基于LabVIEW的水聲信號發(fā)生器設(shè)計?

盧育中 曹 亮

（91388部隊95分隊 湛江 524022）

1 引言

在聲傳播損失測量試驗中，除了用投放爆炸聲源作為測量的水聲信號外，另外一種方法就是通過吊放發(fā)射換能器發(fā)射指定聲信號來實現(xiàn)測線上的聲傳播損失測量。第一種方法雖然具有信號帶寬寬的優(yōu)點，但是投放成本高，且污染環(huán)境并帶來安全隱患，因此在滿足需求的條件下采用吊放換能器發(fā)射指定聲信號的方式更為可行。吊放聲源通過信號發(fā)生器產(chǎn)生具有特點頻率、特定調(diào)職方式及脈沖長度的電信號，然后經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)和功放輸出效率，經(jīng)過發(fā)射換能器將電信號轉(zhuǎn)換為水聲信號能量輻射到海水介質(zhì)中。

為滿足聲傳播損失測量需求，發(fā)射的聲信號復(fù)雜多變，信號頻率、周期、幅值、制式等都特征多變。為解決此類問題，本文介紹了基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺利用NI USB-6353板卡控制開發(fā)設(shè)計的水聲信號發(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LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，建立在易于使用的圖形數(shù)據(jù)流編程語言C語言上［1］。該信號發(fā)生器基于LabVIEW開發(fā)，操作簡便，具有良好的交互界面，方便操作使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于對水聲信號的需求，系統(tǒng)不僅能夠作為虛擬信號源產(chǎn)生實際所需信號作為聲源系統(tǒng)的輸入，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射機(jī)發(fā)射信號大小、發(fā)射信號形式等參數(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，對應(yīng)于不同發(fā)射換能器，信號形式可選擇正弦信號、方波信號、三角波信號、線性調(diào)頻信號等單一和組合多種形式［15～16］。

系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架圖

3 軟件設(shè)計及硬件實現(xiàn)

水聲信號發(fā)生器設(shè)計界面可實現(xiàn)發(fā)射聲源模擬信號時域、頻域波形實施顯示，利用USB2.0與控制主機(jī)連接對NI板卡進(jìn)行控制，實現(xiàn)對發(fā)射功放輸入信號的生成進(jìn)行設(shè)置、選擇。為防止出現(xiàn)設(shè)置信號參數(shù)錯誤，系統(tǒng)設(shè)計具有信號實時預(yù)覽功能，可實時預(yù)覽生成信號并對實際生成信號進(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與軟件運行主機(jī)組成，NI數(shù)據(jù)板卡生成信號經(jīng)過信號線輸入發(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)計考慮NI板卡的即插即用性，采用模擬信號從模擬輸出端口“AO0”輸出并輸入功放輸入端。見圖2所示。

圖2 硬件連接圖

3.2 軟件設(shè)計及實現(xiàn)

軟件結(jié)構(gòu)主要考慮功能需求進(jìn)行設(shè)計，包括生成信號檢測界面、信號參數(shù)設(shè)置界面、信號類型選擇界面和預(yù)覽界面構(gòu)成［11～12］。信號的檢測和預(yù)覽界面是信號發(fā)生器的軟件主要界面，主要完成信號的類型選擇、參數(shù)設(shè)置等信號生成控制。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，同時具備“開始∕停止”用于信號的發(fā)射控制。

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

圖3 軟件設(shè)計框圖

4 軟件測試

軟件測試平臺主要包括計算機(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。在實驗室條件下采用示波器代替發(fā)射換能器組來監(jiān)視生成信號的形式對信號進(jìn)行檢測，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。計算機(jī)需安裝LabVIEW開發(fā)平臺及NI-DAQmx應(yīng)用驅(qū)動，利用USB2.0數(shù)據(jù)線將計算機(jī)與NI USB 6353相連接，系統(tǒng)上電并啟動軟件進(jìn)行測試，上電后會彈出發(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

軟件啟動后，需人工輸入發(fā)射信號的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如參數(shù)設(shè)置不全，將出現(xiàn)錯誤提示。

涉及輸入限制的情況說明如下：

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

2）信號類型、周期、中心頻率、脈寬等選擇參數(shù)需設(shè)置。

為保證系統(tǒng)的正常運行，需正確連接各個硬件部分，如出現(xiàn)如圖5所示錯誤提示，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，通過示波器檢測NI板卡輸出端口可有效檢測出正常的信號輸出，如仍存在問題，可能系統(tǒng)執(zhí)行存在問題，對LabVIEW源程序進(jìn)行檢查修復(fù)。

圖5 硬件連接故障提示

為檢測軟件是否正常運行，連接NI及各個相關(guān)設(shè)備，按照信號設(shè)置需求對信號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，部分參數(shù)為設(shè)計時默認(rèn)設(shè)置，可根據(jù)實際情況進(jìn)行修改，為提高實際應(yīng)用時的快捷性，針對調(diào)頻信號設(shè)置了調(diào)用數(shù)據(jù)文件的設(shè)置方式，通過LabVIEW軟件調(diào)用Matlab生成的調(diào)頻信號bin文件實現(xiàn)固定中心頻率、固定帶寬的調(diào)頻信號的生成，軟件操作界面見圖4。

信號參數(shù)設(shè)置后，可點擊“開始”按鈕實現(xiàn)指定信號的生成，此時按鍵變亮，發(fā)射指示燈高亮狀態(tài)，在信號預(yù)覽和監(jiān)測界面可看到生成波形，生成的模擬信號由NI 6353板卡“AO0”端口輸出。

圖6 示波器顯示生成模擬信號

當(dāng)軟件運行出現(xiàn)死機(jī)情況時，先將NI 6353板卡設(shè)備斷電，再對軟件進(jìn)行相關(guān)操作。為保護(hù)聲源功率放大器，軟件啟動時，先對生成信號波形通過示波器進(jìn)行檢測，如無異常再接入聲源功率放大器，防止生成信號過大造成對功率放大器的損壞。生成模擬信號如圖6所示。

5 結(jié)語

本文通過基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)設(shè)計了一款適用于水聲信號發(fā)射的信號生成軟件，能實現(xiàn)信號類型的選擇、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，可滿足聲傳播試驗對水聲信號的發(fā)射要求，且經(jīng)濟(jì)性好，具有較好的應(yīng)用推廣價值。