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(shí),，音圈在磁隙中處于正確的位置,，并且保證音圈在振動(dòng)過(guò)程中僅沿軸向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)^[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(shí),，定心支片會(huì)產(chǎn)生一定程度的非線性失真。因此,，要求在有效的振動(dòng)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(lái)表征一個(gè)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(cè)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(lái)判斷定心支片的順性^[3-4]。傳統(tǒng)的定心支片順性測(cè)量?jī)x通?；谶@一方法來(lái)實(shí)現(xiàn),，但是使用過(guò)程中，只能粗略地判斷一個(gè)定心支片的線性范圍,，不能反映定心支片運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況,，且不能測(cè)量定心支片的最大線性范圍，對(duì)于后續(xù)的研究與分析具有很大的局限性,。

    針對(duì)以上問(wèn)題,，本文結(jié)合前人的工作，基于STM32F407單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一種定心支片順性測(cè)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(dòng)控制定心運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)位移和受力大小的功能,，并使用滑動(dòng)均值濾波算法和最小二乘擬合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，使得測(cè)量結(jié)果更加精確。最后通過(guò)對(duì)順性曲線進(jìn)行計(jì)算來(lái)查找被測(cè)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(gè)方向的外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的塑性形變而無(wú)法自動(dòng)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(gè)持續(xù)變化的過(guò)程,，因而需要?jiǎng)討B(tài)地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,，才能準(zhǔn)確反映其運(yùn)動(dòng)時(shí)的真實(shí)受力情況,。基于以上分析,，本系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)和線性滑軌對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行搭建,，既可以模擬定心支片運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，又可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制,，來(lái)模擬不同的工作場(chǎng)景,。另外，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)單片機(jī)對(duì)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(shí)定心支片的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)方面來(lái)綜合考慮，并按照實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)電路模塊進(jìn)行了分類(lèi),，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(xiǎn)，并且易于修改和測(cè)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(duì)各類(lèi)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(lái)降低電源噪聲對(duì)采樣電路的影響，而功耗較大的TFT驅(qū)動(dòng)模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則使用了開(kāi)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(lái)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(lái)提升輸出電壓的穩(wěn)定性，并且使用多路級(jí)聯(lián)的方式來(lái)分散熱功耗對(duì)單個(gè)穩(wěn)壓模塊的影響,。另外針對(duì)工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的負(fù)載波動(dòng),，設(shè)計(jì)了較寬的電流范圍，并且使用三極管對(duì)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(huì)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(lái)對(duì)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(jí)電路使用NPN管Q1對(duì)LM317芯片進(jìn)行擴(kuò)流，可有效降低芯片的熱功耗,，后級(jí)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(dòng)對(duì)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(cè)力傳感器SBT430,，該傳感器為壓阻式應(yīng)變傳感器，其輸出信號(hào)為一微弱的差分信號(hào),，需要對(duì)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(jí)聯(lián)帶來(lái)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(shí)鐘振蕩器的HX711芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直接控制STM32F407單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行采樣,，既提高了采樣穩(wěn)定性,，又簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。壓力信號(hào)采集電路如圖4所示,。

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

    系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)使用57系列步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)塊來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),，使用撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)其工作模式進(jìn)行設(shè)定可以應(yīng)對(duì)大部分的工作場(chǎng)景，但是本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)芯片加STM32F407單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，針對(duì)不同的工作狀態(tài),，使用單片機(jī)來(lái)自動(dòng)選擇不同的細(xì)分方式,、驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓頻率，使得控制方式更加靈活,。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)特點(diǎn)和工作方式的需要,，使用模塊化編程的思想對(duì)各驅(qū)動(dòng)模塊,、運(yùn)動(dòng)控制模塊和采樣模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和組合，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)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(shí)延對(duì)采樣等待時(shí)間造成的影響,，使得采樣速度更快,。另外，使用自動(dòng)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(shí)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(duì)一固定負(fù)載進(jìn)行連續(xù)采樣時(shí)，HX711芯片的輸出值會(huì)有較大波動(dòng),。使用數(shù)字濾波法來(lái)對(duì)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(huì)占用過(guò)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(dòng)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(dòng)均值濾波法和中位值濾波法相結(jié)合的方式來(lái)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行處理。濾波算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)度為N的FIFO(First Input First Output)存儲(chǔ)空間,，對(duì)采樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，每獲得一次數(shù)據(jù)就對(duì)存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)做一次中位值濾波(去掉N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值后,，對(duì)剩下的N-2個(gè)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(duì)信號(hào)中的脈沖干擾有很好的抑制效果,，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合^[9-12]，可以降低數(shù)據(jù)誤差帶來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)樣本來(lái)構(gòu)造一個(gè)函數(shù)(l)，使得壓力計(jì)算值(l_i)與實(shí)測(cè)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(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn),，將順性曲線的與其切線進(jìn)行對(duì)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(kāi)始,，以0.01 mm為最小單位，對(duì)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(guò)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(guò)修改閾值可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)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(lái)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(gè)方面來(lái)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(hù)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(duì)應(yīng)的字符進(jìn)行傳輸?shù)姆椒▉?lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,，并使用特殊符號(hào)標(biāo)記的方法來(lái)區(qū)分不同的指令和數(shù)據(jù),，避免了字符串?dāng)_帶來(lái)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(cè)試

3.1 整體測(cè)試

    使用本系統(tǒng)對(duì)一個(gè)5英寸的定心支片進(jìn)行采樣測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)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(duì)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(cè)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(shí),，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(jiàn)該定心支片在該閾值下的線性范圍并不是上下對(duì)稱(chēng)。

3.2 壓力測(cè)量誤差分析

    為檢驗(yàn)壓力采樣的準(zhǔn)確性,，將壓力測(cè)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(lái)檢測(cè)壓力采樣的精度，采樣結(jié)果如表1所示,。通過(guò)對(duì)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?xún)?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(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用動(dòng)態(tài)測(cè)量的方式解決了傳統(tǒng)定心支片順性測(cè)量?jī)x對(duì)定心支片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)把握不準(zhǔn)確以及無(wú)法獲得定心支片的最大線性范圍的問(wèn)題,，方便揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的研究和分析,，具有一定的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王以真.實(shí)用揚(yáng)聲器技術(shù)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2003.

[2] 王以真.實(shí)用揚(yáng)聲器工藝手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2006.

[3] 王文建，沙家正.揚(yáng)聲器定心支片的非線性失真研究[J].應(yīng)用聲學(xué),，1999(5)：24-28.

[4] 閆秉耀.揚(yáng)聲器定心支片的順性測(cè)量?jī)x[J].電聲技術(shù),，2006(5)：29-32，36.

[5] 李承煒,，韓俊南,，杜欣，等.基于ADS1293的穿戴式心電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017,，43(9)：8-12.

[6] 郭健忠，程峰,，謝斌,，等.改進(jìn)型限幅遞推平均濾波法在燃油表中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018,，18(16)：62-67.

[7] 周繼裕,，陳思露，符少文.基于均值滑動(dòng)濾波算法和STM32電子秤的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2017,，40(10)：10-12，15.

[8] 郭富智,，杜紅棉，李肖姝,，等.乒乓球/羽毛球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別手表的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018，44(4)：73-76.

[9] 田子林，陳家新.基于最小二乘法與霍夫變換的虹膜定位算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(2)：75-79.

[10] 王淳，郭靜波,，劉紅旗,，等.基于最小二乘的極低頻微弱信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009,，30(12)：2468-2473.

[11] 黃靜,，劉琴琴.基于曲線擬合改進(jìn)算法的水質(zhì)生物毒性研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(7)：105-107,，120.

[12] 賈小勇,，徐傳勝，白欣.最小二乘法的創(chuàng)立及其思想方法[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),，2006(3)：507-511.

[13] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.線性代數(shù)[M].北京：高等教育出版社,，2007.

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)