基于LabVIEW的水聲信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)?

盧育中 曹 亮

（91388部隊(duì)95分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

在聲傳播損失測(cè)量試驗(yàn)中，除了用投放爆炸聲源作為測(cè)量的水聲信號(hào)外，另外一種方法就是通過(guò)吊放發(fā)射換能器發(fā)射指定聲信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)線(xiàn)上的聲傳播損失測(cè)量。第一種方法雖然具有信號(hào)帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，但是投放成本高，且污染環(huán)境并帶來(lái)安全隱患，因此在滿(mǎn)足需求的條件下采用吊放換能器發(fā)射指定聲信號(hào)的方式更為可行。吊放聲源通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生具有特點(diǎn)頻率、特定調(diào)職方式及脈沖長(zhǎng)度的電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和功放輸出效率，經(jīng)過(guò)發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)能量輻射到海水介質(zhì)中。

為滿(mǎn)足聲傳播損失測(cè)量需求，發(fā)射的聲信號(hào)復(fù)雜多變，信號(hào)頻率、周期、幅值、制式等都特征多變。為解決此類(lèi)問(wèn)題，本文介紹了基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)利用NI USB-6353板卡控制開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射換能器功率大小、發(fā)射信號(hào)形式等參數(shù)及使能狀態(tài)進(jìn)行控制［2］。

NI公司推出的虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW能夠?yàn)橛脩?hù)提供簡(jiǎn)明、直觀(guān)、易用的圖形編程方式，建立在易于使用的圖形數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言C語(yǔ)言上［1］。該信號(hào)發(fā)生器基于LabVIEW開(kāi)發(fā)，操作簡(jiǎn)便，具有良好的交互界面，方便操作使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于對(duì)水聲信號(hào)的需求，系統(tǒng)不僅能夠作為虛擬信號(hào)源產(chǎn)生實(shí)際所需信號(hào)作為聲源系統(tǒng)的輸入，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)大小、發(fā)射信號(hào)形式等參數(shù)選擇及使能控制，其中發(fā)射機(jī)可選擇不同的工作頻段，對(duì)應(yīng)于不同發(fā)射換能器，信號(hào)形式可選擇正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)、線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)等單一和組合多種形式［15～16］。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

3 軟件設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

水聲信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)界面可實(shí)現(xiàn)發(fā)射聲源模擬信號(hào)時(shí)域、頻域波形實(shí)施顯示，利用USB2.0與控制主機(jī)連接對(duì)NI板卡進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射功放輸入信號(hào)的生成進(jìn)行設(shè)置、選擇。為防止出現(xiàn)設(shè)置信號(hào)參數(shù)錯(cuò)誤，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有信號(hào)實(shí)時(shí)預(yù)覽功能，可實(shí)時(shí)預(yù)覽生成信號(hào)并對(duì)實(shí)際生成信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成主要由NI公司數(shù)據(jù)采集卡USB-6353與軟件運(yùn)行主機(jī)組成，NI數(shù)據(jù)板卡生成信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)輸入發(fā)射聲源功率放大器輸入端口。NI USB-6353是基于USB總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡，具有32路BNC模擬輸入，4路BNC模擬輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮NI板卡的即插即用性，采用模擬信號(hào)從模擬輸出端口“AO0”輸出并輸入功放輸入端。見(jiàn)圖2所示。

圖2 硬件連接圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件結(jié)構(gòu)主要考慮功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括生成信號(hào)檢測(cè)界面、信號(hào)參數(shù)設(shè)置界面、信號(hào)類(lèi)型選擇界面和預(yù)覽界面構(gòu)成［11～12］。信號(hào)的檢測(cè)和預(yù)覽界面是信號(hào)發(fā)生器的軟件主要界面，主要完成信號(hào)的類(lèi)型選擇、參數(shù)設(shè)置等信號(hào)生成控制。為提高軟件的可操控性，參數(shù)設(shè)置可自定義設(shè)置，也可采用下拉菜單式的選擇設(shè)置，同時(shí)具備“開(kāi)始∕停止”用于信號(hào)的發(fā)射控制。

水聲信號(hào)的參數(shù)設(shè)置包括信號(hào)類(lèi)型選擇、中心頻率、周期、幅值等參數(shù)設(shè)置，為方便現(xiàn)場(chǎng)操作，也可通過(guò)讀取數(shù)據(jù)文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可發(fā)射的信號(hào)類(lèi)型包括正弦波、方波、三角波，信號(hào)制式可選擇單頻或調(diào)頻信號(hào)，軟件設(shè)計(jì)框圖如下圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)框圖

4 軟件測(cè)試

軟件測(cè)試平臺(tái)主要包括計(jì)算機(jī)、NI USB-6353、水聲聲源功率放大器及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射換能器組等。在實(shí)驗(yàn)室條件下采用示波器代替發(fā)射換能器組來(lái)監(jiān)視生成信號(hào)的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，一方面發(fā)射換能器組需具備水池條件較難保障，另外輸出信號(hào)大小需進(jìn)行檢查后方能輸入功率放大器端，防止出現(xiàn)功放損壞情況發(fā)生。計(jì)算機(jī)需安裝LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)及NI-DAQmx應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，利用USB2.0數(shù)據(jù)線(xiàn)將計(jì)算機(jī)與NI USB 6353相連接，系統(tǒng)上電并啟動(dòng)軟件進(jìn)行測(cè)試，上電后會(huì)彈出發(fā)現(xiàn)NI 6353板卡提示信息，如圖4所示。

圖4 上電后發(fā)現(xiàn)硬件板卡提示信息

軟件啟動(dòng)后，需人工輸入發(fā)射信號(hào)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如參數(shù)設(shè)置不全，將出現(xiàn)錯(cuò)誤提示。

涉及輸入限制的情況說(shuō)明如下：

1）板卡輸出端口需進(jìn)行選擇。選擇NI 6353板卡上的模擬信號(hào)輸出端口；

2）信號(hào)類(lèi)型、周期、中心頻率、脈寬等選擇參數(shù)需設(shè)置。

為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需正確連接各個(gè)硬件部分，如出現(xiàn)如圖5所示錯(cuò)誤提示，檢查各硬件部分是否正常連接。各硬件連接均正常的情況下，通過(guò)示波器檢測(cè)NI板卡輸出端口可有效檢測(cè)出正常的信號(hào)輸出，如仍存在問(wèn)題，可能系統(tǒng)執(zhí)行存在問(wèn)題，對(duì)LabVIEW源程序進(jìn)行檢查修復(fù)。

圖5 硬件連接故障提示

為檢測(cè)軟件是否正常運(yùn)行，連接NI及各個(gè)相關(guān)設(shè)備，按照信號(hào)設(shè)置需求對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，部分參數(shù)為設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)設(shè)置，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，為提高實(shí)際應(yīng)用時(shí)的快捷性，針對(duì)調(diào)頻信號(hào)設(shè)置了調(diào)用數(shù)據(jù)文件的設(shè)置方式，通過(guò)LabVIEW軟件調(diào)用Matlab生成的調(diào)頻信號(hào)bin文件實(shí)現(xiàn)固定中心頻率、固定帶寬的調(diào)頻信號(hào)的生成，軟件操作界面見(jiàn)圖4。

信號(hào)參數(shù)設(shè)置后，可點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕實(shí)現(xiàn)指定信號(hào)的生成，此時(shí)按鍵變亮，發(fā)射指示燈高亮狀態(tài)，在信號(hào)預(yù)覽和監(jiān)測(cè)界面可看到生成波形，生成的模擬信號(hào)由NI 6353板卡“AO0”端口輸出。

圖6 示波器顯示生成模擬信號(hào)

當(dāng)軟件運(yùn)行出現(xiàn)死機(jī)情況時(shí)，先將NI 6353板卡設(shè)備斷電，再對(duì)軟件進(jìn)行相關(guān)操作。為保護(hù)聲源功率放大器，軟件啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)生成信號(hào)波形通過(guò)示波器進(jìn)行檢測(cè)，如無(wú)異常再接入聲源功率放大器，防止生成信號(hào)過(guò)大造成對(duì)功率放大器的損壞。生成模擬信號(hào)如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)基于LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款適用于水聲信號(hào)發(fā)射的信號(hào)生成軟件，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)類(lèi)型的選擇、頻率、周期、幅值等參數(shù)設(shè)置，具有更好的操作靈活性，人機(jī)交互界面友好，可滿(mǎn)足聲傳播試驗(yàn)對(duì)水聲信號(hào)的發(fā)射要求，且經(jīng)濟(jì)性好，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。