0 引言

    定心支片是揚(yáng)聲器的核心部件之一，它用于保證揚(yáng)聲器工作時，音圈在磁隙中處于正確的位置，并且保證音圈在振動過程中僅沿軸向作往復(fù)運(yùn)動^[1-2]。受到制作材料和設(shè)計(jì)形狀的影響，在揚(yáng)聲器工作時，定心支片會產(chǎn)生一定程度的非線性失真。因此，要求在有效的振動范圍內(nèi)，定心支片的受力和形變需要有良好的線性關(guān)系。

    揚(yáng)聲器行業(yè)中用定心支片的順性來表征一個定心支片的特性，即定心支片彈性系數(shù)的倒數(shù)。較為普遍的測量方法是施加固定負(fù)載(50 g或者100 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼)后根據(jù)定心支片的變位來判斷定心支片的順性^[3-4]。傳統(tǒng)的定心支片順性測量儀通常基于這一方法來實(shí)現(xiàn)，但是使用過程中，只能粗略地判斷一個定心支片的線性范圍，不能反映定心支片運(yùn)動過程中的受力情況，且不能測量定心支片的最大線性范圍，對于后續(xù)的研究與分析具有很大的局限性。

    針對以上問題，本文結(jié)合前人的工作，基于STM32F407單片機(jī)開發(fā)了一種定心支片順性測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合步進(jìn)電機(jī)、數(shù)顯游標(biāo)卡尺和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了自動控制定心運(yùn)動并檢測位移和受力大小的功能，并使用滑動均值濾波算法和最小二乘擬合算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得測量結(jié)果更加精確。最后通過對順性曲線進(jìn)行計(jì)算來查找被測定心支片的線性范圍。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    定心支片在持續(xù)受到一個方向的外力作用時會產(chǎn)生一定的塑性形變而無法自動復(fù)原，而在揚(yáng)聲器工作中，定心支片的受力的大小與方向?qū)嶋H上是一個持續(xù)變化的過程，因而需要動態(tài)地對其進(jìn)行測量，才能準(zhǔn)確反映其運(yùn)動時的真實(shí)受力情況?；谝陨戏治觯鞠到y(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)和線性滑軌對測量系統(tǒng)進(jìn)行搭建，既可以模擬定心支片運(yùn)動的過程，又可以通過單片機(jī)對運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行控制，來模擬不同的工作場景。另外，在運(yùn)動過程中通過單片機(jī)對各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，即可得到揚(yáng)聲器工作時定心支片的運(yùn)動參數(shù)。

    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺與滑軌連接，用于采集定心支片的位移數(shù)據(jù)。壓力傳感器固定于滑軌之上，用于采集壓力數(shù)據(jù)。另外，使用高精度的滾珠絲桿作為步進(jìn)電機(jī)和滑軌的聯(lián)動軸使得系統(tǒng)運(yùn)行更加精確。

1.2 電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)從性能、功耗、穩(wěn)定性與可靠性這幾個方面來綜合考慮，并按照實(shí)現(xiàn)的功能對電路模塊進(jìn)行了分類，使用模塊化的設(shè)計(jì)方法降低了電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險，并且易于修改和測試。電路整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，電路系統(tǒng)以STM32F407單片機(jī)作為主控芯片，對各類模塊進(jìn)行控制。其中數(shù)據(jù)采樣模塊使用了低紋波的線性直流穩(wěn)壓電源，來降低電源噪聲對采樣電路的影響，而功耗較大的TFT驅(qū)動模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊則使用了開關(guān)型穩(wěn)壓電源，降低了電路系統(tǒng)的整體功耗。

1.2.1 線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

    采樣電路供電模塊的穩(wěn)定性決定了采樣結(jié)果的正確性，因此，需要低電壓紋波的線性直流穩(wěn)壓電源來為數(shù)據(jù)采樣模塊供電^[5]。本系統(tǒng)的線性直流穩(wěn)壓電源使用增加電壓壓降的設(shè)計(jì)方式來提升輸出電壓的穩(wěn)定性，并且使用多路級聯(lián)的方式來分散熱功耗對單個穩(wěn)壓模塊的影響。另外針對工作過程中可能出現(xiàn)的負(fù)載波動，設(shè)計(jì)了較寬的電流范圍，并且使用三極管對穩(wěn)壓芯片進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)流，既提升了電路的帶負(fù)載能力，又不會增加芯片的發(fā)熱量，提升了電路的可靠性。

    線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)如圖3所示，使用集成三端穩(wěn)壓芯片LM317為核心，并使用可控精密穩(wěn)壓源TL431作為基準(zhǔn)穩(wěn)壓源來對直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩者都具有低噪聲、高紋波抑制比的優(yōu)點(diǎn)，非常適合線性穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。前級電路使用NPN管Q1對LM317芯片進(jìn)行擴(kuò)流，可有效降低芯片的熱功耗，后級電路使用TL431芯片作為基準(zhǔn)，降低了輸出電壓紋波。另外，使用PNP管Q2與負(fù)載并聯(lián)，降低了負(fù)載波動對穩(wěn)壓效果的影響，提升了電路的帶負(fù)載能力。

1.2.2 壓力采樣電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的壓力傳感器為平行梁式鋁合金測力傳感器SBT430，該傳感器為壓阻式應(yīng)變傳感器，其輸出信號為一微弱的差分信號，需要對其進(jìn)行放大和濾波處理后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

    壓力采樣電路使用單一模塊的設(shè)計(jì)方式，避免了多路放大與A/D轉(zhuǎn)換模塊級聯(lián)帶來的噪聲疊加和溫度漂移。選擇集成有低噪聲可編程放大器、穩(wěn)壓電源以及片內(nèi)時鐘振蕩器的HX711芯片來進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直接控制STM32F407單片機(jī)對其進(jìn)行采樣，既提高了采樣穩(wěn)定性，又簡化了電路設(shè)計(jì)。壓力信號采集電路如圖4所示。

1.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的運(yùn)動使用57系列步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行運(yùn)動控制，該系列步進(jìn)電機(jī)具有運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高的特點(diǎn)。工業(yè)生產(chǎn)中常使用集成驅(qū)動塊來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，使用撥碼開關(guān)對其工作模式進(jìn)行設(shè)定可以應(yīng)對大部分的工作場景，但是本系統(tǒng)的運(yùn)動控制需要有較高的靈敏度和更加多樣的工作方式。為此，本文使用驅(qū)動芯片加STM32F407單片機(jī)直接驅(qū)動的方式來對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，針對不同的工作狀態(tài)，使用單片機(jī)來自動選擇不同的細(xì)分方式、驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓頻率，使得控制方式更加靈活。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

    本文的軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和系統(tǒng)校正。根據(jù)不同電路模塊的驅(qū)動特點(diǎn)和工作方式的需要，使用模塊化編程的思想對各驅(qū)動模塊、運(yùn)動控制模塊和采樣模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和組合，節(jié)省了開發(fā)時間，而且便于后期調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊進(jìn)行分離，避免了數(shù)據(jù)發(fā)送中的時延對采樣等待時間造成的影響，使得采樣速度更快。另外，使用自動校正壓力傳感器壓力值和定心支片起始點(diǎn)的設(shè)計(jì)，節(jié)省了儀器校準(zhǔn)的時間，并使得系統(tǒng)的輸出結(jié)果更加準(zhǔn)確。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

2.1 壓力采樣值濾波

    受電源噪聲和外界電磁干擾的影響，對一固定負(fù)載進(jìn)行連續(xù)采樣時，HX711芯片的輸出值會有較大波動。使用數(shù)字濾波法來對數(shù)據(jù)噪聲進(jìn)行濾波處理可以快速去除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，并且不會占用過多的系統(tǒng)資源。常用的數(shù)字濾波法有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均法、滑動均值濾波法以及幾種方法組合之后的濾波方法^[6-8]。結(jié)合各濾波法的優(yōu)缺點(diǎn)和本系統(tǒng)的采樣特點(diǎn)，本文采用滑動均值濾波法和中位值濾波法相結(jié)合的方式來對壓力信號進(jìn)行處理。濾波算法的實(shí)現(xiàn)過程是構(gòu)建一個長度為N的FIFO(First Input First Output)存儲空間，對采樣值進(jìn)行存儲，每獲得一次數(shù)據(jù)就對存儲空間中的數(shù)據(jù)做一次中位值濾波(去掉N個數(shù)據(jù)中的最大值和最小值后，對剩下的N-2個數(shù)據(jù)做一次算術(shù)平均)，其結(jié)果就為此次濾波后的結(jié)果。此方法對信號中的脈沖干擾有很好的抑制效果，且實(shí)現(xiàn)簡單，占用系統(tǒng)資源較少。

2.2 數(shù)據(jù)擬合算法設(shè)計(jì)

    由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，采集的數(shù)據(jù)常需要進(jìn)行擬合或者插值等處理后才能得到反映變量之間相互關(guān)系的曲線。本文使用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合^[9-12]，可以降低數(shù)據(jù)誤差帶來的影響，提高擬合優(yōu)度。

    為找出壓力值p與位移l之間的關(guān)系曲線，需要依據(jù)s個實(shí)驗(yàn)樣本來構(gòu)造一個函數(shù)(l)，使得壓力計(jì)算值(l_i)與實(shí)測值pi的偏差的平方和達(dá)到最小。

    設(shè)n次多項(xiàng)式擬合函數(shù)為：

    則s個實(shí)驗(yàn)樣本與擬合函數(shù)的殘差為：

2.3 最大線性位移查找算法設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)計(jì)算得到擬合函數(shù)后，使用最大線性位移查找算法可以計(jì)算得到定心支片的最大線性位移。該算法使用線性逼近法來實(shí)現(xiàn)，將順性曲線的與其切線進(jìn)行對比，計(jì)算得出低于誤差閾值ε(ε>0)的最大位移值，即為定心支片的最大位移。

    設(shè)定心支片的順性曲線為：

    從0 mm開始，以0.01 mm為最小單位，對式(9)進(jìn)行計(jì)算，便可以計(jì)算出低于誤差閾值的最大位移。另外，通過最大線性位移和擬合曲線可以計(jì)算出最大線性受力范圍。該方法實(shí)現(xiàn)速度快，通過修改閾值可以應(yīng)用于不同的場合，可移植性好。

2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用Visual Stdio2010軟件來實(shí)現(xiàn)，并從系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)接收和系統(tǒng)通信三個方面來進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)接收主要完成用戶指令獲取和數(shù)據(jù)保存的功能。系統(tǒng)通信主要完成上位機(jī)軟件與單片機(jī)之間的指令和數(shù)據(jù)的傳輸功能，設(shè)計(jì)中使用了將數(shù)據(jù)變量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的字符進(jìn)行傳輸?shù)姆椒▉韺?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并使用特殊符號標(biāo)記的方法來區(qū)分不同的指令和數(shù)據(jù)，避免了字符串?dāng)_帶來的影響，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)界面如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 整體測試

    使用本系統(tǒng)對一個5英寸的定心支片進(jìn)行采樣測試來檢驗(yàn)系統(tǒng)的測量功能。在上位機(jī)軟件中設(shè)置采樣范圍為-2.00 mm～2.00 mm，設(shè)置線性判斷誤差閾值為0.004 N，使用上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。采樣結(jié)果和擬合曲線如圖8所示，右側(cè)的文本窗顯示了被測定心支片的線性范圍。

    可以得到在線性誤差閾值為0.004 N時，該定心支片的位移線性范圍為-0.62 mm～0.85 mm，線性受力范圍為-0.419 N～0.552 N，可見該定心支片在該閾值下的線性范圍并不是上下對稱。

3.2 壓力測量誤差分析

    為檢驗(yàn)壓力采樣的準(zhǔn)確性，將壓力測量值與實(shí)際值進(jìn)行比較。使用不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼來檢測壓力采樣的精度，采樣結(jié)果如表1所示。通過對比可知，采樣值的最大誤差為0.15 g，即壓力采樣值的誤差在0.002 N以內(nèi)，具有較高的壓力采樣精度。

4 結(jié)論

    本文介紹了一種基于STM32F407單片機(jī)的揚(yáng)聲器定心支片順性測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用動態(tài)測量的方式解決了傳統(tǒng)定心支片順性測量儀對定心支片的運(yùn)動狀態(tài)把握不準(zhǔn)確以及無法獲得定心支片的最大線性范圍的問題，方便揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)人員對其進(jìn)行后續(xù)的研究和分析，具有一定的使用價值。

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作者信息:

李緯良，肖  輝，方鵬飛

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072)