音頻測(cè)試系統(tǒng)基于虛擬儀器的音視頻處理板通用

一．音視頻信號(hào)處理板的工作原理及測(cè)試系統(tǒng)要求

音視頻信號(hào)處理板是CRT電視的小信號(hào)處理模塊（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為小信號(hào)板）。某型號(hào)的小信號(hào)板原理如圖1所示。它對(duì)TV射頻信號(hào)和各種類(lèi)型的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，轉(zhuǎn)換為適合顯像管掃描的圖像和同步信號(hào)；它提供一路Video Out視頻輸出信號(hào)供外部視頻設(shè)備使用；它對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行切換和音效處理，送給揚(yáng)聲器和Audio Out音頻輸出接口。MCU通過(guò)I2C總線對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制，并通過(guò)遙控（IR）和按鍵（KEY）接口接收用戶的操作指令。

圖1 小信號(hào)板工作原理

根據(jù)小信號(hào)板的工作原理，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求如下：
1）提供多路直流穩(wěn)壓電源，為小信號(hào)板提供工作電源。
2. 提供TV射頻信號(hào)；提供Video，S-Video, YUV, VGA等模擬視頻信號(hào)；提供HDMI數(shù)字音視頻信號(hào)；提供模擬立體聲音頻信號(hào)。
3）可模擬遙控和按鍵信號(hào)，對(duì)小信號(hào)板進(jìn)行控制。
4）提供行、場(chǎng)反饋信號(hào)，使小信號(hào)板工作于正常狀態(tài)。
5）可以采集多路直流信號(hào)和低頻交流信號(hào)；可以采集和輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)。
6）可以同時(shí)采集3路視頻信號(hào)。
二．方案設(shè)計(jì)
根據(jù)原有測(cè)試系統(tǒng)的情況，希望新的測(cè)試方案能達(dá)到如下效果：
1.高集成度，盡量減少占用空間。
2.自動(dòng)化，盡量減少人工因素的影響。
3.通用性，可適應(yīng)不同型號(hào)的小信號(hào)板，減少重復(fù)開(kāi)發(fā)工作。
4.高效率，單板測(cè)試時(shí)間盡可能的短，以適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍要求。
5.高檢出率，對(duì)關(guān)心的中間參數(shù)也可以進(jìn)行測(cè)試，提高覆蓋率。
通過(guò)測(cè)試要求分析，虛擬儀器技術(shù)十分符合方案要求，并且能夠較好地達(dá)到方案預(yù)期的效果。NI公司有著豐富的虛擬儀器測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品線，可以給我們提供較大的選擇空間，LabVIEW是一個(gè)易學(xué)易用的軟件，可以利用它快速地開(kāi)發(fā)出復(fù)雜、并行、有效并且易于操作的測(cè)試系統(tǒng)。因此我們決定選擇NI公司的軟硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)新的測(cè)試系統(tǒng)?？傮w方案設(shè)計(jì)
如圖2所示，
其中：可編程多路電源是在我公司之前開(kāi)發(fā)的數(shù)控電源基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)而來(lái)，具3路可編程和3路固定電壓輸出，將這6路電壓輸出分配成兩個(gè)獨(dú)立的通道，可同時(shí)為兩塊小信號(hào)板供電。電源功率達(dá)到2X6X25W。輸出電壓范圍為1.5-50V。另外增加了串口，可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)其編程，使其可為不同型號(hào)的小信號(hào)板提供電源。
TV射頻信號(hào)由中央信號(hào)系統(tǒng)提供，模擬視頻信號(hào)的產(chǎn)生由PXI-6541高速數(shù)字I/O和外圍簡(jiǎn)單的編碼電路構(gòu)成。HDMI信號(hào)采用我公司現(xiàn)有的USB-HDMI模塊，重新設(shè)計(jì)成具有4路輸出的HDMI信號(hào)發(fā)生器，可同時(shí)供兩塊小信號(hào)板使用。
遙控信號(hào)由M系列DAQ卡PXI-6259的數(shù)字輸出DO產(chǎn)生，按鍵信號(hào)由6259的模擬輸出AO產(chǎn)生。
行反饋信號(hào)由6259的計(jì)數(shù)器Counter產(chǎn)生；場(chǎng)反饋信號(hào)則由場(chǎng)輸出鋸齒波整形后直接反饋回去。
對(duì)于直流、低頻、開(kāi)關(guān)信號(hào)等，都由6259來(lái)進(jìn)行采集或產(chǎn)生處理。
3 路視頻采集由2塊PXI-5112數(shù)字化儀來(lái)完成。
工業(yè)數(shù)字I/O模塊PXI-6515完成電源通斷和保護(hù)繼電器的動(dòng)作控制；繼電器模塊PXI-2530完成視頻同步信號(hào)及其它信號(hào)的切換。
信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)范圍的變換，信號(hào)的保護(hù)、緩沖和接口轉(zhuǎn)換等工作。
利用PXI-8196控制器提供的USB口連接掃描儀。利用串口對(duì)可編程電源的電壓進(jìn)行設(shè)置，利用網(wǎng)絡(luò)接口連接局域網(wǎng)。
由于希望能夠通用多種型號(hào)的小信號(hào)板，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種通用的測(cè)試針床底座，通過(guò)插座將底座和針床的信號(hào)連接起來(lái)，當(dāng)測(cè)試其它型號(hào)的小信號(hào)板時(shí)，只需要更換針床和調(diào)用相應(yīng)的軟件配置就可以了。
為了大幅提高測(cè)試效率，這里采用了并行工作的思路，兩塊小信號(hào)板被同時(shí)測(cè)試，僅在測(cè)試RGB和Video 時(shí)，由于數(shù)字化儀的數(shù)量限制，而采用了分步測(cè)試。

圖2 總體方案框圖

三．關(guān)鍵模塊軟硬件的實(shí)現(xiàn)
1）小信號(hào)板的驅(qū)動(dòng)：要使小信號(hào)板進(jìn)入正常工作狀態(tài)，需要為其提供行、場(chǎng)反饋信號(hào)。
行輸出是33K－34K的方波，行反饋信號(hào)是跟隨其頻率，且相位和占空比可調(diào)的方波。利用NI的M系列數(shù)據(jù)采集卡PXI-6259的計(jì)數(shù)器所具有的可重觸發(fā)(retriggerable)特性，可以方便地生成行反饋信號(hào)。行輸出信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)對(duì)Counter進(jìn)行觸發(fā)，使之連續(xù)產(chǎn)生與觸發(fā)信號(hào)頻率相同的脈沖信號(hào)，其前面板。通過(guò)High ticks、 low ticks和Idle Status的調(diào)整，可對(duì)脈沖波形的占空比和相位進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了需要的行反饋信號(hào)。因?yàn)樾⌒盘?hào)板對(duì)場(chǎng)反饋沒(méi)有嚴(yán)格的相位和占空比要求，將場(chǎng)輸出鋸齒波經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的整形后即可作為場(chǎng)反饋信號(hào)使用。
2）各種類(lèi)型和格式的視頻信號(hào)產(chǎn)生
對(duì)于PCB模塊級(jí)的生產(chǎn)測(cè)試，不需要對(duì)圖像參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，只需要簡(jiǎn)單的圖像作為測(cè)試信號(hào)，例如彩條、方格和灰度等，這里我們采用彩條作為測(cè)試信號(hào)。
使用NI的50M的32通道高速數(shù)字I/O(PXI-6541)配合簡(jiǎn)單的外圍視頻編碼電路，就可以實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型和格式的彩條信號(hào)。VGA信號(hào)的產(chǎn)生：RGB和行場(chǎng)信號(hào)由數(shù)字I/O直接經(jīng)過(guò)緩沖得到，可實(shí)現(xiàn)VGA, SVGA, XGA, SXGA格式的彩條信號(hào)。YUV信號(hào)的產(chǎn)生： 6541產(chǎn)生RGB信號(hào)和同步信號(hào)，RGB和同步信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了支持480i-1080p全部格式的YUV彩條信號(hào)。Video（CVBS）信號(hào)的產(chǎn)生：6541產(chǎn)生RGB和復(fù)合同步信號(hào)，通過(guò)視頻編碼芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的Video信號(hào)和S-Video信號(hào)。
用畫(huà)圖軟件畫(huà)出與信號(hào)類(lèi)型分辨率對(duì)應(yīng)的BMP彩條圖像，再由子程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為適于PXI-6541發(fā)送的數(shù)字波形。
HDMI信號(hào)由USB-HDMI模塊改造而來(lái)，將4個(gè)模塊集成并集中控制，實(shí)現(xiàn)了低成本，高集成度的HDMI信號(hào)源，可支持480i-1080P格式，支持?jǐn)?shù)字音頻。
經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量完全符合測(cè)試要求。
3）視頻信號(hào)的采集與分析
小信號(hào)板將各種輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼和變頻處理，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)顯像管的RGB信號(hào)，以及給外部設(shè)備使用的標(biāo)準(zhǔn)Video信號(hào)，因此我們用兩塊NI PXI-5112完成對(duì)RGB信號(hào)和Video信號(hào)的采集。PXI-5112是2通道同步采樣、100 MS/s實(shí)時(shí)采樣率的數(shù)字化儀。因?yàn)椴捎昧瞬蕳l作為測(cè)試信號(hào)，RGB信號(hào)的帶寬<1M，Video信號(hào)的帶寬<4.5M，為減少數(shù)據(jù)處理量，RGB采集時(shí)設(shè)置5112的采樣率為10M；而視頻輸出采用50M采樣率。5112沒(méi)有視頻觸發(fā)功能，為了減少運(yùn)算，我們使用了外置的同步分離電路，RGB和視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)場(chǎng)同步觸發(fā)，每次采集一場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析處理。
利用LabVIEW豐富的信號(hào)處理、測(cè)量和分析函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)信號(hào)幅度，同步的幅度、脈寬、頻率，波形的過(guò)沖、預(yù)沖以及副載波的幅度，頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。另外，通過(guò)對(duì)齊比較算出其與標(biāo)準(zhǔn)波形的差異率，從而判斷出信號(hào)是否合格。視頻分析子程序見(jiàn)圖6。

圖6 視頻分析子程序

4）遙控碼和按鍵的模擬
小信號(hào)板直接接收已解調(diào)的遙控命令，我們只需要模擬未調(diào)制的遙控碼。它是TTL電平的脈沖串，可由6259的數(shù)字輸出DO來(lái)模擬。DO的時(shí)鐘需要借用AI/O等內(nèi)部時(shí)鐘或其它外時(shí)鐘，但AI/O和遙控碼工作不能同步，而兩個(gè)Counter已被占用，因此只能采用其它外部時(shí)鐘。遙控碼的發(fā)送只在小信號(hào)板正常工作時(shí)才啟用，我們正好借助Counter輸出的行反饋信號(hào)34K方波來(lái)作為遙控碼的時(shí)鐘。一旦小信號(hào)板正常工作，行反饋信號(hào)十分穩(wěn)定，用它作為時(shí)鐘可以達(dá)到精度要求。另外，6259的DO可連續(xù)輸出2047個(gè)脈沖，可以連續(xù)發(fā)送大約10組遙控命令，符合測(cè)試要求。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，模擬的遙控命令工作穩(wěn)定、可靠。
遙控碼模擬子程序如圖7所示，先由遙控編碼子程序得到各種遙控器所有按鈕的遙控碼波形，再由這個(gè)子程序通過(guò)PXI-6259的DO將遙控碼發(fā)送出去。
電視的按鍵通常都是AD型的，這里利用6259的模擬輸出AO來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量出每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓后，利用6259的AO，即可實(shí)現(xiàn)按鍵功能。模擬按鍵的持續(xù)時(shí)間和間隔為20ms，比人工按鍵操作更加快速。

圖7 遙控碼模擬子程序

5）直流、低頻信號(hào)、數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)的處理
PXI-6259多通道采集速率高達(dá)1 MS/s，精度16位，具有32路模擬輸入，4路模擬輸出， 48路數(shù)字I/O，利用6259這些豐富全面的功能和高性能，即可滿足對(duì)直流、低頻交流信號(hào)、開(kāi)關(guān)等信號(hào)的采集或產(chǎn)生等處理。
最終實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)硬件如圖8所示。硬件系統(tǒng)高度的集成了大量傳統(tǒng)儀器的功能，而占用的空間卻大為減少。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)照片

四．用戶界面和輔助功能
測(cè)試軟件由LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它將各個(gè)測(cè)試模塊有效的連接起來(lái)，對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制，并將測(cè)試結(jié)果顯示在屏幕上。測(cè)試完成時(shí)，它將測(cè)試的各個(gè)參數(shù)和結(jié)果存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，供以后追溯和查詢使用。
軟件編寫(xiě)充分利用了LabVIEW程序可并行運(yùn)行的特點(diǎn)，使行反饋的產(chǎn)生，小信號(hào)板工作狀態(tài)的監(jiān)控等子程序可以和測(cè)試程序同時(shí)運(yùn)行，解決了小信號(hào)板驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控的問(wèn)題。
測(cè)試軟件提供了友好的人機(jī)界面，見(jiàn)圖9，它允許用戶載入配置文件、自定義測(cè)試項(xiàng)目以及修改測(cè)試參數(shù)的上下限范圍等，并可按要求對(duì)測(cè)試報(bào)表進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。

圖9 軟件用戶界面

五．測(cè)試
系統(tǒng)完成后，我們?cè)O(shè)置了一些條件對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試員操作，對(duì)平均單板測(cè)試時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量；通過(guò)重復(fù)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證；通過(guò)設(shè)置故障，對(duì)系統(tǒng)的檢出率水平進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，系統(tǒng)的單板測(cè)試時(shí)間縮短了一半以上，可靠性和檢出水平都有較好的提升，在自動(dòng)化、通用性方面都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論
利用虛擬儀器軟硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出了功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越且易于擴(kuò)展的測(cè)試系統(tǒng)，使生產(chǎn)測(cè)試性能有了很大的提升。與傳統(tǒng)測(cè)試相比較，虛擬儀器測(cè)試有著巨大優(yōu)越性，必將得到更廣泛、深入的應(yīng)用。