪、軸承等。其位置已知，頻率范圍在1000Hz以內(nèi)。首先需要對其進行頻譜分析，然后選擇關(guān)心的頻帶，在輻射體的表面和外部進行聲場重建。
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，－5V～＋5V可調(diào)電壓范圍。
（2）通道數(shù)：1～32個通道同步采集，單通道或者4通道同時顯示。
（3）自動校準：傳聲器靈敏度自動校準，并自動將電壓信號轉(zhuǎn)換成聲壓信號保存。
（4）FFT：各通道聲壓信號的頻譜分析。
（5）聲場重建：自動調(diào)用波疊加算法進行聲場重建。
（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
一個合理的硬件配置能獲得最佳的性能價格比，并使系統(tǒng)具有高可靠性、良好的可擴展性，易于編程和升級，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機箱中，可為模塊儀器和數(shù)據(jù)采集應用提供一個輕巧的高性能PC平臺。對比發(fā)現(xiàn)，采用后者系統(tǒng)集成度高、更方便靈活、更經(jīng)濟。系統(tǒng)一個有5個模塊，選擇PXI8插槽機箱。
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、噪音、潮濕等惡劣環(huán)境下正常運作。
4軟件設(shè)計與實現(xiàn)4.1開發(fā)平臺LabVIEW是一種圖形化的編程語言，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，并可生成獨立運行的可執(zhí)行文件。它還內(nèi)置了便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，可以方便地和MATLAB等外部軟件進行無縫銜接。使用這種語言編程時，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是圖標。
在二者的銜接上存在著多種方式，唐建鋒等人進行了細致的研究。該系統(tǒng)的開發(fā)基于LabVIEW7.1平臺，結(jié)合NI4472采集卡，主要完成數(shù)據(jù)預處理、采集模塊和數(shù)據(jù)顯示、保存模塊工作。選用了MATLAB6.5平臺，開發(fā)了基于波疊加算法的聲場重建與顯示模塊。采用MATLABScript節(jié)點方式，通過ActiveX技術(shù)和MATLABServer通訊，使得LabVIEW可以直接調(diào)用后臺的MATLAB算法。使用該方式混合編程簡單、實用，但是沒有完全脫離MATLAB平臺。
4.2采樣方式的選擇NI4472提供了豐富的觸發(fā)方式和時鐘同步方式，可以靈活地應用它們來實現(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，由用戶點擊“開始”按鈕啟動采樣。時鐘同步由硬件和軟件來共同保證，當PXI1042機箱內(nèi)安裝了多個4472采集卡需要同步采樣時，默認的主觸發(fā)模塊位于第二個插槽，其余為從模塊。以主模塊內(nèi)部時鐘為時鐘源，通過背板總線RTSI5／TRIG5線實現(xiàn)與其他模塊的時鐘同步。數(shù)據(jù)保存采用中斷方式，NI4472卡功能強大、操作靈活，可以根據(jù)用戶需求設(shè)置緩沖區(qū)大小。當緩沖區(qū)達到半滿標志位時觸發(fā)中斷信號，通知主控機從緩沖區(qū)搬運數(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，預采樣與傳聲器校準，采樣及數(shù)據(jù)保存，頻譜分析及重建頻帶選擇，調(diào)用MATLAB進行聲場重建與結(jié)果顯示。其中，聲場重建算法應用了由Koopmann等人提出并由本文作者改進的波疊加算法，全部代碼采用MATLAB實現(xiàn)。由于跨平臺編程，首先需要在MATLAB下對聲場重建算法進行細致的調(diào)試，待確認無誤后再通過MATLABScript加載到LabVIEW進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。
左邊區(qū)域為用戶參數(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。傳聲器校準后直接記入傳聲器靈敏度數(shù)組，方便采樣時的數(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行頻譜分析，然后選擇需要的頻帶范圍進行聲場重建。右下區(qū)為結(jié)果輸出區(qū)，該圖形區(qū)支持人機交互，可以方便地從各個角度查看試驗結(jié)果。
4.4試驗測試按照上述系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及代碼實現(xiàn)，形成了一套聲場可總共使用了28個傳聲器，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，在遠場進行聲壓測量，重建音箱表面聲場和遠處聲場。按照軟件說明書進行了操作。可見，系統(tǒng)能實現(xiàn)2個獨立聲源的外部聲場重建，驗證了其實用性。而且界面生動形象、使用方便、操作簡單，容易為用戶接受。使用該系統(tǒng)極大地簡化了實驗員的工作，為聲學研究提供一種有效手段。
5結(jié)語
（1）在分析需求的基礎(chǔ)上，進行了硬件配置和系統(tǒng)軟件設(shè)計，選擇跨平臺混合編程最終實現(xiàn)了該系統(tǒng)，通過試驗驗證了該可視化系統(tǒng)的可實用性。程序設(shè)計兼顧了開放性，其中聲場重建算法也可擴展到其他軟硬件平臺。
（2）由于聲學機理的研究目前進展緩慢，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一步研究。
（3）利用MATLAB和LabVIEW混合編程的關(guān)鍵點是接口參數(shù)的設(shè)置。http://m.52lvi.cn
