基于DSP的汽車電喇叭耐久性智能試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)

化雪薈，林偉康

(1. 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東 佛山 528000；2. 廣東新昇電業(yè)科技股份有限公司，廣東 佛山 528000)

0 引言

汽車電喇叭是汽車安全系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的電器元件。電喇叭能否適應(yīng)汽車外環(huán)境的變化正常工作并同時(shí)發(fā)出適合的聲響以及悅耳的聲色，已經(jīng)成為汽車電喇叭制造的核心問題。喇叭是開車時(shí)頻繁使用的裝置，電喇叭作用發(fā)揮得好，減少了減速、制動(dòng)處理情況的操作次數(shù)，對(duì)車輛行駛速度的提高與行車安全將產(chǎn)生一定的影響[1-3]。雖然國(guó)內(nèi)大多一線城市已經(jīng)實(shí)行“禁鳴”，很多城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)還是允許鳴喇叭的。由于我國(guó)國(guó)情和駕駛員習(xí)慣與歐美等國(guó)存在很大差異，使得汽車?yán)纫帏Q號(hào)10倍左右，直接導(dǎo)致電喇叭壽命難以滿足我國(guó)市場(chǎng)需求，因此汽車電喇叭耐久性已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)，而目前國(guó)內(nèi)尚無較為完善的測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，制約著行業(yè)的快速發(fā)展[4]。

本文針對(duì)標(biāo)準(zhǔn) GB 15742-2001《機(jī)動(dòng)車用喇叭的性能要求及試驗(yàn)方法》和QC-T 30-2004《機(jī)動(dòng)車用電喇叭技術(shù)條件》中電喇叭測(cè)試要求（包含啟動(dòng)性能和耐久性試驗(yàn)），為電喇叭測(cè)試提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的智能電喇叭測(cè)試系統(tǒng)方案。

1 電喇叭耐久性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

電喇叭性能耐久試驗(yàn)臺(tái)是用于測(cè)試電喇叭耐久度的儀器。通過對(duì)電喇叭的工作電壓、電流和聲音分貝三種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并采集，綜合判斷、確定喇叭每一次工作是否合格，并統(tǒng)計(jì)總工作次數(shù)，用于確定喇叭的耐久度，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐久次數(shù)要求判斷電喇叭是否達(dá)標(biāo)。

試驗(yàn)臺(tái)由啟動(dòng)測(cè)試盒 DSP處理器（digital singnal processor）、文本顯示器模塊、喇叭控制電路模塊和工作箱組成，如圖1所示。其中，耐久試驗(yàn)臺(tái)采用220 V供電，經(jīng)整流變壓后為文本顯示器、控制部分、可調(diào)直流電源、電喇叭取樣部分、散熱風(fēng)扇、聲音傳感器、電壓電流變送器等部分供電。DSP控制部分接受用戶通過按鍵輸入的信息，控制DSP內(nèi)部工作情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)喇叭測(cè)試的控制斷開。控制面板的按鍵有多種功能，聲音傳感器標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置鍵可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電壓，聲音傳感器失效次數(shù)設(shè)置鍵可以設(shè)置允許的失效次數(shù)，而電壓/電流設(shè)置鍵則用來設(shè)置供給的電壓和電流。DSP文本顯示器用于顯示設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值（包括上下限值）：電壓、電流、聲音分貝和失效次數(shù)，以及測(cè)試過程中各路工作次數(shù)。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)DSP啟動(dòng)測(cè)試控制盒

1.1.1 DSP控制盒

汽車電喇叭耐久性能試驗(yàn)臺(tái)在DSP性能方面要求較高，需要有特殊功能模塊，所以選用DSP微處理器對(duì)喇叭的電壓、電流以及啟動(dòng)的次數(shù)等進(jìn)行控制。在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；快速的中斷處理和硬件 I/O支持；具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；可以并行執(zhí)行多個(gè)操作[5-10]。

1.1.2 試驗(yàn)臺(tái)DSP啟動(dòng)控制部分

DSP接入電源經(jīng)整流變壓后為文本顯示器、啟動(dòng)控制部分、可調(diào)直流電源等各部分供電，如圖2所示。

工作時(shí)，打開開關(guān)，系統(tǒng)開始自檢，確認(rèn)工作環(huán)境正常之后，就可以開始測(cè)試工作。DSP控制,采用 NPN管輸出方式，用戶按鍵輸入控制參數(shù)之后，并顯示當(dāng)前啟動(dòng)測(cè)試盒狀態(tài)。通過外部按鍵設(shè)置脈沖輸出次數(shù)與間隔時(shí)間，通過啟動(dòng)按鍵（自動(dòng)/手動(dòng)）可選擇不同的啟動(dòng)方式。開始測(cè)試之后，脈沖次數(shù)和間隔時(shí)間將在DSP文本顯示器顯示。輸出部分，DSP用于控制IGBT管通斷時(shí)間，IGBT管接受來自DSP發(fā)來的信號(hào)，接通可調(diào)直流電源至電喇叭。根據(jù)電喇叭的額定電壓，通過設(shè)置可調(diào)直流電源，可以改變加于電喇叭兩端的電壓，電壓范圍為5～30 V。

在測(cè)試過程中，按下手動(dòng)或者自動(dòng)鍵，可以在兩種控制方式中切換進(jìn)行，同時(shí)兩個(gè)指示燈顯示對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

1.1.3 DSP測(cè)試控制

啟動(dòng)系統(tǒng)之后，DSP提供一個(gè)可調(diào)的時(shí)間脈沖，輸出到驅(qū)動(dòng)功率管 IGBT，IGBTG管接通測(cè)試?yán)鹊幕芈冯娫矗瑫r(shí)聲音傳感器開始監(jiān)控狀態(tài)直到測(cè)試結(jié)束。預(yù)先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)聲音分貝和標(biāo)準(zhǔn)聲音上下限值，以及防止偶然干擾或偶爾的聲音嘶啞造成的誤測(cè)而設(shè)定的允許失效次數(shù)，即可以啟動(dòng)測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)聲級(jí)計(jì)用于記錄聲級(jí)，通過采集到的聲級(jí)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的聲級(jí)參數(shù)可以判斷該喇叭是否達(dá)標(biāo)。

1.2 耐久試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試

DSP控制 MOS管接通、分?jǐn)嚯娎龋邮茈娎确答佇盘?hào)，判斷該路喇叭在耐久通斷下壽命狀態(tài)以及避免發(fā)生意外的斷電保護(hù)。MOS管開關(guān)接受控制部分發(fā)來的控制信號(hào)，控制可調(diào)直流電源。啟動(dòng)測(cè)試后，DSP提供一個(gè)1 s脈沖，輪流驅(qū)動(dòng)各路MOS管，每個(gè)循環(huán)周期為5 s，并將每一路電壓、電流和聲音反饋回DSP綜合判斷喇叭某一次測(cè)試是否有效。若信號(hào)取樣部分檢測(cè)到失效次數(shù)達(dá)到設(shè)定值則停止該路工作，保存計(jì)數(shù)值，其他各路繼續(xù)工作直到全部測(cè)試完畢，從而得到各路喇叭的耐久次數(shù)。信號(hào)取樣部分包括電壓取樣和電流取樣，還包括聲音傳感器模塊。使用直流電壓變送器和直流電流變送器采集喇叭電壓和電流值送入AD模塊，另外將改裝成品噪音計(jì)直接獲取數(shù)字信號(hào)送入DSP。喇叭需放置在隔音箱里，起到隔音作用，隔音箱還需附帶散熱風(fēng)扇，以維持一定溫度。根據(jù)電喇叭的額定電壓，加裝可調(diào)開關(guān)電源，而改變加于電喇叭兩端的電壓，范圍0～30 V。主程序工作流程圖如圖3所示。

2 耐久性試驗(yàn)臺(tái)性能及技術(shù)參數(shù)分析

試驗(yàn)臺(tái) DSP輸出脈沖的時(shí)間控制精度在±1 ms，脈沖可調(diào)最小分辨率為0.1 s，DSP的輸出方式采用晶體管輸出，響應(yīng)時(shí)間小于2 us。直流驅(qū)動(dòng)采用高速IGBT管（100 W功率），其響應(yīng)時(shí)間小于1 us。脈沖輸出到響應(yīng)時(shí)間很小（不超過1 ms），精度高大屏幕液晶顯示（DSP文本顯示器）。

2.1 電流與電壓精度

GB/T 15742-2001要求直流送電范圍95～115%，整流送電控制精度在0.1 V。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表 1、表 2所示，結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的電流、電壓精度可達(dá)±0.1 A、±0.1 V。其中，電流的絕對(duì)誤差絕對(duì)值平均為48 mA，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為 1.92%；電壓的絕對(duì)誤差絕對(duì)值平均為54.1 mV，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為0.31%。

表1 電流變送器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表Tab.1 analysis of the current transmitter experimental data

表2 電壓變送器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表Tab.2 analysis of the voltage transmitter experimental data

2.2 聲音測(cè)試試驗(yàn)

人聽到聲音的分貝，聲音的響度是與功率的相對(duì)增長(zhǎng)呈正相關(guān)的。在自由場(chǎng)中不同距離的分貝變化，可為喇叭本體的優(yōu)化做出有價(jià)值的參考[6]。聲級(jí)是物理上引入來描述聲音的大小。試驗(yàn)中聲壓級(jí)的測(cè)量距離、測(cè)量環(huán)境均有嚴(yán)格規(guī)定。振動(dòng)基頻定義為喇叭工作時(shí)每秒鐘動(dòng)鐵心帶動(dòng)膜片往復(fù)振動(dòng)的次數(shù)，該頻率與喇叭機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率十分接近，目的是工作時(shí)產(chǎn)生共振耦合效果，從而產(chǎn)生較大聲音。試驗(yàn)采用型號(hào)為偉東蝸牛2-2的電喇叭進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)臺(tái)聲音傳感器數(shù)字值與聲級(jí)計(jì)的分貝對(duì)應(yīng)關(guān)系為3 900對(duì)應(yīng)150 dB，波動(dòng)范圍在±35之間。而傳感器電壓與聲級(jí)成線性關(guān)系：Y=1.656·X+66.42，相關(guān)系數(shù)R=0.89，其中Y為聲級(jí)，X為電壓。

以精度為0.1 dB的聲級(jí)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)臺(tái)聲音測(cè)量與聲級(jí)計(jì)測(cè)量的聲音誤差分析如表 3所示，誤差為±1 dB，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中，聲音絕對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為0.586，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為0.82%。

表3 聲音測(cè)試誤差分析表Tab.3 precision analysis of the sound test

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)時(shí)必須根據(jù)能耗和負(fù)載考慮額定電流和電壓。電喇叭工作電流一般不超過6～6.5 A。

本試驗(yàn)額定電流為3 A。適應(yīng)電壓范圍是指當(dāng)汽車電瓶電壓波動(dòng)時(shí)，喇叭能夠可靠工作并發(fā)出滿足聲音要求的最大、最小電壓范圍。

在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)通泰蝸牛1-1、聲揚(yáng)盆形2-2、五獅盆形3-1和偉東蝸牛4-1四種喇叭進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)喇叭在自由場(chǎng)中隨機(jī)距離的聲音分貝變化進(jìn)行檢測(cè)，并比較四種喇叭在自由場(chǎng)的聲音效果。分析如表4所示，結(jié)果表明，四種喇叭的響度均符合93 dB～118 dB的標(biāo)準(zhǔn)，但在距離200 cm的條件下，偉東蝸牛4-1同距離響度差值為7.30，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 dB，性能不合格。而五獅盆形3-1不同距離的差值均不合格。通泰蝸牛 1-1和聲揚(yáng)盆形 2-2均符合要求，其中，以聲揚(yáng)盆形 2-2較為優(yōu)秀，不同距離距離差值平均為2.83 cm。

表4 喇叭在自由場(chǎng)中隨距離變化的聲音分貝變化分析表Tab.4 analysis of the change of the electronic horn's sound decibel changed with distance in a free field

試驗(yàn)臺(tái)在為期三個(gè)月的不間斷試驗(yàn)中，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作，并保持良好的精確度。目前已通過國(guó)家計(jì)量認(rèn)證部門的認(rèn)證，并為某電器科學(xué)研究院中采購(gòu)使用。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15742-2001和QC/T 30-2004的相關(guān)要求，采用DSP技術(shù)，通過控制電流電壓并運(yùn)用聲級(jí)計(jì)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電喇叭耐久性的檢測(cè)。測(cè)試中變送電流電壓精度達(dá)到±0.1 A、±0.2 V，聲級(jí)分貝達(dá)到了±1 dB，精度達(dá)到試驗(yàn)要求，且符合相關(guān)的國(guó)家及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，電流的絕對(duì)誤差絕對(duì)值平均為48 mA，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為 1.92%；電壓的絕對(duì)誤差絕對(duì)值平均為 54.1 mV，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為0.31%；聲音絕對(duì)誤差的絕對(duì)值平均為0.586 dB，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均為0.82%。

試驗(yàn)臺(tái)通過對(duì)四種產(chǎn)品進(jìn)行的同等條件試驗(yàn)，表明四種喇叭的響度均符合93 dB～118 dB的標(biāo)準(zhǔn)，以聲揚(yáng)盆形 2-2較為優(yōu)秀，不同距離距離差值平均為2.83 cm。