關于模擬化儀器的仿真化體系的探討
1本文提出的基于虛擬儀器技術，硬件采用了北京聲望公司的電容傳聲器、NI公司PXI1042機箱與4472采集卡；軟件采用LabVIEW和MATLAB兩種平臺混合編程，并采用ActiveX技術進行銜接。這充分利用了它們各自的優勢，極大地縮短了軟件開發周期，并保證較高的運行效率。
2功能需求
根據聲場可視化的原理，需要在候選聲源附近布置傳聲器陣列測量聲壓場，然后由聲源位置和頻譜等事先已知的信息，運用各種重構算法來重建包圍聲源表面的三維聲場（包括聲壓場、聲強場和質點法向振速場），最后將聲場以圖形或動畫的形式顯示出來。這里，重構算法選用波疊加方法（WSM）。根據項目需求，輻射體包含1～3個不相干候選聲源，可以是設備中的某個部件，如齒輪、軸承等。其位置已知，頻率范圍在1000Hz以內。首先需要對其進行頻譜分析，然后選擇關心的頻帶，在輻射體的表面和外部進行聲場重建。
具體需求如下：（1）采樣：5KHz～10KHz可調的采樣頻率，聲壓傳感器ICP電源驅動，－5V～＋5V可調電壓范圍。
（2）通道數：1～32個通道同步采集，單通道或者4通道同時顯示。
（3）自動校準：傳聲器靈敏度自動校準，并自動將電壓信號轉換成聲壓信號保存。
（4）FFT：各通道聲壓信號的頻譜分析。
（5）聲場重建：自動調用波疊加算法進行聲場重建。
（6）結果顯示：可以顯示三維圖，也可以顯示聲壓等高線圖。
3硬件組成
一個合理的硬件配置能獲得最佳的性能價格比，并使系統具有高可靠性、良好的可擴展性，易于編程和升級，為系統的集成帶來很大的方便。
PXI－8176是一款高性能Pentium III1.26GHz嵌入式控制器，置于PXI機箱中，可為模塊儀器和數據采集應用提供一個輕巧的高性能PC平臺。對比發現，采用后者系統集成度高、更方便靈活、更經濟。系統一個有5個模塊，選擇PXI8插槽機箱。
因此，系統硬件部分主要包括一套傳聲器陣列和一套基于PXI總線的嵌入式采集系統。基本上該系統具有高可靠性、高性能、便攜，能在振動、噪音、潮濕等惡劣環境下正常運作。
4軟件設計與實現4.1開發平臺LabVIEW是一種圖形化的編程語言，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，并可生成獨立運行的可執行文件。它還內置了便于應用TCP／IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，可以方便地和MATLAB等外部軟件進行無縫銜接。使用這種語言編程時，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是圖標。
在二者的銜接上存在著多種方式，唐建鋒等人進行了細致的研究。該系統的開發基于LabVIEW7.1平臺，結合NI4472采集卡，主要完成數據預處理、采集模塊和數據顯示、保存模塊工作。選用了MATLAB6.5平臺，開發了基于波疊加算法的聲場重建與顯示模塊。采用MATLABScript節點方式，通過ActiveX技術和MATLABServer通訊，使得LabVIEW可以直接調用后臺的MATLAB算法。使用該方式混合編程簡單、實用，但是沒有完全脫離MATLAB平臺。
4.2采樣方式的選擇NI4472提供了豐富的觸發方式和時鐘同步方式，可以靈活地應用它們來實現采樣。觸發方式包括軟觸發，外部數字電平觸發，外部邏輯電平觸發等。這里選用了軟觸發的方式，由用戶點擊“開始”按鈕啟動采樣。時鐘同步由硬件和軟件來共同保證，當PXI1042機箱內安裝了多個4472采集卡需要同步采樣時，默認的主觸發模塊位于第二個插槽，其余為從模塊。以主模塊內部時鐘為時鐘源，通過背板總線RTSI5／TRIG5線實現與其他模塊的時鐘同步。數據保存采用中斷方式，NI4472卡功能強大、操作靈活，可以根據用戶需求設置緩沖區大小。當緩沖區達到半滿標志位時觸發中斷信號，通知主控機從緩沖區搬運數據存放到硬盤。
4.3系統軟件流程根據系統功能模塊劃分設計了系統的軟件流程圖，如圖2。程序主要分為5部分：初始化及參數輸入，預采樣與傳聲器校準，采樣及數據保存，頻譜分析及重建頻帶選擇，調用MATLAB進行聲場重建與結果顯示。其中，聲場重建算法應用了由Koopmann等人提出并由本文作者改進的波疊加算法，全部代碼采用MATLAB實現。由于跨平臺編程，首先需要在MATLAB下對聲場重建算法進行細致的調試，待確認無誤后再通過MATLABScript加載到LabVIEW進行系統聯調。
左邊區域為用戶參數輸入區，其中初始化部分需要用戶從前面板輸入采樣參數、陣列參數、位置參數等都從這里輸入。傳聲器校準后直接記入傳聲器靈敏度數組，方便采樣時的數據轉換。右上區為頻譜分析區，可以方便地選擇任意通道進行頻譜分析，然后選擇需要的頻帶范圍進行聲場重建。右下區為結果輸出區，該圖形區支持人機交互，可以方便地從各個角度查看試驗結果。
4.4試驗測試按照上述系統軟硬件設計及代碼實現，形成了一套聲場可總共使用了28個傳聲器，用兩只音箱模擬噪聲源，由聲卡發聲經功率放大器放大后輸出到音箱，在遠場進行聲壓測量，重建音箱表面聲場和遠處聲場。按照軟件說明書進行了操作。可見，系統能實現2個獨立聲源的外部聲場重建，驗證了其實用性。而且界面生動形象、使用方便、操作簡單，容易為用戶接受。使用該系統極大地簡化了實驗員的工作，為聲學研究提供一種有效手段。
5結語
（1）在分析需求的基礎上，進行了硬件配置和系統軟件設計，選擇跨平臺混合編程最終實現了該系統，通過試驗驗證了該可視化系統的可實用性。程序設計兼顧了開放性，其中聲場重建算法也可擴展到其他軟硬件平臺。
（2）由于聲學機理的研究目前進展緩慢，尚存在許多未解決的問題，所以該系統的可視化算法還有待進一步研究。
（3）利用MATLAB和LabVIEW混合編程的關鍵點是接口參數的設置。http://www.jetlicn.com
