STM32 tabanlı Hoparlör Merkezleme Desteği Uyum Ölçüm Sistemi Tasarımı
Merkezleme destek parçası, hoparlörün temel bileşenlerinden biridir, hoparlör çalışırken ses bobininin manyetik boşlukta doğru konumda olmasını ve ses bobininin titreşim işlemi sırasında sadece eksenel yönde ileri geri hareket etmesini sağlamak için kullanılır. Materyal ve tasarım şeklinden etkilenen merkezleme destek parçası, hoparlör çalışırken belirli bir dereceye kadar doğrusal olmayan distorsiyon üretecektir. Bu nedenle, etkili titreşim aralığında merkezleme desteğinin kuvveti ve deformasyonu arasında iyi bir doğrusal ilişkiye sahip olmak gerekir.
Hoparlör endüstrisinde, merkezleme destek parçası, bir merkezleme destek parçasının özelliklerini, yani, merkezleme destek parçasının esneklik katsayısının karşılığını karakterize etmek için kullanılır. Daha yaygın bir ölçüm yöntemi, merkezleme desteğinin merkezleme desteğinin yer değiştirmesine göre uygunluğunu değerlendirmek için sabit bir yük (50 g veya 100 g standart ağırlık) uygulamaktır. Geleneksel merkezleme ateli uyum ölçüm cihazı genellikle bu yönteme göre uygulanır, ancak kullanım sürecinde, bir merkezleme atelinin doğrusal aralığını yalnızca kabaca yargılayabilir ve hareketi sırasında merkezleme splintindeki kuvveti yansıtamaz. , Ve sonraki araştırma ve analiz için büyük sınırlamalara sahip olan merkezleme parçasının maksimum doğrusal aralığını ölçemez.
Yukarıdaki sorunlar ışığında, bu makale öncüllerin çalışmalarını birleştirir ve STM32F407 mikro denetleyiciye dayalı bir merkezleme destek parçası uyum ölçüm sistemi geliştirir. Sistem, merkezleme hareketini otomatik olarak kontrol etmek ve yer değiştirme ve kuvveti tespit etmek için bir kademeli motor, bir dijital sürmeli kumpas ve bir basınç sensörünü birleştirir.Verileri işlemek için kayan ortalama filtre algoritmasını ve en küçük kareler uydurma algoritmasını kullanır. Ölçüm sonucu daha doğrudur. Son olarak, test edilen kalp atelinin doğrusal aralığını bulmak için uyum eğrisini hesaplayarak.
1 donanım tasarımı
1.1 Sistem yapısı tasarımı
Merkezleme destek parçası sürekli olarak bir yönde dış kuvvete maruz kaldığında belirli bir plastik deformasyon üretecek ve otomatik olarak eski haline getirilemeyecektir Hoparlör çalışmasında merkezleme destek parçasının boyutu ve yönü aslında sürekli bir değişim sürecidir. Bu nedenle, hareketi sırasında gerçek kuvvet durumunu doğru bir şekilde yansıtmak için dinamik olarak ölçülmesi gerekir. Yukarıdaki analize dayanarak, bu sistem, ölçüm sistemini oluşturmak için kademeli motorlar ve doğrusal sürgüler kullanır; bu, merkezleme destek parçasının hareketini simüle edebilir ve farklı çalışma senaryolarını simüle etmek için tek çipli mikro bilgisayar aracılığıyla hareket durumunu kontrol edebilir. Ayrıca hareket sırasında her bir modülün verilerini toplamak ve hesaplamak için tek çipli mikrobilgisayar kullanılır ve ardından hoparlörün merkezleme parçasının hareket parametreleri elde edilebilir.
Sistemin yapı diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Merkezleme destek parçasının yer değiştirme verilerini toplamak için kayar raya bağlanmak için 0,01 mm hassasiyete sahip dijital bir sürmeli kumpas kullanılır. Basınç verilerini toplamak için basınç sensörü sürgülü raya sabitlenmiştir. Ek olarak, step motorun bağlantı şaftı olarak yüksek hassasiyetli bilyalı vidaların kullanılması ve kızak rayı, sistemin daha doğru çalışmasını sağlar.
1.2 Devre tasarımı
Bu sistemin donanım devresinin tasarımı, performans, güç tüketimi, kararlılık ve güvenilirlik yönlerinden kapsamlı bir şekilde ele alınır ve devre modülleri gerçekleştirilen fonksiyonlara göre sınıflandırılır ve modüler tasarım yöntemi devre sisteminin tasarımını azaltır. Risklidir ve değiştirilmesi ve test edilmesi kolaydır. Genel devre tasarımı blok şeması Şekil 2'de gösterilmiştir. Devre sistemi, çeşitli modülleri kontrol etmek için ana kontrol yongası olarak STM32F407 mikro denetleyiciyi kullanır. Bunlar arasında, veri örnekleme modülü, güç kaynağı gürültüsünün örnekleme devresi üzerindeki etkisini azaltmak için düşük dalgalı doğrusal DC stabilize güç kaynağı kullanırken, TFT sürücü modülü ve daha büyük güç tüketimine sahip kademeli motor sürücü modülü, anahtarlama tipi stabilize güç kaynağı kullanır. Devre sisteminin genel güç tüketimini azaltın.
1.2.1 Doğrusal düzenlenmiş güç kaynağı tasarımı
Örnekleme devresinin güç kaynağı modülünün kararlılığı, örnekleme sonucunun doğruluğunu belirler Bu nedenle, veri örnekleme modülüne güç sağlamak için düşük voltaj dalgalı doğrusal bir DC stabilize güç kaynağı gereklidir. Bu sistemin doğrusal DC stabilize güç kaynağı, çıkış voltajının stabilitesini iyileştirmek için voltaj düşüşünü artırmaya yönelik bir tasarım yöntemi kullanır ve tek bir stabilize modül üzerindeki termal güç tüketiminin etkisini dağıtmak için çok kanallı bir kademeli yöntem kullanır. Ayrıca çalışma sürecinde oluşabilecek yük dalgalanmaları göz önünde bulundurularak daha geniş bir akım aralığı tasarlanır ve voltaj regülatör çipinin akımını paralel olarak genişletmek için bir triyot kullanılır, bu sadece devrenin yük kapasitesini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda çipin ısı üretimini de arttırmaz. Devrenin güvenilirliği.
Doğrusal DC stabilize güç kaynağının tasarımı, çekirdek olarak entegre üç terminalli stabilize voltaj yongası LM317 ve DC stabilize güç kaynağını tasarlamak için referans stabilize kaynak olarak kontrol edilebilir hassas stabilize edilmiş voltaj kaynağı TL431 kullanılarak Şekil 3'te gösterilmektedir. Her ikisinin de düşük gürültü ve yüksek dalgalanma reddetme oranı gibi avantajları vardır ve doğrusal regüle güç kaynaklarının tasarımı için çok uygundur. Ön aşama devresi, LM317 yongasının akımını genişletmek için NPN tüpü Q1'i kullanır, bu da çipin termal güç tüketimini etkili bir şekilde azaltabilir ve ikinci aşama devresi, çıkış voltaj dalgalanmasını azaltmak için referans olarak TL431 yongasını kullanır. Ek olarak, PNP tüpü Q2'nin yüke paralel olarak kullanılması, yük dalgalanmalarının voltaj stabilizasyon etkisi üzerindeki etkisini azaltır ve devrenin yük kapasitesini iyileştirir.
1.2.2 Basınç örnekleme devresi tasarımı
Bu sistemin basınç sensörü, bir piezorezistif gerinim sensörü olan paralel kiriş tipi alüminyum alaşımlı bir yük hücresi SBT430'dur ve çıkış sinyali, A / D dönüşümü gerçekleştirilmeden önce yükseltilmesi ve filtrelenmesi gereken zayıf bir diferansiyel sinyaldir. .
Basınç örnekleme devresi, çok kanallı amplifikasyon ve A / D dönüştürme modüllerinin kaskadının neden olduğu gürültü üst üste binmesini ve sıcaklık kaymasını önleyen tek bir modül tasarım yöntemi kullanır. Düşük gürültülü programlanabilir bir amplifikatör, düzenlenmiş bir güç kaynağı ve bir çip üzerinde saat osilatörü ile entegre HX711 yongası, tasarım için seçilir; bu, STM32F407 MCU'yu örneklemek için doğrudan kontrol edebilir, bu da yalnızca örnekleme kararlılığını iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda devre tasarımını da basitleştirir. Basınç sinyali edinim devresi, Şekil 4'te gösterilmektedir.
1.2.3 Step motor sürücü devresi tasarımı
Sistemin hareketi, hareket kontrolü için 57 serisi adımlı motorlar kullanır.Bu adım motorları serisi, kararlı çalışma ve yüksek güvenilirlik özelliklerine sahiptir. Endüstriyel üretimde, entegre sürücü bloğu genellikle step motoru sürmek için kullanılır ve DIP anahtarının çalışma modu, iş senaryolarının çoğuyla başa çıkacak şekilde ayarlanabilir, ancak bu sistemin hareket kontrolünün daha yüksek hassasiyete ve daha fazla çeşitliliğe sahip olması gerekir. Çalışma şekli. Bu amaçla, bu makale, step motor sürücü devresinin tasarımını ve optimizasyonunu doğrudan yönlendirmek için sürücü çipi artı STM32F407 mikro denetleyiciyi kullanır.Farklı çalışma koşulları için, mikro denetleyici, farklı alt bölüm yöntemlerini, sürücü akımlarını ve sürücü voltaj frekanslarını otomatik olarak seçmek için kullanılır. , Kontrol yönteminin daha esnek hale getirilmesi. Adım motor sürücü devresi Şekil 5'te gösterilmektedir.
2 Yazılım tasarımı
Bu makalede yazılım sistemi tarafından gerçekleştirilen ana işlevler veri toplama, veri iletimi ve sistem kalibrasyonudur. Farklı devre modüllerinin sürüş özelliklerine ve çalışma yöntemlerinin ihtiyaçlarına göre, sürüş modüllerini, hareket kontrol modüllerini ve örnekleme modüllerini tasarlamak ve birleştirmek için modüler programlama fikrini kullanarak, geliştirme süresinden tasarruf sağlar ve daha sonra hata ayıklama ve bakımı kolaylaştırır. Sistem tasarımında, veri iletimindeki gecikmenin örnekleme bekleme süresi üzerindeki etkisinden kaçınmak için veri toplama modülü ve veri iletim modülü ayrılmıştır ve örnekleme hızını daha hızlı hale getirir. Ayrıca basınç sensörünün basınç değerini ve merkezleme parçasının başlangıç noktasını otomatik olarak kalibre eden tasarım, cihaz kalibrasyon süresinden tasarruf sağlar ve sistemin çıktı sonucunu daha doğru hale getirir. Sistemin yazılım tasarım süreci Şekil 6'da gösterilmektedir.
2.1 Basınç örnekleme değeri filtreleme
Güç kaynağı gürültüsünden ve harici elektromanyetik girişimden etkilenen sabit bir yük sürekli olarak örneklendiğinde, HX711 yongasının çıkış değeri büyük ölçüde dalgalanacaktır. Veri gürültüsünü filtrelemek için dijital filtrelemenin kullanılması, verilerdeki gürültü girişimini hızla ortadan kaldırabilir ve çok fazla sistem kaynağı işgal etmez. Yaygın olarak kullanılan dijital filtreleme yöntemleri, sonlu genlik filtreleme, medyan filtreleme, aritmetik ortalama, hareketli ortalama filtreleme ve çeşitli yöntemlerin birleşiminden sonra filtreleme yöntemleridir. Çeşitli filtreleme yöntemlerinin avantajlarını ve dezavantajlarını ve bu sistemin örnekleme özelliklerini birleştiren bu makale, basınç sinyalini işlemek için kayan ortalama filtreleme ve medyan filtrelemenin bir kombinasyonunu kullanır. Filtreleme algoritmasının uygulama süreci, N uzunluğunda bir FIFO (İlk Giriş İlk Çıkış) depolama alanı oluşturmak, örneklenen değeri depolamak ve her veri elde edildiğinde depolama alanındaki veriler üzerinde bir medyan değer filtresi gerçekleştirmektir (N veriyi kaldır Verilerdeki maksimum ve minimum değerlerden sonra, kalan N-2 verilerinin aritmetik ortalamasını yapın) ve sonuç bu filtrelemenin sonucudur. Bu yöntemin sinyaldeki nabız paraziti üzerinde iyi bir bastırma etkisi vardır ve uygulaması basittir ve daha az sistem kaynağı kullanır.
2.2 Veri uydurma algoritmasının tasarımı
Deneysel verilerin ayrık doğası nedeniyle, toplanan verilerin genellikle, değişkenler arasındaki ilişkiyi yansıtan bir eğri elde etmek için uydurma veya enterpolasyon yoluyla işlenmesi gerekir. Bu makale, verileri sığdırmak için en küçük kareler yöntemini kullanır, bu da veri hatalarının etkisini azaltabilir ve uyumun iyiliğini artırabilir.
Basınç değeri p ile yer değiştirme l arasındaki ilişki eğrisini bulmak için, hesaplanan basınç değeri (li) ile ölçülen pi değeri arasındaki sapmaların karelerinin toplamının en aza indirilmesi için deneysel örneklere dayalı olarak bir (l) fonksiyonunun oluşturulması gerekir.
N dereceli polinom uydurma işlevinin şöyle olduğunu varsayalım:
Daha sonra deneysel numunelerin kalıntıları ve uydurma işlevi şunlardır:
2.3 Maksimum doğrusal yer değiştirme araması için algoritma tasarımı
Sistem, yerleştirme işlevini hesapladıktan sonra, maksimum doğrusal yer değiştirme arama algoritması, merkezleme parçasının maksimum doğrusal yer değiştirmesini hesaplamak için kullanılabilir. Algoritma, doğrusal bir yaklaşım yöntemi kullanılarak uygulanır.Uyum eğrisi, tanjantı ile karşılaştırılır ve hesaplama, hata eşiğinin is ( > 0) maksimum yer değiştirme değeri, merkezleme destek parçasının maksimum yer değiştirmesidir.
Kalp destek parçasının uyum eğrisini şu şekilde ayarlayın:
0 mm'den başlayarak, minimum birim olarak 0,01 mm kullanılarak ve formül (9) hesaplanarak, hata eşiğinin altındaki maksimum yer değiştirme hesaplanabilir. Ek olarak, maksimum doğrusal kuvvet aralığı, maksimum doğrusal yer değiştirme ve oturtulmuş eğri aracılığıyla hesaplanabilir. Yöntemin uygulanması hızlıdır, eşiği değiştirerek farklı durumlara uygulanabilir ve iyi bir taşınabilirliğe sahiptir.
2.4 Ana bilgisayar yazılım tasarımı
Bu sistemin üst bilgisayar yazılım tasarımı, Visual Stdio2010 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş olup, sistem kontrolü, veri alma ve sistem iletişimi olmak üzere üç açıdan tasarlanmıştır. Sistem kontrolü ve veri alımı, temel olarak kullanıcı komutu edinme ve veri depolama işlevlerini tamamlar. Sistem iletişimi esas olarak ana bilgisayar yazılımı ile tek çipli mikrobilgisayar arasındaki talimat ve veri aktarım işlevini tamamlar.Veri değişkenlerini aktarım için karşılık gelen karakterlere dönüştürme yöntemi, verileri iletmek için tasarımda kullanılır ve ayırt etmek için özel sembollerle işaretleme yöntemi kullanılır. Farklı komutlar ve veriler, dizi parazitinin etkisinden kaçınır ve veri aktarımının güvenilirliğini artırır. Üst bilgisayar yazılımı tasarım arayüzü, Şekil 7'de gösterildiği gibi gösterilmektedir.
3 Sistem testi
3.1 Genel test
Sistemin ölçüm işlevini test etmek için 5 inçlik bir merkezleme parçasını örneklemek için bu sistemi kullanın. Üst bilgisayar yazılımındaki örnekleme aralığını -2,00 mm 2,00 mm olarak ayarlayın, doğrusal değerlendirme hatası eşiğini 0,004 N olarak ayarlayın, verileri örneklemek ve almak için üst bilgisayar yazılımı kontrol sistemini kullanın. Örnekleme sonuçları ve uydurma eğrisi Şekil 8'de gösterilmektedir. Sağdaki metin penceresi ölçülecek kalp atelinin doğrusal aralığını gösterir.
Doğrusal hata eşiği 0,004 N olduğunda, merkezleme parçasının yer değiştirme doğrusal aralığının -0,62 mm 0,85 mm ve doğrusal kuvvet aralığının -0,419 N 0,552 N olduğu elde edilebilir. Merkezleme parçasının bu eşiğin altında olduğu görülebilir. Doğrusal aralığı simetrik değildir.
3.2 Basınç ölçüm hatası analizi
Basınç örneklemesinin doğruluğunu doğrulamak için basınç ölçüm değeri gerçek değerle karşılaştırılır. Basınçlı örneklemenin doğruluğunu tespit etmek için farklı kalitede standart ağırlıklar kullanılır Örnekleme sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir. Karşılaştırma yoluyla, örnekleme değerinin maksimum hatasının 0,15 g olduğu, yani basınç örnekleme değerinin hatası 0,002 N aralığında olduğu ve daha yüksek bir basınç örnekleme doğruluğuna sahip olduğu görülebilir.
4. Sonuç
Bu makale, STM32F407 tek çipli mikrobilgisayarı temel alan bir hoparlör merkezleme splint uyum ölçüm sistemini tanıtmaktadır.Sistem, geleneksel merkezleme splint uyum ölçüm cihazı ile merkezleme splintinin hareket durumunun yanlış ve yanlış anlaşılmasını çözmek için dinamik ölçüm kullanır. Merkezleme parçasının maksimum doğrusal aralığını elde etme problemi, hoparlör tasarımcılarının belirli bir kullanım değeri olan üzerinde takip araştırması ve analizi yapması için uygundur.
Referanslar
Wang Yizhen. Pratik Hoparlör Teknik Kılavuzu Beijing: National Defense Industry Press, 2003.
Wang Yizhen. Pratik hoparlör teknolojisi kılavuzu. Beijing: National Defense Industry Press, 2006.
Wang Wenjian, Sha Jiazheng Hoparlör Merkezleme Braketinin Doğrusal Olmayan Bozulması Araştırması Uygulamalı Akustik, 1999 (5): 24-28.
Yan Bingyao Hoparlör merkezleme parçaları için uygunluk ölçüm cihazı.Elektroakustik Teknolojisi, 2006 (5): 29-32, 36.
Li Chengwei, Han Junnan, Du Xin, vb. ADS1293'e dayalı giyilebilir bir EKG algılama cihazının tasarımı ve uygulaması Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (9): 8-12.
Guo Jianzhong, Cheng Feng, Xie Bin, ve diğerleri.Yakıt ölçerde iyileştirilmiş sınırlı genlikli yinelemeli ortalama filtreleme yönteminin uygulanması. Science Technology and Engineering, 2018, 18 (16): 62-67.
Zhou Jiyu, Chen Silu, Fu Shaowen. Ortalama kayan filtre algoritması ve STM32 elektronik ölçeğine dayalı tasarım.Modern Elektronik Teknolojisi, 2017, 40 (10): 10-12, 15.
Guo Fuzhi, Du Hongmian, Li Xiaoshu ve diğerleri Masa tenisi / badminton sporları durumu tanıma saatinin tasarımı.Elektronik teknoloji uygulaması, 2018, 44 (4): 73-76.
Tian Zilin, Chen Jiaxin. En küçük kareler yöntemine ve Hough dönüşümüne dayalı iris konum algoritması. Application of Electronic Technology, 2019, 45 (2): 75-79.
Wang Chun, Guo Jingbo, Liu Hongqi, vb. En küçük karelere dayalı aşırı düşük frekanslı zayıf sinyaller için gerçek zamanlı algılama yöntemi Chinese Journal of Scientific Instrument, 2009, 30 (12): 2468-2473.
Huang Jing, Liu Qinqin. İyileştirilmiş Eğri Uydurma Algoritmasına Dayalı Su Kalitesi Biyolojik Toksisite Araştırması. Enstrüman Teknolojisi ve Sensörler, 2017 (7): 105-107, 120.
Jia Xiaoyong, Xu Chuansheng, Bai Xin. En küçük kareler yönteminin oluşturulması ve düşünme yöntemi. Journal of Northwest University (Natural Science Edition), 2006 (3): 507-511.
Matematik Bölümü, Tongji Üniversitesi. Doğrusal Cebir. Beijing: Higher Education Press, 2007.
yazar bilgileri:
Li Weiliang, Xiao Hui, Fang Pengfei
(Fizik Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Wuhan Üniversitesi, Wuhan, Hubei 430072)
