毕业设计（论文）--汽车电喇叭启动、耐久性能实验台设计.doc

毕 业 设 计汽车电喇叭启动、耐久性能实验台设计*200630460414指导教师 学院名称工程学院 专业名称自动化论文提交日期2010年5月 论文答辩日期年 月答辩委员会主席 _评 阅 人 _摘 要随着中国汽车产业的发展，汽车电喇叭的性能检测与认证工作越来越重要。但长期以来不是仪器系统庞大灵活性小，就是精密度不够高。在这种情况下，必须兼顾仪器的精密度和灵活性。本文将对电喇叭性能测试仪的硬件、软件进行设计，并对仪器进行相应实验与结果分析。在对gb15742-2001和qc/t-2004深入研究和参阅大量技术文献的基础上，本文提出的系统采用三菱plc作为控制器，然后根据技术指标要求，设计并制作了硬件电路并编写了相应软件。两测试台控制器分别采用的是三菱的fx1s-10mt和fx2n-16mt，电压、电流及声音分贝值等数据采集的ad转换是采用三菱fx2n-4ad特殊功能模块，文本显示器采用的是三菱md204lv5。软件部分分别应用了plc的梯形图语言和文本显示器的界面设计。启动性能测试台通过设计精确的脉冲波形输出和方便快捷的人机界面，提高了其波形的精确度和操作的方便性；耐久度测试台结合电压、电流和声音分贝值三个反馈量对电喇叭每一次工作进行有效性检测并记录，提高了波形的精度和检验的准确性和操作的方便性。实验表明该系统稳定性好，操作方便。此方案可以向各大检验检测机构及喇叭生产商和汽车工厂等单位推广。关键词：电喇叭 耐久性试验 启动性试验 可编程控制器 人机界面目 录1 前言12 基本概念12.1 gb15742-2001相关规定12.1.1 性能要求12.1.2 试验方法22.2 qc/t-2004相关规定32.2.1 一般要求32.2.2 温度范围32.2.3 基频及工作电流32.2.4 电压变化范围32.3 plc基本概念32.3.1 可编程控制器的特点32.3.2 plc的工作原理42.4 汽车电喇叭的结构53 系统硬件平台的设计及组建63.1 硬件系统框图63.1.1 启动性能测试平台硬件系统63.1.2 耐久性能测试平台硬件系统83.2 主要硬件的选型与系统设计113.2.1 plc控制系统设计的基本原则113.2.2 plc 选型的一般原则123.2.3 启动测试平台器件选型与设计123.2.4 耐久性测试平台器件选型与设计134 系统软件设计174.1 软件设计思想174.2 启动性能测试台软件设计174.2.1 启动性能测试台plc程序设计174.2.2 启动性能能测试台人机器界面编程184.3 耐久性能测试台软件设计194.3.1 主程序设计194.3.2 a/d模块初始化程序的设计214.3.3 延时与数据采集子程序的设计214.3.4 耐久性能测试台人及界面编程225 系统测试与数据分析235.1 启动性能测试测试台实验测试235.1.1 手动模式实验235.1.2 自动模式实验245.1.3 启动性能测试台实验结果分析255.2 耐久性能测试台实验测试255.2.1 分时复用实验测试255.2.2 a/d模块测试与实验265.2.3 各种喇叭在不同距离下声音分贝值测试325.2.4 耐久性能测试台实验结果分析346 总结35致 谢36参 考 文 献37abstract38附录1：启动性能测试台程序附录2：耐久性能测试台程序附录3：两测试台驱动电路原理图和pcb设计图附录4：耐久性能测试台人机界面个画面1 前言近年来，中国汽车行业发展速度非常快，据英国bbc报道，2010年中国产量将超过日本成为世界第二汽车生产大国。电喇叭的需求量大大增加，相应的喇叭生产厂家和产量迅速增加，质量检验认证工作压力逐步增大。如何实现在符合国家标准、厂家和认证单位等要求的前提下，大批量电喇叭性能测试是整个汽车行业关注的大事。本课题的来源是本人在广州智维电子科技有限公司实习期间做的项目，该项目是公司与中国电器科学院的签约项目。国家对机动车喇叭有严格的要求并制定了相应的标准，即gb15742-2001和qc-t30-2004，一方面保证了车辆使用者的利益，另一方面为喇叭生产厂和车辆制造厂提供生产、检验和验收的法律性依据。耐久性是一项很重要的指标。传统的电喇叭耐久性检测采用单电源驱动单喇叭或单个大功率电源驱动多个喇叭，电源利用率低，试验平台体积大，测试环境吵闹等，本文结合分时复用和动态扫描的思路提出了分组轮回动态扫描试验方法，并设计了基于该方法的电喇叭耐久性试验平台；还将测试环境从较大的测试空间灵活的转移到相对较小隔音箱内部，进而实现办公室内无噪音智能测试。启动性能也是一项重要指标，要求喇叭从刚启动到规定声级所用的时间不超过0.2s。启动测试平台结合b&k声级计，精确灵活设定脉冲时间和测试次数。本课题是“汽车电喇叭性能耐久实验台设计”。课题要研究开发汽车电喇叭的启动性能和耐久度检测仪，不但可以精确按照国标的规定输出控制波形，而且仪器工作方便、操作简单、工作空间小、安静。本课题详细研究理解了gb15742-2001和qc/t-2004，通过理论和实践上不断证明与尝试，最终研究出耐久度测试台喇叭在全消音箱内进行，并通过了实验验证。2 基本概念2.1 gb15742-2001相关规定2.1.1 性能要求(1)一般要求 喇叭应发出连续而均匀的声响。对于气动和电-气动喇叭，从喇叭刚被推动的瞬间至声压级达到规定的声压级的时间不得超过0.2s。(2)耐久性对用于功率不大于7kw的摩托车的喇叭为10000次；对用于m，n类汽车和功率大于7kw的摩托车的喇叭为50000次。耐久性试验后喇叭应符合一般要求和声压级的规定。其中直流推动喇叭的试验电压允许在其标称电压的95%至115范围内。2.1.2 试验方法(1)实验环境喇叭的试验应在消声室内进行，也允许在半消声室或开阔场地上进行。在开阔场地上试验时，背景噪声应比被测量喇叭的声压级至少低10db(a)，试验应在天气良好时进行。除有特殊规定外，试验时环境温度应为23士50。(2)实验仪器声压级的测量应采用符合iec651规定的一级精度的声级计进行。测量时应采用快速时间常数“f”，总声压级的测量使用“a”计量档，基准声压为20ppa。声音的频谱用声音信号的傅立叶变换来求得。允许按照iec225规定采用1/3倍频程滤波器。对于中心频率2500hz时的声压级，应通过1/3中心频率2000hz,，2500hz和3150hz的声压均方值来求取，通常只用傅立叶变换。电气测量仪表的精度为0.5级。(3)实验条件按6v，12v，24v标称电压，试验电压分别取6.5v，13v，26v，试验电压由电源输出端测出。如果采用整流电源进行试验，在喇叭工作时，从电源接线端上测得的电压交流成分应不大于0.1v（峰/峰值）。包括接头和接触电阻在内的接线电阻，标称电压6v：0.05；标称电压12v：0.10；标称电压24v：0.20；(4)耐久性测试实验环境：试验时的环境温度为15至30；试验如在消声室或半消声室中进行，消声室或半消声室应足够大，以便能释放喇叭在试验时所产生的热量；试验时应以约10 m/s的气流冷却喇叭。试验方法：喇叭的耐久性试验以鸣叫1s，休息4s的周期进行。如果试验进行一半以后，声压级与试验前有变化时，允许对喇叭调整一次。在规定的试验结束后，如有必要允许再次调整。2.2 qc/t-2004相关规定2.2.1 一般要求电喇叭应发出连续而均匀的声响，不得有嘶哑及振扰声。2.2.2 温度范围电喇叭在040至65的温度范围内应符合一般要求，低温试验和高温试验允许比规定声压级的最低值减低5db（a）；电喇叭的存储温度为-40至75。2.2.3 基频及工作电流喇叭的基频跟工作电流有制造厂规定。基频范围在240hz-650hz。2.2.4 电压变化范围喇叭的标称电压规定为6v、12v、24v，当其电压变化范围为5.5v至7.5v、11v至15v、22v-30v时，应符合一般要求，下限电压时声压级允许比规定声压级的最低值降低5db（a）。2.3 plc基本概念可编程序控制器(programmable logic controller)简称plc，是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。plc是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用和维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，在冶金、化工、电力等众多领域获得广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。2.3.1 可编程控制器的特点可靠性高，抗干扰能力强：可编程控制器是专为工业控制而设计的，可靠性高。在硬件方面采用了屏蔽、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，软件方面也可通过程序对信号进行滤波，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，可靠性大大高于机械和电器继电器。使其平时无故障时间达到几万小时以上。编程简单、直观、易学：plc是面向用户、面向工业环境下应用而设计的，考虑到大多数电气技术员熟悉电气控制线路的特点，它采用了一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电气原理图类似，形象直观，易学易懂。电气工程师和具有一定知识的电工、工艺人员都可以在短时间内，使用起来得心应手。因此，世界上许多国家的公司生产的plc把梯形图语言作为第一用户语言。构成简单，适应性好：可编程序控制器采用模块化结构，输入输出接口信号可具有多种规格，用户只要根据被控系统输入输出信号的性质及点数多少，选则相应的模块，极大地方便了用户。可编程控制器产品的标准化、系列化、通用化，能灵活方便地根据需要进行系统配置，组成不同规模、不同功能的控制系统，既可以现场控制，又可以远距离控制。可编程控制器的输入输出控制是通过程序实现控制的，当控制的要求发生改变时，只要修改程序即可。功能完善，接口功能强：目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能，使设备控制水平大大提高。通讯能力强：目前，世界上各大可编程序控制器生产厂家生产的plc，均可通过通讯处理模块或通讯处理卡组成网络，或连接到现场总线，以满足现代规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的工程大系统的控制要求。安装简单、调试方便、维护工作量小：plc控制系统的安装接线简单，只需将现场的各种仪器设备于plc相应i/o端相连。软件设计和调试大多可在实验室内进行，最后才到控制系统现场联机调试。体积小、能耗低：在体积上，plc是继电器控制系统的1/5.在耗电方面，一般比同样功能的继电器控制系统节电50%以上。在价格上，当控制系统中的继电器大于10个时，plc控制系统比较经济。2.3.2 plc的工作原理plc采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图1所示。其工作过程分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段，plc会自动检查cpu模块的硬件是否正常。在通信操作服务阶段，plc与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当plc处于停止(stop)状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在plc处于运行(run)状态时，从内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理，一直循环扫描工作。在一个循环扫描周期内，plc工作过程分为3个阶段：数据采样阶段、程序执行阶段、程序处理阶段。图1 扫描过程2.4 汽车电喇叭的结构电喇叭是汽车上的辅助电气设备之一，通过电磁线圈不断的通电和断电，使金属膜片产生振动而产生音响，声音悦耳。电喇叭外形多少螺旋形和盆型如图2所示，广泛应用在各种汽车上，轻型乘用车都用电喇叭。(a)盆型电喇叭结构示意图(b)螺旋形电喇叭结构示意图图2 汽车电喇叭结构示意图3 系统硬件平台的设计及组建3.1 硬件系统框图3.1.1 启动性能测试平台硬件系统根据电喇叭启动性能测试的要求，启动性能测试平台系统框图如图3。图3 启动性能测试平台系统框图系统要实现的功能是：plc结合文本显示器精确调节控制波形和测试次数，并显示在大屏幕显示器上，驱动igbt管，igbt管驱动电喇叭。根据以上所要实现的功能可知，该系统的硬件主要有以下几个部分构成：plc控制器、人机交互界面模块（文本显示器）、双路开关电源、驱动电路（igbt管）等部分组成。该系统的控制器采用三菱fx1s-10mt，其各部分名称如图4所示。图4 fx1s-10mt各部分名称系统的人机界面模块采用文本显示器三菱md204lv5，该模块是一个小型的人机界面，主要与各类plc（或带通信接口的智能控制器）配合使用，以文字或指示灯等形式监视。修改plc内部寄存器或继电器的数值以及状态，从而使操作人员能够自如地控制机器设备。系统的低压电源由两350w的可调开关电源组成，分别是：台湾明纬开关电源 g1s-350-13.5和台湾明纬开关电源 g1s-350-27。系统的驱动电路主要由三菱igbt管组成，型号是：ct30sm-12；部分参数：额定电压电流：600v/30a,igbt单管、开时间：165ns、关时间：385ns。3.1.2 耐久性能测试平台硬件系统根据电喇叭耐久性测试的要求，启动性能测试平台系统框图如图5。 图5 耐久性测试平台系统框图系统要实现的功能是：设定标准声音分贝（包括标准声音上下限值）和失效次数（为防止偶然干扰或偶尔的声音嘶哑造成的误测而设定的允许失效次数），启动测试后，运用分时复用技术，plc提供一个1s脉冲，轮流驱动各路mos管，每个循环周期为5s。并将每一路电压、电流和声音反馈回plc综合判断喇叭某一次测试是否有效。若失效次数达到设定值则停止该路工作，保存计数值，其他各路继续工作直到全部测试完毕，从而得到各路喇叭的耐久次数。根据以上所要实现的功能可知，该系统的硬件主要有以下几个部分构成：plc控制器、人机交互界面模块（文本显示器）、双路开关电源、驱动电路（mos管）、特殊功能模块、传感器和消声箱等部分组成。该系统的控制器采用三菱fx2n-16mt，其各部分名称如图6所示。图6 fx2n-16mt各部分名称系统的人机界面和低压电源与启动测试平台的一样。系统的驱动电路主要由mos场效应管组成，型号是：irfp140；部分参数：额定电压电流：100v/30a 、开时间：87ns、关时间：90ns。系统的电压电流变送器把电流和电压量都转变成a/d变化测量范围内的电压值，声音传感器采用爱华awa5633声级计。系统的特殊功能模块是fx2n-4ad模拟量输入模块，该模块有4个输入通道，最大分辨率为12位，电压测量是信号范围和分辨率分别为-10至+10v和5mv，测量电流声信号范围和分辨率分别为4至20ma或-20至+20ma和20ua。系统的消声箱是重要部件，要在满足国标要求的前提下还要是测试台工作的时候不会发出噪声。所以在尺寸和性能有以下要求：外尺寸：1200(l)x1100(w)x1350(h)mm；内尺寸：600(l)x500(w)x650(h)mm。性能指标： 在内部噪声110db（a）且箱外环境本底噪声70db（a）情况下，箱外距箱米处测量噪声70db（a）；截止频率：600hz。如图7所示，喇叭和声音传感器分别按照在底部和顶部，散热系统为5个排气风扇对着喇叭吹，上下有对流排气孔，排气过程有消声处理。(a) 消音箱地面俯视图(b) 消音箱顶面仰视图(c) 消音箱排气孔消音措施图7 消音箱结构图3.2 主要硬件的选型与系统设计3.2.1 plc控制系统设计的基本原则（1）满足被控对象的控制要求。（2）考虑到生产的发展和生产工艺的改进，设计plc系统时要有适量裕度。（3）在满足以上两个要求的前提下，应力求使该系统具有较高的性价比。（4）确保控制系统的安全、可靠。3.2.2 plc 选型的一般原则在plc型号和规格大体确定后，可以根据控制要求逐一确定 plc各组成部分的基本规格与参数，并选择各组成模块的型号。选择模块型号时，应遵循以下原则。（1）方便性 ：一般说来，作为 plc，可以满足控制要求的模块往往有很多种，选择时应以简化线路设计、方便使用、尽可能减少外部控制器件为原则。例如：对于输入模块，应优先选择可以与外部检测元件直接连接的输入形式，避免使用接口电路。对于输出模块，应优先选择能够直接驱动负载的输出模块，尽量减少中间继电器等元件。（2）通用性：进行选型时，要考虑到 plc各组成模块 的统一与通用，避免模 块种类过多。这样不仅有利于采购，减少备品备件，同时还可以增加系统各组成部件的互换性 ，为设计、调试和维修提供方便 。（3）兼容性：选择 plc系统各组成模块时，应充分的考虑到兼容性。为避免出现兼容性不好的问题，组成 plc系统的各主要部件的生产厂家不宜过多。如果可能的话，尽量选择同一个生产厂家的产品。3.2.3 启动测试平台器件选型与设计(1)控制器的选型plc选用三菱小型可编程控制器fx1s-10mt，该控制器价格便宜，用于小型开关量控制（启动测试平台只需要一个开关量输出），有通信功能（能连接文本显示器）。由于启动性能测试台只需要一个输出口和一个精度要求比较高的计数器，参数设置和数据显示都在文本显示器是实现，无需多输入开关量，因此fx1s-10mt是启动性能测试台的理想控制器。(2)驱动电路的设计与开关管的选型igbt管，igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅极型功率管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。igbt是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率mosfet的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压bvdss需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率mosfet具有rds(on)数值高的特征，igbt消除了现有功率mosfet的这些主要缺点。本测试台所需要的特性是开关速度和强电流等特性，ct30sm-12的额定电压电流：600v/30a,igbt，开和关时间是：165ns和385ns。完全满足测试要求，也符合仪器的高稳定性要求。如图8为驱动电路原理图。plc的脉冲输出信号输入稳压管7809，7809的引脚3输出9v的稳定信号，启动igbt管从而驱动喇叭。图8 测试台驱动电路(3)低压电源的选型低压电源主要是喇叭的电源，本设计选用测试的喇叭主要是12v和24v。350w的可调开关电源满足gb15742-2001和qc/t-2004对电喇叭在电源方面的要求。开关管的开通电源9v通过稳压管7809稳压获得。3.2.4 耐久性测试平台器件选型与设计(1)控制器的选型耐久测试台在plc方面的要求比启动性能测试台要求稍高，需要有特殊功能模块。说以选用fx2n系列的控制器，考虑到输出口的速度要快和只需要5个输出口，选用fx2n-16mt，具有8个输入和8个输出接口并支持特殊功能模块。(2)驱动电路的设计驱动电路与启动性能测试平台的类似，开关管更换成irfp140mos管，开通和关断时间都有所减少。如图9所示，系统现阶段只需要5路的测试输出，考虑到以后的升级需求，原理图上增加到8路测试输出。其中每一路的输出均有熔断器和续流二极管的保护，左下方是声音传感器的电源电路，右下方是启动性能测试台的驱动电路。图9 耐久测试平台驱动电路原理图(3)特殊功能模块的选型耐久度测试平台需要三个模拟量输入：电压、电流和声音。三个模拟量都已经转变成电压量，结合各方面因素选择fx2n-4ad模块。fx2n-4ad有4个输入通道，通过32缓冲寄存器(bfm)来设置通道的模式数据的读取等功能。该模块的应用输入端要共地和屏蔽，必要时要加滤波电容。本设计中都应用到。(4)传感器信号采集做为过程控制系统的前端在整个系统中起着重要的作用，传感器选择的好坏直接关系到整个系统的成功与失败。为了对控制系统中的相关参数进行精确测量，一般说来，传感器的选择应当遵循以下一些原则：(1)灵敏度：一般讲，灵敏度越高传感器性能就越好，因为灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小，即被测量存在微小变化时，传感器就有较大输出。(2)精确度：传感器的精确度反映了传感器的检测值和被测对象的实际值之间的吻合程度，从理论上说，精确度越高实际值与检测值越接近。(3)响应特性：在传感器的响应特性的所测频率范围内测得的信号保持不失真。(4)线性范围：传感器有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围代表着传感器的工作量程。(5)可靠性：工业控传感器一般环境可能比较恶劣，现场干扰较大，而且要求使用寿命要长，因此，要保证传感器在一定的工作环境内长期可靠的运行，稳定性要好。(6)其他：在传感器的选择上，除了以上要求以外对于安装方式，是否经济，维护是否方便和现场是否易于更换部件等等问题也要进行相应的考虑。系统的电压取样：使用直流电压变送器采集喇叭电压值送入ad模块；其参数如表1所示。表1 电压变送器电气参数电气参数原边额定有效值30v原边电压测量范围120%vpn额定输出电压50.5%v电源电压12.245%v静态功耗600mw温漂200ppm/线性度0.1%fs响应时间350ms绝缘电压2kv工作温度 -10+60储存温度 -20+80系统的电流取样：使用直流电流变送器采集喇叭电流值送入ad模块；其参数如表2所示。表2 电流变送器电气参数电气参数原边额定有效值5a原边电流测量范围120%vpn额定输出电压50.5%v电源电压12.245%v静态功耗300mw温漂300ppm/线性度0.1%fs响应时间350ms绝缘电压2kv工作温度-10+60储存温度-20+80系统的声音传感器模块：改装成品噪音计爱华awa5633直接获取模拟信号送入fx2n-4ad，声音传感器参数如表3所示。表3 声音传感模块参数参数名称：数值频率范围20hz-8khza加权35db-130db精度0.1db加权时间125ms数字显示4位数lcd(0.1db分辨率)麦克风1/2 inch电容式麦克风操作及储存温湿度0-40, 10-90%rh4 系统软件设计4.1 软件设计思想程序在编制的时候，在完成系统基本功能的前提下，还要考虑以下几点：（1）功能的可扩充性。系统具有的功能应随着实际的需求而扩充，当实际应用中提出新的要求时，系统应能够方便地在原有基础上增加新的功能。（2）程序的可读性。程序的可读性对系统的后续维护、功能扩充有重要意义。（3）系统的更新。当系统微控制器或某些器件被更高性能的器件替代时，系统的程序要易于更新。（4）程序运行确实稳定可靠、易于维护。因此，在软件的结构设计上采用模块化的编程方法，即将整个系统软件按照一定的规则和功能分解为一个个单独的模块，模块之间相对独立，负责完成特定的功能。模块是系统设计和实现的基本单元，每个模块实现一个完整单独的功能，模块之间可以相互调用，共享数据。全部模块构成整个系统。模块化编程有以下优点:（1）采用模块化结构的最大的优点是效率高。小块程序更容易理解和调试。当知道模块的输入、输出，就可直接调用该模块。由于模块之间共享数据，可以互相调用，因此可以非常灵活地组织每个模块，达到非常高的整体效率。（2）当相同功能的需求较多时，可把程序放入库中以备使用。如果需要对模块某一功能升级，只需要改写相应的模块，而不需要改动整个软件结构。当需要增加系统功能时，也只需要增加相应的软件功能模块即可。（3）模块化编程使得要解决的问题只与特定模块有关，出现故障时，很容易找到出错的模块，大大简化了调试，同时使系统更易维护。4.2 启动性能测试台软件设计启动性能测试台完成的任务比较简单，主要是精确控制波形的输出与调整。程序设计包涵plc控制程序设计和文本显示器程序设计。4.2.1 启动性能测试台plc程序设计plc程序在gx developer软件中进行。如图10，程序包含：初始化、参数设置、手动输出和自动输出等几个方面。图10 启动性能测试台程序流程图4.2.2 启动性能能测试台人机器界面编程文本显示器使用三菱的md204lv5，程序编写在tp204-v5软件中进行。如图11，界面主要对脉冲时间、间隔时间和工作次数的设置以及手动自动切换和复位等操作。(a)文本显示器前面板(b)启动性能测试台控制界面图11 启动测试台文本显示器界面编程4.3 耐久性能测试台软件设计4.3.1 主程序设计主程序包括：a/d模块初始化，清零、复位、暂停、启动等操作，顺序输出计数，数据采集，失效判断等部分。如图12所示为程序流程图，里面主要是控制各路喇叭输出电路的波形，结合电压、电流和声音分贝等三个值反馈到plc，判断喇叭工作次数是否有效，统计喇叭工作次数和失效次数，通过各参数（声音上下限、电压上下限、电流上下限、允许失效次数和总工作次数）的设置，最终决定喇叭通道是否通过耐久度测试。图12 耐久性能测试台程序流程图4.3.2 a/d模块初始化程序的设计a/d模块的初始化在程序中非常重要，通过该子程序完成a/d通道的打开、零点增益的设置。程序流程图如图13所示。图13 a/d模块初始化程序流程图4.3.3 延时与数据采集子程序的设计每一路工作后都会触发数据采集，每一次数据采集都要先延迟0.5s，数据采集后与设定值进行比较，判断各路工作是否失效，最后输出报警信号。程序流程图如图14所示。图14 延时与数据采集子程序流程图4.3.4 耐久性能测试台人及界面编程耐久性能测试台的人机界面有十个画面，如图15所示，分别是：主菜单、参数设置1、参数设置2、控制菜单、显示菜单、工作和失效次数显示1、工作和失效次数显示2、电压和电流显示1、电压和电流显示2和声音分贝。图15 耐久性能测试台人机界面5 系统测试与数据分析5.1 启动性能测试测试台实验测试5.1.1 手动模式实验在手动模式下，做两组实验：1、 脉冲时间从0.1s到1s等差递增，间隔时间为1s，观察输出是否正常；2、 在脉冲时间为0.5s不变的前提下，调节间隔时间从0.5s等差递增到5s，观察输出是否正常。实验结果如表4、7。表4 实验结果1测试次数脉冲时间间隔时间正确与否10.11正确20.21正确30.31正确40.41正确50.51正确60.61正确70.71正确80.81正确90.91正确1011正确表5 实验结果2测试次数脉冲时间间隔时间正确与否10.50.5正确20.51正确30.51.5正确40.52正确50.52.5正确60.53正确70.53.5正确80.54正确90.54.5正确100.55正确5.1.2 自动模式实验自动模式下，脉冲时间0.5s，时间间隔1s，工作次数从1次增加到10，观察结果是否正常。实验结果如表6。表6 实验结果3测试次数脉冲时间间隔时间工作次数正确与否10.111正确20.212正确30.313正确40.414正确50.515正确60.616正确70.717正确80.818正确90.919正确101110正确5.1.3 启动性能测试台实验结果分析实验测试仪器的精确度是衡量仪器特性的主要指标，测量系统的测量误差分为系统误差和随机误差，它们存在于测量的各个环节之中。本测试台所使用的定时器是1ms的积算定时器，所以精度比测试条件高得多，再加上控制流程比较简单，所以正确率100%非常合理。5.2 耐久性能测试台实验测试5.2.1 分时复用实验测试分时复用是在本测试台的应用是：每个周期5s，1s导通和4s截止；总共有5路驱动电路输出，每一秒只有一路导通，整个周期每一秒都有一路是导通的，这样能够共有电压电流变送器、a/d模块、声音传感器、隔音箱等设备，也符合gb15742-2004关于耐久度测试的规定。分时复用单独测试程序如下：实验结果：各路喇叭能正常轮流发声。5.2.2 a/d模块测试与实验a/d模块使用的是特殊功能模块fx2n-4ad。需要对该模块进行通道设置，增益设置和数据读取等操作。声级计的模拟输出在通道3，电压电流分别在通道1和2。a/d模块测试程序如下：电流变送器实验测试数据如表7。表7 电流变送器实验结果次数电源值/ma电表电流值/maad变送器值/mv数字值电源值/数字值ad值/数字值电源实验值/ma15000.141234810.416666672.5625480210000.292489810.204081632.530612245980315000.4337214810.135135142.5135135141480420000.5849319610.204081632.5153061221960525000.7261824610.162601632.5121951222460630000.8674129610.135135142.503378378296073500186234410.17441862.5058139533440840001.1598639410.152284262.5025380713940945001.3110844310.158013542.50112866844201050001.44123349210.162601632.5060975614900根据上表的数据绘制出电流变送器的纤细关系如图16。图16 电流变送器数据图电流变送器实验结论：plc电流采样的精度是正负0.1a。电压变送器实验测试数据如表8。表8 电压变送器实验结果次数电源值/mv电表电压值/mvad变送器值/mv数字值电源值/数字值ad值/数字值电源实验值/mv1200033934414114.184397162.43971631221302400067367927114.76014762.5055350554110360001007101140214.925373132.5149253736110480001344134753714.897579142.50837988880255100001670167466914.947683112.5022421521058061200019952000800152.5119707140002320233093015.053763442.5053763441401081600026502665106315.051740362.5070555031593091800029702986119215.100671142.50503355717963102000033103328132815.060240962.50602409619905112200036403650146015.068493152.521920122400039803990159015.094339622.50943396223910132600043004310172415.08120652.525868142800046204635185015.135135142.50540540527875153000049604975198615.105740182.50503524729888根据上表的数据绘制出电压变送器的纤细关系如图17。图17 电压变送器数据图电压变送器实验结论：plc电压采样的精度是正负0.1v。声级计与a/d采样数字值对应实验数据如表9。表9 a/d采样实验结果次数声级计/dbad数字值ad电压值/v声级/adad数字/声级150db对应的数字上限16516761.6760.0387825.78461543867.692308267.217461.7460.0384925.98214293897.321429367.717801.780.0380326.29246683943.870015471.818701.870.038426.04456823906.68523756817841.7840.0381226.23529413935.294118673.519111.9110.03846263900773.319031.9030.0385225.96180083894.270123869.517931.7930.0387625.79856123869.784173968.818111.8110.0379926.32267443948.401163由表11可以得到的结论是：数字值与声级计的分贝对应关系大至为3900对应150db。声级计与文本显示器显示值对应实验数据如表10。表10 a/d采样数据分析结果次数声级计/db文本显示值/db文本平均值/db声级计与文本之差/db161.261.762.661.161.8-0.6267.267.667.6-0.4366.967.667.6-0.7471.672.172.172.1-0.557878780677.676.776.70.97787979-1873.674.573.87373.7666667-0.166666667967.467.567.5-0.1由表12可以得到的结论是：声级计与文本显示的显示误差在正负1db。误差的产生源于两者的显示速率。实际上ad采集数据比这两者都快，所以当声级计显示值不变时，ad的值是一个变化的范围，该范围一般在正负1db范围内。5.2.3 各种喇叭在不同距离下声音分贝值测试系统安装完后，对各种喇叭在规定2m距离下和模拟隔音箱内0.6m下的声音分贝值进行测试。各型号喇叭在不同距离下应用爱华awa5633声级计测试结果如表11所示。表11 不同喇叭不同距离声音分贝值测量结果品牌型号额定电压/电流距离/cm数据（声级计）/db通泰蜗牛12v/3a60104.3104.3104.3104.7105.6106.4105.3105.3105.4200101102.5102.5102.5102.899.599.5100.9102.2声扬盆形12v/3a60107.4107.2107.4108.2108.1108.2108.3108.8109.120099.7101.6100.7100.999.999.5101.2102.5100.6五狮盆形24v/3a60118.5120.2119.1119.5120.4118.2119118.7118.9200109.3112113.3110.2108112.1114.8115.3115.2伟东蜗牛24v/3a60109.9107.6108.3109.1108.2109.7109.6110.1110.6200106.9106.6106.4105104.9106106.3106105.6对上表11的数据进行统计分析，统计结果如表12所示。表12 喇叭声音分贝值与距离的关系分析结果品牌型号额定电压/电流距离/cm数据结果数据整理最小值平均值最大值不同距离最小差不同距离最大差不同距离平均差同距离最大与最小差通泰蜗牛12v/3a60104.3105.1105.64.82.83.351.320099.5101.7102.83.3伟东蜗牛24v/3a60107.6110.1111.82.71.92.834.2200104.9107.3109.95声扬盆形12v/3a60107.2108.1109.17.76.371.920099.5101.1102.83.3五狮盆形24v/3a60116.7118.6120.48.75.16.473.7200108112.1115.37.3由表12的统计结果可以总结出：相同型号的喇叭在同一距离下发出声音分贝有一定的波动；同一额定电压/电流下盆型与蜗牛式喇叭发出分贝数有所不同，盆型喇叭声音比较尖锐；总的来说，喇叭发出的声音分贝值是变化的，但变化在一定的范围内最大的差距为7.3db。5.2.4 耐久性能测试台实验结果分析耐久性能测试台的系统测量误差主要来源于两方面：硬件电路（包括电压电流变送器、声音传感器和ad转换器等）误差和算法误差。现结合本仪器的结构对误差来源进行分析。电压电流变送器部分，为了保证测量精度，使测量的电压和电流信号不失真，对电压和电流互感器的要求较高，要求其具有较好的频率特性。这部分电路产生的误差具有一定的非线性性质（0.1v）。声音传感器部分采用模拟值输出到a/d模块，除本身误差外，精确度还取决于a/d模块。模数转换电路的精度主要取决于ad转换器的分辨率。本装置中模数转换采用12位ad转换模块fx2n-4ad，分辨率为20mv和20ua。软件算法误差，主要是a/d的精确度决定的，本装置所需要的技术处理比较简单，只有简单的运算和比较处理，误差的来源还是在声音传感器和电压电流变送器上。6 总结本文通过对gb15742-2001和qc/t-2004的深入研究，对现阶段汽车电喇叭性能测试方法与装备存在的不足与麻烦之处，提出了新的测试方法和方式，研究并制成了汽车电喇叭启动、耐久性能实验台，其主要研究成果有：1、 完成了启动性能能测试台的硬件结构和软件设计。本文采用了三菱fx1s-10mt控制器和文本显示器md204lv5，通过驱动电路对电喇叭进行精确开关控制，脉冲的时间精度1ms。2、 完成了耐久性能能测试台的硬件结构和软件设计。采用了三菱fx2n-16mt控制器、fx2n-4ad特殊功能模块和md204lv5文本显示器，通过a/d模块实时采集声音、电压和电流三个量来判断每一路喇叭是否工作失效，并记录统计工作次数和失效次数，有断电保护功能。3、