音頻測試系統(tǒng)基于虛擬儀器的音視頻處理板通用

一．音視頻信號處理板的工作原理及測試系統(tǒng)要求

音視頻信號處理板是CRT電視的小信號處理模塊（下文簡稱為小信號板）。某型號的小信號板原理如圖1所示。它對TV射頻信號和各種類型的視頻信號進行解碼和處理，轉換為適合顯像管掃描的圖像和同步信號；它提供一路Video Out視頻輸出信號供外部視頻設備使用；它對音頻輸入信號進行切換和音效處理，送給揚聲器和Audio Out音頻輸出接口。MCU通過I2C總線對各個模塊進行控制，并通過遙控（IR）和按鍵（KEY）接口接收用戶的操作指令。

圖1 小信號板工作原理

根據(jù)小信號板的工作原理，對測試系統(tǒng)的基本要求如下：
1）提供多路直流穩(wěn)壓電源，為小信號板提供工作電源。
2. 提供TV射頻信號；提供Video，S-Video, YUV, VGA等模擬視頻信號；提供HDMI數(shù)字音視頻信號；提供模擬立體聲音頻信號。
3）可模擬遙控和按鍵信號，對小信號板進行控制。
4）提供行、場反饋信號，使小信號板工作于正常狀態(tài)。
5）可以采集多路直流信號和低頻交流信號；可以采集和輸出開關信號。
6）可以同時采集3路視頻信號。
二．方案設計
根據(jù)原有測試系統(tǒng)的情況，希望新的測試方案能達到如下效果：
1.高集成度，盡量減少占用空間。
2.自動化，盡量減少人工因素的影響。
3.通用性，可適應不同型號的小信號板，減少重復開發(fā)工作。
4.高效率，單板測試時間盡可能的短，以適應生產節(jié)拍要求。
5.高檢出率，對關心的中間參數(shù)也可以進行測試，提高覆蓋率。
通過測試要求分析，虛擬儀器技術十分符合方案要求，并且能夠較好地達到方案預期的效果。NI公司有著豐富的虛擬儀器測試測量產品線，可以給我們提供較大的選擇空間，LabVIEW是一個易學易用的軟件，可以利用它快速地開發(fā)出復雜、并行、有效并且易于操作的測試系統(tǒng)。因此我們決定選擇NI公司的軟硬件平臺開發(fā)新的測試系統(tǒng)?？傮w方案設計
如圖2所示，
其中：可編程多路電源是在我公司之前開發(fā)的數(shù)控電源基礎上重新設計而來，具3路可編程和3路固定電壓輸出，將這6路電壓輸出分配成兩個獨立的通道，可同時為兩塊小信號板供電。電源功率達到2X6X25W。輸出電壓范圍為1.5-50V。另外增加了串口，可通過計算機對其編程，使其可為不同型號的小信號板提供電源。
TV射頻信號由中央信號系統(tǒng)提供，模擬視頻信號的產生由PXI-6541高速數(shù)字I/O和外圍簡單的編碼電路構成。HDMI信號采用我公司現(xiàn)有的USB-HDMI模塊，重新設計成具有4路輸出的HDMI信號發(fā)生器，可同時供兩塊小信號板使用。
遙控信號由M系列DAQ卡PXI-6259的數(shù)字輸出DO產生，按鍵信號由6259的模擬輸出AO產生。
行反饋信號由6259的計數(shù)器Counter產生；場反饋信號則由場輸出鋸齒波整形后直接反饋回去。
對于直流、低頻、開關信號等，都由6259來進行采集或產生處理。
3 路視頻采集由2塊PXI-5112數(shù)字化儀來完成。
工業(yè)數(shù)字I/O模塊PXI-6515完成電源通斷和保護繼電器的動作控制；繼電器模塊PXI-2530完成視頻同步信號及其它信號的切換。
信號調理電路進行信號范圍的變換，信號的保護、緩沖和接口轉換等工作。
利用PXI-8196控制器提供的USB口連接掃描儀。利用串口對可編程電源的電壓進行設置，利用網絡接口連接局域網。
由于希望能夠通用多種型號的小信號板，我們設計了一種通用的測試針床底座，通過插座將底座和針床的信號連接起來，當測試其它型號的小信號板時，只需要更換針床和調用相應的軟件配置就可以了。
為了大幅提高測試效率，這里采用了并行工作的思路，兩塊小信號板被同時測試，僅在測試RGB和Video 時，由于數(shù)字化儀的數(shù)量限制，而采用了分步測試。

圖2 總體方案框圖

三．關鍵模塊軟硬件的實現(xiàn)
1）小信號板的驅動：要使小信號板進入正常工作狀態(tài)，需要為其提供行、場反饋信號。
行輸出是33K－34K的方波，行反饋信號是跟隨其頻率，且相位和占空比可調的方波。利用NI的M系列數(shù)據(jù)采集卡PXI-6259的計數(shù)器所具有的可重觸發(fā)(retriggerable)特性，可以方便地生成行反饋信號。行輸出信號作為觸發(fā)信號對Counter進行觸發(fā)，使之連續(xù)產生與觸發(fā)信號頻率相同的脈沖信號，其前面板。通過High ticks、 low ticks和Idle Status的調整，可對脈沖波形的占空比和相位進行調整，從而實現(xiàn)了需要的行反饋信號。因為小信號板對場反饋沒有嚴格的相位和占空比要求，將場輸出鋸齒波經過簡單的整形后即可作為場反饋信號使用。
2）各種類型和格式的視頻信號產生
對于PCB模塊級的生產測試，不需要對圖像參數(shù)進行調試，只需要簡單的圖像作為測試信號，例如彩條、方格和灰度等，這里我們采用彩條作為測試信號。
使用NI的50M的32通道高速數(shù)字I/O(PXI-6541)配合簡單的外圍視頻編碼電路，就可以實現(xiàn)各種類型和格式的彩條信號。VGA信號的產生：RGB和行場信號由數(shù)字I/O直接經過緩沖得到，可實現(xiàn)VGA, SVGA, XGA, SXGA格式的彩條信號。YUV信號的產生： 6541產生RGB信號和同步信號，RGB和同步信號經過運算網絡轉換為YUV信號，實現(xiàn)了支持480i-1080p全部格式的YUV彩條信號。Video（CVBS）信號的產生：6541產生RGB和復合同步信號，通過視頻編碼芯片產生標準的Video信號和S-Video信號。
用畫圖軟件畫出與信號類型分辨率對應的BMP彩條圖像，再由子程序將其轉換為適于PXI-6541發(fā)送的數(shù)字波形。
HDMI信號由USB-HDMI模塊改造而來，將4個模塊集成并集中控制，實現(xiàn)了低成本，高集成度的HDMI信號源，可支持480i-1080P格式，支持數(shù)字音頻。
經過實際應用表明，產生的信號質量完全符合測試要求。
3）視頻信號的采集與分析
小信號板將各種輸入的視頻信號進行解碼和變頻處理，產生驅動顯像管的RGB信號，以及給外部設備使用的標準Video信號，因此我們用兩塊NI PXI-5112完成對RGB信號和Video信號的采集。PXI-5112是2通道同步采樣、100 MS/s實時采樣率的數(shù)字化儀。因為采用了彩條作為測試信號，RGB信號的帶寬<1M，Video信號的帶寬<4.5M，為減少數(shù)據(jù)處理量，RGB采集時設置5112的采樣率為10M；而視頻輸出采用50M采樣率。5112沒有視頻觸發(fā)功能，為了減少運算，我們使用了外置的同步分離電路，RGB和視頻信號經過場同步觸發(fā)，每次采集一場信號進行分析處理。
利用LabVIEW豐富的信號處理、測量和分析函數(shù)對信號進行處理，對信號幅度，同步的幅度、脈寬、頻率，波形的過沖、預沖以及副載波的幅度，頻率等參數(shù)進行測量。另外，通過對齊比較算出其與標準波形的差異率，從而判斷出信號是否合格。視頻分析子程序見圖6。

圖6 視頻分析子程序

4）遙控碼和按鍵的模擬
小信號板直接接收已解調的遙控命令，我們只需要模擬未調制的遙控碼。它是TTL電平的脈沖串，可由6259的數(shù)字輸出DO來模擬。DO的時鐘需要借用AI/O等內部時鐘或其它外時鐘，但AI/O和遙控碼工作不能同步，而兩個Counter已被占用，因此只能采用其它外部時鐘。遙控碼的發(fā)送只在小信號板正常工作時才啟用，我們正好借助Counter輸出的行反饋信號34K方波來作為遙控碼的時鐘。一旦小信號板正常工作，行反饋信號十分穩(wěn)定，用它作為時鐘可以達到精度要求。另外，6259的DO可連續(xù)輸出2047個脈沖，可以連續(xù)發(fā)送大約10組遙控命令，符合測試要求。經過驗證，模擬的遙控命令工作穩(wěn)定、可靠。
遙控碼模擬子程序如圖7所示，先由遙控編碼子程序得到各種遙控器所有按鈕的遙控碼波形，再由這個子程序通過PXI-6259的DO將遙控碼發(fā)送出去。
電視的按鍵通常都是AD型的，這里利用6259的模擬輸出AO來實現(xiàn)。測量出每個按鍵對應的標準電壓后，利用6259的AO，即可實現(xiàn)按鍵功能。模擬按鍵的持續(xù)時間和間隔為20ms，比人工按鍵操作更加快速。

圖7 遙控碼模擬子程序

5）直流、低頻信號、數(shù)字開關信號的處理
PXI-6259多通道采集速率高達1 MS/s，精度16位，具有32路模擬輸入，4路模擬輸出， 48路數(shù)字I/O，利用6259這些豐富全面的功能和高性能，即可滿足對直流、低頻交流信號、開關等信號的采集或產生等處理。
最終實際的測試系統(tǒng)硬件如圖8所示。硬件系統(tǒng)高度的集成了大量傳統(tǒng)儀器的功能，而占用的空間卻大為減少。

圖8 測試系統(tǒng)照片

四．用戶界面和輔助功能
測試軟件由LabVIEW平臺進行開發(fā)，它將各個測試模塊有效的連接起來，對測試過程進行控制，并將測試結果顯示在屏幕上。測試完成時，它將測試的各個參數(shù)和結果存儲在硬盤上，供以后追溯和查詢使用。
軟件編寫充分利用了LabVIEW程序可并行運行的特點，使行反饋的產生，小信號板工作狀態(tài)的監(jiān)控等子程序可以和測試程序同時運行，解決了小信號板驅動和監(jiān)控的問題。
測試軟件提供了友好的人機界面，見圖9，它允許用戶載入配置文件、自定義測試項目以及修改測試參數(shù)的上下限范圍等，并可按要求對測試報表進行查詢、統(tǒng)計和分析。

圖9 軟件用戶界面

五．測試
系統(tǒng)完成后，我們設置了一些條件對系統(tǒng)的實際性能進行了測試。通過測試員操作，對平均單板測試時間進行了測量；通過重復測試，對系統(tǒng)可靠性進行了驗證；通過設置故障，對系統(tǒng)的檢出率水平進行了測試。經過測試表明，系統(tǒng)的單板測試時間縮短了一半以上，可靠性和檢出水平都有較好的提升，在自動化、通用性方面都達到了系統(tǒng)設計要求。

結論
利用虛擬儀器軟硬件平臺，開發(fā)出了功能強大、性能優(yōu)越且易于擴展的測試系統(tǒng)，使生產測試性能有了很大的提升。與傳統(tǒng)測試相比較，虛擬儀器測試有著巨大優(yōu)越性，必將得到更廣泛、深入的應用。