1自動測試簡介

1.1ATE設(shè)備

ATE(AutomaticTestEquipment),即自動測試設(shè)備,是指對被測對象自動進行性能驗證和故障診斷并對故障予以隔離的測試設(shè)備。

在當今的大型生產(chǎn)中,自動測試設(shè)備已經(jīng)被越來越廣泛地采用,這是因為對比傳統(tǒng)的人工方式,自動測試設(shè)備測試更快速、更準確,操作更簡單。

1.2蜂鳴器的自動測試

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

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

1.3測試模塊的目標

利用一個低成本、高整合度的嵌入式方案,設(shè)計一個針對蜂鳴器的自動測試的模塊,可以兼容多種音量、多種頻率的被測蜂鳴器,同時,應(yīng)使本模塊具備一個可以用于通信的軟件硬件接口,方便測試主機進行控制和調(diào)用。

2蜂鳴器測試模塊的硬件組成

在硬件上,蜂鳴器自動測試模塊主要由四部分組成:麥克風(fēng)模塊、運放電路、微處理器以及數(shù)據(jù)接口單元?？驁D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,并將聲音信號轉(zhuǎn)換成為電信號,傳到運放電路部分。本設(shè)計選用了一種廣泛使用的、小體積的駐極體麥克風(fēng)。在測試系統(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。

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

2.2運放電路

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

微處理器將信號通過ADC采樣后,利用算法進行信號的識別和比對。微處理器的軟件部分是本設(shè)計的難點和重點,音頻信號的處理需使用ADC采樣與DsP(數(shù)字信號處理)等相關(guān)技術(shù)。

ARM,即高級精簡指令集機器(AdvancedRIsCMachine),是一種32位精簡指令集(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DsP處理功能,并具備sIMD單指令多數(shù)據(jù)功能,同時,ARMCortex一M4還具備一個硬件的FPU(浮點運算單元)。這就使我們可以方便地使用一個單芯片的Cortex一M4芯片完成音頻信號的識別與處理。

本設(shè)計選用意法半導(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

利用一個通用的Rs485接口和團隊測試系統(tǒng)既有的總線協(xié)議,可以在測試模塊與主機之間建立通信,方便主機的指揮和調(diào)用。

3音頻信號處理的過程

3.1信號處理的基本過程

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

音頻信號的處理包括信號采樣、信號預(yù)處理、快速傅里葉變換、信號頻率計算、與測試主機的通信以及其他的參數(shù)處理,如圖2所示。

3.2音頻信號的采樣

采樣是將一個時間連續(xù)的函數(shù)或信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的函數(shù)或數(shù)字序列的過程。STM32F373集成了3個16位的sigma-DeltaADC,最高采樣率可以達到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)值將會受到前一個周期的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)中對于超過6kHz的信號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音頻信號的預(yù)處理

預(yù)處理包括門限的開啟以及信號的標準化。

門限開啟:過濾掉幅度過小的信號,減少外界噪聲引起誤判的可能性。

信號的標準化:在做FFT前,將信號的數(shù)據(jù)按比例縮放使其標準化,使之落入一個小的特定區(qū)間,其目的是在比較時建立一個統(tǒng)一的標準。

3.4頻率測試

3.4.1頻率測試原理

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

為簡化運算,在實際的工程中,信號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稱性和周期性,將需要N2次乘法和加法的大量的運算,簡化為兩段(N/2)2的乘法和加法運算,從而減少DFT運算的運算次數(shù)。舉例而言,對于基于2的FFT,其實是在將長度是N的信號分解為2個長度是N/2的信號后進行處理,照這樣一直分解到最后,每一次的分解都會減少計算的次數(shù)。

3.4.2頻率測試的軟件實現(xiàn)

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

上述程序中,輸入?yún)?shù)cctix即為采樣并且標準化后的時域數(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)長度。需要注意的是,由于使用了基4的FFT運算,cctsum必須是2的偶數(shù)次方(l6,64,256,l024等),否則計算出的結(jié)果是錯誤的。

3.4.3信號頻率的計算

利用一個冒泡法程序即可實現(xiàn)峰值檢測:

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)組中每個點的頻率間隔為: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

僅僅得到信號的頻率并不能滿足整個蜂鳴器的測試需求,筆者在生產(chǎn)線上通過對多批次產(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。

針對聲音過小的產(chǎn)品,需要設(shè)定測試的閾值進行對比。

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

針對聲音斷續(xù)的產(chǎn)品,需要在單位時間內(nèi)的多次讀取和計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,往往并不是簡單的純單音信號,而是單音的基頻與其多倍諧波頻率信號的疊加,因此,對于頻率較低的被測品,還應(yīng)設(shè)置合理的軟件濾波和峰值對比方法。

4結(jié)論

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

蜂鳴器自動測試模塊帶來的學(xué)術(shù)價值和經(jīng)濟效益是顯而易見的,不僅測試速度快、測量結(jié)果準確,還解放了測試員的耳朵,避免了大音量的蜂鳴器對測試員聽力的損害。

但必須承認的是,本測試模塊還有一些不足:在部分產(chǎn)品的蜂鳴器測試中,對機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確。

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