聲級計電性能自動檢定系統的設計與實現

葉俊浩，王 英，桑帥軍

(1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018；2.浙江省計量科學研究院，杭州 310018)

0 引言

聲級計作為測量和評估噪聲水平的最常見的儀器使用場所廣泛[1]，在環境保護、勞動衛生、科研教學和工業企業等領域都可以見到，其準確性直接影響了被測產品的噪聲顯示大小，工作場所噪聲是否合格，環境噪聲是否超過限定值，科研數據的可信度等[2]。

聲級計的檢定工作依據國家頒布的JJG 188-2017《聲級計檢定規程》進行[3]，一般檢定聲級計所需要操作的儀器包括有聲校準器、標準傳聲器、測量放大器、正弦信號發生器、猝發音發生器、高精密級衰減器等，因為檢定標準器構成復雜，配置型號、各環節精度不同，以致當前國內具有聲級計檢定能力的實驗室其聲級計的檢定大部分依然是手工檢定，檢定過程繁瑣，工作效率低。在人們對噪聲污染越來越重視的大環境下，送檢的聲級計日益增多，省級計量院檢定任務繁重，傳統的作業方式已經很難應付[4]，因此迫切需要一套聲級計自動檢定系統，以減輕檢定人員的工作量，提高檢定效率和準確度。

現有自動檢定方法例如有：萬江基于STM32單片機設計了多功能聲級計校準系統[5]，限于單片機處理能力和儲存能力，檢定項目不完全，檢定對象有限；華南理工大學何卓斌設計的一套基于LabVIEW的聲級計檢定系統已經做得較完備，雖然不需要檢測員在手動的操作信號發生器，但是還是需要人工進行讀數以及操作聲級計，檢測員用肉眼觀察很容易出現錯誤，該系統只是將繁瑣的按鍵簡化，并沒有真正的達到自動化[6]；杭州愛華儀器有限公司錢利軍開發的一套聲級計頻率計權項目的檢定系統[7]，雖然提高了檢定的效率，但僅能檢定頻率計權項目，還有很多其他檢定項目沒有覆蓋。云南國防區域計量站朱德壽[8]提出一種基于PULSE系統的聲級計檢定系統，是目前自動化程度最高、檢測能力覆蓋聲級計種類最多的自動檢定系統，但是該系統的價格非常的昂貴難以推廣應用。

綜上所述，聲級計的自動檢定還遠遠不能達到計量部門的需求，本文擬基于虛擬儀器技術設計聲級計自動檢定系統，使其完成標準設備和聲級計的自動控制和檢定數據采集、數據分析處理、合格判定、檢定數據記錄、檢定原始記錄報告自動生成等工作，提升聲級計自動檢定能力，提高聲級計計量效率，減少人為誤差。

1 系統組成和原理

1.1 系統組成

根據日常送檢聲級計數量的實際情況，本文檢定對象選用杭州愛華儀器有限公司AWA5661系列聲級計。系統硬件由工控計算機、標準信號源(KeySight33520B)、程控精密衰減器及待檢聲級計組成，主要硬件指標如表1所示。以多串口工控計算機為控制核心，采用數據總線結構，實現對標準儀器和待檢聲級計的同步控制。

表1 系統硬件指標

1.2 工作原理

聲級計自動檢定的實現需要滿足兩個條件：1)控制標準信號源輸出標準待檢信號幅值、頻率以及波形的自動調節，但限于標準信號源幅值動態范圍限制，需要增加精密衰減器以滿足對聲級計部分檢定項目的需求；2)聲級計的控制和響應的讀取。

如圖1所示，程控精密衰減器與標準信號源(KeySight33520B)以及待檢聲級計通過BNC電纜相連接，再分別通過數據傳輸線連接至工控計算機實現通訊。

圖1 硬件連接示意圖

自動檢定系統通過串口按照聲級計檢定規程要求對標準設備觸發以產生待檢定標準信號，通過BNC電纜把標準信號發送到聲級計。聲級計接收到信號后，等到示數穩定以后將數據通過串口發送回自動檢定系統。自動檢定系統在接收到返回數據以后先對數據進行解碼，再依據規程中的要求進行分析、處理和顯示，重復上述操作，直到獲得最后一個檢定結果。系統同共包含了聲級計檢定的六個項目分別為頻率計權(電信號)、自噪聲、級線性、時間計權、1 kHz處的頻率計權、單個猝發音響應，共計40多個檢定點。

2 系統軟件

聲級計自動檢定系統的實現除了硬件之間的連接通訊，更重要的是軟件功能的實現。LabVIEW作為一款圖形化的編程軟件[9]，與一般的文本編程語言有很大的區別，內部集成了大量簡易且功能強大的工具包，是計量測試領域的有力開發工具，能夠很好地完成儀器控制以及數據采集，實現檢定規程所規定的檢定流程[10]。

2.1 系統軟件總體設計

系統軟件主要分為3層，最上層為主程序，中間層為功能模塊，底部驅動層為儀器控制驅動、消息隊列傳輸驅動[8]。整體程序結構如圖2所示。

圖2 系統軟件總體結構示意圖

1)初始化設置模塊，主要實現各儀器串口配置、待檢聲級計基本信息和檢定地點環境條件錄入、檢定項目的選擇等。

2)數據處理顯示模塊，主要實現聲級計反饋數據的誤差判斷以及數據在系統主界面的顯示。

3)數據采集模塊，主要是對信號發生器、程控精密衰減器、聲級計的控制，以復現檢定規程中各個檢定項目的流程。

4)報告生成模塊，主要實現檢定結果寫入Excel原始數據記錄報告中。

程序運行的流程如圖3所示，程序開始運行后先配置好通訊串口，然后發送命令測試儀器設備與工控計算機之間的通訊是否正常，等待測試通訊正常以后開始按照檢定規程規定的檢定項目逐個進行檢定，與此同時，每檢定完一個項目對數據進行處理分析，判斷是否合格，顯示在程序主界面上。在所有檢定項目完成以后，若存在不合格的項目，工作人員可以選擇重新檢測該項目，以提高系統的容錯率，最后保存數據生成檢定報告。

圖3 系統軟件流程圖

2.2 主程序

編寫完成軟件界面如圖4所示，在系統運行前，檢定人員先在程序前面板上配置好儀器設備的通訊串口，輸入聲級計的基本信息以及實驗室環境條件。然后選擇所需要檢定的項目，點擊開始檢定按鈕，系統開始檢定，此時開始檢定按鈕和保存按鈕會被禁用，防止檢定人員誤觸。每檢定完一個項目，結果會顯示在右側表格中并且判斷該結果是否合格，便于檢定人員查看。

圖4 軟件主界面

本系統主要實現數據采集、處理、顯示以及保存等自動化控制流程，是典型的面向過程的設計，但是各個過程運行并不同步，為提高運行效率，系統主程序采用異步多循環的“生產者/消費者”設計模式，通過消息隊列(Message Queue)作為數據緩沖區[11]，將采集、處理、顯示及保存分開處理，消息隊列完成模塊之間的數據交互，使各個模塊之間的耦合降低，減少模塊之間的依賴，以提高程序的執行效率。

主程序如圖5所示。主要包括以下5個循環：

圖5 主程序框圖

1)UI事件處理，消息的“生產者”，是捕捉用戶在前面板按鈕動作事件生成消息的事件處理循環，并將生成的消息寫入消息隊列。

2)消息處理循環，從事件處理循環接收處理消息并通過消息隊列發送響應消息至其他的消息處理循環(MHL)。

3)采集數據循環，連續響應數據的MHL，采集到響應數據解碼處理以后寫入消息隊列,分別發送至記錄數據循環以及顯示數據循環。

4)記錄數據循環，連續記錄響應數據的MHL，從消息隊列中獲取響應數據并記錄。

5)顯示數據循環，用采集數據顯示的MHL。從消息隊列獲取到響應數據，分析判斷是否超差后顯示在程序主界面上。

各個循環通過消息隊列傳遞消息，保證各自的獨立性以及消息的連續性，有效的防止了用戶指令和數據的丟失，保證在程序運行過程中數據的同步性與完整性。

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊主要是通過對標準信號源、程控精密衰減器和待檢聲級計的控制復現聲級計檢定規程中的流程。

系統按照聲級計檢定規程所要求的6個檢定項目分別建立獨立的功能模塊，通過隊列狀態機實現。根據檢定規程，不同的檢定項目對聲級計的模式、初始顯示聲壓級以及輸入信號的幅值、頻率、波形都有不同的要求，在檢定開始時先要將聲級計調至相應的模式，然后調節輸入信號使聲級計達到所要求的聲壓級后開始檢定，重復上述步驟，逐一測試各個檢定點，直至所有檢定點都完成。圖6為檢定單個項目的基本流程，例如單個猝發音響應項目一個檢定點的流程為“先用標準信號源產生一個4 kHz的正弦信號，使程控精密衰減器衰減器衰減幅度調節為0 dB；調節輸入信號幅值使待檢聲級計顯示聲壓級為測量上限以下3 dB，然后標準信號源發出4 kHz的猝發音信號，將聲級計設定至相應檔位，讀取聲級計響應數據，取這個變化過程中的最大值與相應穩態正弦信號的顯示聲級的差值即為單個猝發音響應的結果。”

圖6 單個檢定項目運行流程圖

2.4 報告生成模塊

借助LabVIEW的Report Generation工具包，將檢點地點環境條件等檢定基本信息和檢定結果錄入原始數據記錄報告Excel模板中。調用Excel的一般流程為新建報表，數據寫入報表，保存報表至文件，處置報表。在工作人員在前面板點擊“保存”鍵以后，數據采集循環通過消息隊列將檢定結果以數組的形式傳輸至該模塊，圖7為檢定數據寫入報表過程，將檢定數據數組的值索引出來后通過隊列狀態機分別寫入模板中所指定的單元格。

圖7 數據寫入報表部分程序框圖

2.5 驅動層

2.5.1 儀器控制驅動

儀器設備的驅動有以下兩種：

1)標準信號源和待檢聲級計的控制基于LabVIEW中的VISA(virtual instruments software architecture)庫函數。通過VISA用戶能與大多數儀器總線連接，無論底層是何種硬件接口，用戶只需要面對統一的編程接口VISA。

程序中所使用的VISA函數是：VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取和VISA關閉。應用VISA寫入函數將控制標準信號源、待檢聲級計的指令通過串口發送至儀器設備，設備接收命令后解析，然后做出相應的響應；應用VISA讀取函數將聲級計響應數據通過RS232串口發送至系統，VISA讀取函數調用時需要設置好讀取緩沖區的字節數，不確定儀器返回多少字節的數據時，在讀取過程可能會引發數據過量溢出或者超時等待，導致程序出錯，因此在讀取前加入“Bytes at Port”串口屬性節點，這個屬性節點能夠讀取當前串口緩沖區有多少字節數，然后將它的輸出端連接到VISA讀取函數的“讀取字節數”這個輸入端上，這樣緩沖區有多少個字節的數據就讀回多少，不會有數據溢出和超時等待。圖6為讀取一個聲級計響應數據的基本程序，經過測試，在寫入讀取指令后，需加一個100 ms的延時，給聲級計一個響應時間，再讀取響應數據，以保證讀取無誤。完成讀取后調用VISA關閉函數，釋放通訊的串口資源。通過聲級計響應讀取VI讀取聲級計的響應之后，由正則表達式對響應數據解碼，提取所需要的數據，入消息隊列，等待進一步的處理。

2)程控精密衰減器的控制程序由VC語言編寫，生成動態鏈接庫(DLL,dynamic link library)通過LabVIEW中的Ac-tiveX接口調用。動態鏈接庫DLL中包含了兩塊內容:一是DllGetClassObject,Dll-CanUnloadNow, DllRegisterServer,Dll-UnregisterServer四個函數完成一個進程內的COM(component object model)組件，實現與工控計算機的連接通訊；二是工控計算機控制程控精密衰減器內部數字IO控制卡，切換電阻網絡以改變函數信號幅值衰減幅度的方法。

在工控計算機注冊好DllRegisterS-erver后，應用ActiveX接口調用動態鏈接庫中封裝好的方法[12]。圖8為LabVIEW調用動態鏈接庫的基本程序,先打開自動化引用寫入動態鏈接庫的引用句柄，接著調用動態鏈接庫中的方法，最后關閉自動化引用，釋放ActiveX接口資源。

圖8 調用動態鏈接庫基本程序

2.5.2 消息隊列傳輸驅動

消息隊列是本系統各個模塊之間數據傳遞的核心方式。系統中包含有多個隊列，包括用戶前面板事件消息發送消息至“事件處理循環的隊列；事件處理循環發送消息至采集數據循環與記錄數據循環的隊列；采集數據循環發送消息至數據記錄循環與顯示數據循環的隊列。

自動檢定系統創建一個消息隊列的方式如圖9所示，分別對每個隊列的數據類型進行定義，本系統有字符串和數組兩種類型的隊列，用一個空的字符串或者數組連接至“元素數據類型”端即可定義消息隊列數據類型。在創建完隊列之后，在“隊列輸出端”創建引用，各個循環通過消息隊列引用句柄訪問特定的隊列完成消息入隊列與消息出隊列的動作。消息隊列是整個系統的“血管”，實現了在多個VI之間或者同一VI種不同線程之間任務交互執行和數據交換。

圖9 消息隊列創建

3 實驗結果與分析

系統是將原有標準儀器的控制和數據讀取、分析處理由手動變成自動，從檢定原理上看并不會影響檢定結果的不確定度。

為了驗證，對送檢的AWA5661型聲級計進行檢定實驗比較，分別用自動檢定系統和人工檢定進行10次檢定，記錄各個檢定項目的結果，其中單個猝發音響應的測量平均值如表2所示，結果差別不大，具有良好的一致性。計算出兩個方式各自的A類不確定度，如表3所示，檢定規程所要求的最大A類不定度為0.30。

表2 單個猝發音響應項目自動檢定與人工檢定結果平均值對比

表3 單個猝發音響應項目自動檢定與人工檢定結果不確定度對比

實驗結果表明，使用自動檢定系統對聲級計進行檢定，測量不確定度符合檢定規程中所要求的，且和人工檢定基本一致；同時自動檢定系統減少了人工讀數時所產生的的誤差，使工作人員擺脫繁瑣的按鍵操作，且在檢定過程中對結果進行分析處理，減少了后期數據處理的時間。通過本系統檢定一臺聲級計的時間平均為10 min，而人工檢定一臺聲級計平均需要30 min，效率提高了3倍。

4 結束語

目前本系統已經投入應用，在AWA5661系列聲級計電性能檢定實踐中穩定、可靠，這套系統可以完成聲級計6項復雜的檢定項目，減少在人工讀數時產生的誤差，且可以使檢定人員脫離繁瑣的儀器按鍵操作和分析處理檢定結果的工作，保證檢定工作的準確性和時效性，極大提高了檢定效率。

后續工作可以基于此擴展聲級計聲性能自動檢定功能；增加不同廠家不同型號的聲級計檢定能力；發揮計算機大數據存儲與處理優勢，基于被檢聲級計的歷史檢定數據，提煉聲級計關鍵技術指標，為聲級計生命周期維護，為聲級計的技術進步以及計量校準更新提供參考。