1自動(dòng)測(cè)試簡(jiǎn)介

1.1ATE設(shè)備

ATE(AutomaticTestEquipment),即自動(dòng)測(cè)試設(shè)備,是指對(duì)被測(cè)對(duì)象自動(dòng)進(jìn)行性能驗(yàn)證和故障診斷并對(duì)故障予以隔離的測(cè)試設(shè)備。

在當(dāng)今的大型生產(chǎn)中,自動(dòng)測(cè)試設(shè)備已經(jīng)被越來越廣泛地采用,這是因?yàn)閷?duì)比傳統(tǒng)的人工方式,自動(dòng)測(cè)試設(shè)備測(cè)試更快速、更準(zhǔn)確,操作更簡(jiǎn)單。

1.2蜂鳴器的自動(dòng)測(cè)試

蜂鳴器(或報(bào)警器)是一種被廣泛使用的發(fā)聲設(shè)備,它可以是機(jī)械、電子或者壓電裝置。蜂鳴器的典型應(yīng)用包括報(bào)警設(shè)備、定時(shí)器、用戶輸入設(shè)備例如鼠標(biāo)或者鍵盤。

蜂鳴器本身并不復(fù)雜,但其本身僅是一個(gè)聲音裝置,而在市場(chǎng)上常見的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中,通常僅配備了針對(duì)電壓測(cè)量、電流測(cè)量、射頻性能測(cè)試及接口通信裝置測(cè)試的測(cè)試模塊。對(duì)于蜂鳴器,由于其工作的性能表現(xiàn)在聲音上而非電性能,所以常常需要測(cè)試員依靠聽覺進(jìn)行人工判斷,這就引入了人工測(cè)試帶來的幾個(gè)問題,如低效、易出錯(cuò)等等。此外,功率較大的蜂鳴器還會(huì)損傷測(cè)試員的聽力。

1.3測(cè)試模塊的目標(biāo)

利用一個(gè)低成本、高整合度的嵌入式方案,設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)蜂鳴器的自動(dòng)測(cè)試的模塊,可以兼容多種音量、多種頻率的被測(cè)蜂鳴器,同時(shí),應(yīng)使本模塊具備一個(gè)可以用于通信的軟件硬件接口,方便測(cè)試主機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)用。

2蜂鳴器測(cè)試模塊的硬件組成

在硬件上,蜂鳴器自動(dòng)測(cè)試模塊主要由四部分組成:麥克風(fēng)模塊、運(yùn)放電路、微處理器以及數(shù)據(jù)接口單元。框圖如圖1所示。

2.1麥克風(fēng)模塊

麥克風(fēng)電路用于采集蜂鳴器產(chǎn)生的聲音信號(hào),并將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào),傳到運(yùn)放電路部分。本設(shè)計(jì)選用了一種廣泛使用的、小體積的駐極體麥克風(fēng)。在測(cè)試系統(tǒng)中,麥克風(fēng)可以被選擇安裝在離蜂鳴器較近的合理位置,并利用3芯電纜連接至其他部分。

對(duì)于功率較大的蜂鳴器,有必要使用一個(gè)大的箱體,將被測(cè)單元與麥克風(fēng)裝置放入一個(gè)隔音的箱體中,避免多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)互相干擾,同時(shí)避免測(cè)試中產(chǎn)生過大的音量,影響測(cè)試員的健康。

2.2運(yùn)放電路

運(yùn)放電路將麥克風(fēng)電路采集到的電信號(hào)緩沖后送到微處理器,運(yùn)放可以給微處理器提供低阻抗的輸入信號(hào),考慮到轉(zhuǎn)換速率高和頻率響應(yīng)寬的需求,本設(shè)計(jì)的運(yùn)放選用了LM358。2.3微處理器

微處理器將信號(hào)通過ADC采樣后,利用算法進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別和比對(duì)。微處理器的軟件部分是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn),音頻信號(hào)的處理需使用ADC采樣與DsP(數(shù)字信號(hào)處理)等相關(guān)技術(shù)。

ARM,即高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(AdvancedRIsCMachine),是一種32位精簡(jiǎn)指令集(RIsC)處理器架構(gòu),ARM的Cortex一M4系列芯片是ARM7架構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)內(nèi)核的組合,對(duì)比ARM公司其他的芯片內(nèi)核如Cortex一M0與Cortex一M3系列,Cortex一M4系列增加了一個(gè)DsP處理功能,并具備sIMD單指令多數(shù)據(jù)功能,同時(shí),ARMCortex一M4還具備一個(gè)硬件的FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)。這就使我們可以方便地使用一個(gè)單芯片的Cortex一M4芯片完成音頻信號(hào)的識(shí)別與處理。

本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體的Cortex一M4芯片sTM32F373作為主處理器,開發(fā)的環(huán)境選用瑞典IAR公司的IAREmbeddedworkbench。

2.4數(shù)據(jù)接口單元

利用一個(gè)通用的Rs485接口和團(tuán)隊(duì)測(cè)試系統(tǒng)既有的總線協(xié)議,可以在測(cè)試模塊與主機(jī)之間建立通信,方便主機(jī)的指揮和調(diào)用。

3音頻信號(hào)處理的過程

3.1信號(hào)處理的基本過程

源自蜂鳴器的音頻信號(hào)并不復(fù)雜,理論上這個(gè)信號(hào)僅僅是單音頻信號(hào),同一規(guī)格的蜂鳴器有其特定的聲音頻率,通常情況下信號(hào)頻率可能是4.5kHz、5kHz或者更高。因此,頻率測(cè)試和幅度測(cè)試是測(cè)試的重點(diǎn),其中頻率測(cè)試是測(cè)試的難點(diǎn)。

音頻信號(hào)的處理包括信號(hào)采樣、信號(hào)預(yù)處理、快速傅里葉變換、信號(hào)頻率計(jì)算、與測(cè)試主機(jī)的通信以及其他的參數(shù)處理,如圖2所示。

3.2音頻信號(hào)的采樣

采樣是將一個(gè)時(shí)間連續(xù)的函數(shù)或信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的函數(shù)或數(shù)字序列的過程。STM32F373集成了3個(gè)16位的sigma-DeltaADC,最高采樣率可以達(dá)到50ks/s。

根據(jù)采樣定理,如果周期函數(shù)x(t)不包含高于B次/s的頻率,那么小于l/(2B)秒的x(t)函數(shù)值將會(huì)受到前一個(gè)周期的x(t)函數(shù)值的影響。因此,2B或更高的采樣頻率將能使函數(shù)不受干擾。

由于蜂鳴器的工作頻率通常在6kHz以內(nèi),本系統(tǒng)中對(duì)于超過6kHz的信號(hào)可以看做無用的頻率,因此根據(jù)采樣定理,超過l2kHz的采樣頻率即可滿足本系統(tǒng)的要求。最終定義的本系統(tǒng)的采樣頻率為12500Hz。

3.3音頻信號(hào)的預(yù)處理

預(yù)處理包括門限的開啟以及信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化。

門限開啟:過濾掉幅度過小的信號(hào),減少外界噪聲引起誤判的可能性。

信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化:在做FFT前,將信號(hào)的數(shù)據(jù)按比例縮放使其標(biāo)準(zhǔn)化,使之落入一個(gè)小的特定區(qū)間,其目的是在比較時(shí)建立一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4頻率測(cè)試

3.4.1頻率測(cè)試原理

頻率測(cè)試的核心是需要計(jì)算出所采樣的信號(hào)表征的頻率值,ADC采樣到的數(shù)值是基于時(shí)域的,傅里葉變換(DFT)可用于將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)變到頻域。離散傅里葉變換的定義為:

為簡(jiǎn)化運(yùn)算,在實(shí)際的工程中,信號(hào)處理常常使用快速傅里葉變換(FFT)代替DFT,FFT算法是利用蝶形因子的對(duì)稱性和周期性,將需要N2次乘法和加法的大量的運(yùn)算,簡(jiǎn)化為兩段(N/2)2的乘法和加法運(yùn)算,從而減少DFT運(yùn)算的運(yùn)算次數(shù)。舉例而言,對(duì)于基于2的FFT,其實(shí)是在將長(zhǎng)度是N的信號(hào)分解為2個(gè)長(zhǎng)度是N/2的信號(hào)后進(jìn)行處理,照這樣一直分解到最后,每一次的分解都會(huì)減少計(jì)算的次數(shù)。

3.4.2頻率測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)

ARM為開發(fā)者提供了CMsIs軟件接口標(biāo)準(zhǔn)以及DsP函數(shù)庫(kù),為我們解決問題提供了大量的優(yōu)化的信號(hào)處理算法。在DsP函數(shù)庫(kù)中有如下一組函數(shù)可以用于完成FFT的功能:

上述程序中,輸入?yún)?shù)cctix即為采樣并且標(biāo)準(zhǔn)化后的時(shí)域數(shù)據(jù),經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換后的輸出參數(shù)cctout為頻域數(shù)據(jù),cctsum是需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。需要注意的是,由于使用了基4的FFT運(yùn)算,cctsum必須是2的偶數(shù)次方(l6,64,256,l024等),否則計(jì)算出的結(jié)果是錯(cuò)誤的。

3.4.3信號(hào)頻率的計(jì)算

利用一個(gè)冒泡法程序即可實(shí)現(xiàn)峰值檢測(cè):

得到的數(shù)值peakpoixt即為頻域峰值在數(shù)組中的位置。

頻域數(shù)組中每個(gè)點(diǎn)的頻率間隔為:Fs/N=l2500/l024≈l2.207Hz。

使用peakpoixt與頻率間隔相乘:peakpoixt×l2.207,即可得到蜂鳴器聲音頻率值。

3.5其他需要考慮的因素

僅僅得到信號(hào)的頻率并不能滿足整個(gè)蜂鳴器的測(cè)試需求,筆者在生產(chǎn)線上通過對(duì)多批次產(chǎn)品的分析,發(fā)現(xiàn)電氣因素或結(jié)構(gòu)因素會(huì)導(dǎo)致蜂鳴器出現(xiàn)聲音過小、聲音嘶啞、聲音斷續(xù)等其他問題。

針對(duì)聲音過小的產(chǎn)品,需要設(shè)定測(cè)試的閾值進(jìn)行對(duì)比。

針對(duì)聲音嘶啞的產(chǎn)品,需要求出工作頻率與其他頻率的信號(hào)之間的功率比值,將其他頻率的信號(hào)的功率總和過大的產(chǎn)品認(rèn)定為不良品。

針對(duì)聲音斷續(xù)的產(chǎn)品,需要在單位時(shí)間內(nèi)的多次讀取和計(jì)算都能滿足合格品的要求。

此外,在工程中我們發(fā)現(xiàn),麥克風(fēng)捕捉還原到的音頻信號(hào),往往并不是簡(jiǎn)單的純單音信號(hào),而是單音的基頻與其多倍諧波頻率信號(hào)的疊加,因此,對(duì)于頻率較低的被測(cè)品,還應(yīng)設(shè)置合理的軟件濾波和峰值對(duì)比方法。

4結(jié)論

本測(cè)試模塊在研發(fā)成功后,已經(jīng)應(yīng)用于很多不同產(chǎn)品的不同型號(hào)的蜂鳴器的自動(dòng)測(cè)試方案中,配合測(cè)試的主控制器,大量地使用在生產(chǎn)線上。

蜂鳴器自動(dòng)測(cè)試模塊帶來的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的,不僅測(cè)試速度快、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,還解放了測(cè)試員的耳朵,避免了大音量的蜂鳴器對(duì)測(cè)試員聽力的損害。

但必須承認(rèn)的是,本測(cè)試模塊還有一些不足:在部分產(chǎn)品的蜂鳴器測(cè)試中,對(duì)機(jī)械缺陷帶來的聲音嘶啞的部分蜂鳴器,沒有足夠可靠的算法保障百分之百的準(zhǔn)確。

不過,筆者相信,隨著對(duì)本測(cè)試模塊的算法的繼續(xù)優(yōu)化和反復(fù)考驗(yàn),這個(gè)問題終究會(huì)得到解決,這款功能模塊也會(huì)繼續(xù)完善。