具有音乐节奏的动感座椅设计

廖智舟

（柳州铁道职业技术学院自动控制学院，广西柳州，545000）

0 引言

现有技术已能使动感座椅上下移动，或者左右、前后倾斜，也能使得座椅旋转。现有技术也能实现座椅带音乐播放设备，使人能坐在座椅上听音乐。但是现有技术没有将音乐与座椅运动完美结合起来，使人缺乏对音乐节奏的体验。

本设计的目的在于提供一种具有音乐节奏的动感座椅，能让人在座椅上听音乐的同时亲身体验到与音乐节奏相同的振动，将音乐与座椅运动结合起来，从而增强对音乐节奏的感受，提高音乐带来的愉悦。

1 系统总体设计

本设计可以分为两大部分：动感座椅的外部组成结构和音乐节奏提取与驱动系统。动感座椅的外部组成结构由座椅主体、内置弹簧钢柱支架、伺服电机、伺服电机驱动器、凸轮、电子控制模块等组成。具体见图1。座椅主体由钢柱带弹簧支撑，座椅上的压力变化时弹簧会产生相应的伸缩，座椅高度也会随之产生变化。在座椅下方支撑坐板上固定伺服电机，电机轴上安装有较大质量的凸轮。这样当电机旋转一圈，就带动凸轮旋转一圈，由于凸轮重心不在中心，旋转时重心会发生上下震荡，作用在弹簧上的压力也随之变化，整个座椅就会产生一次振动。每当有音乐节奏时就会这样产生振动，这振动与音乐节奏一致。音乐节奏提取与驱动系统由音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块、微处理器模块和伺服电机驱动模块组成。具体见图2。音乐输入模块、缓冲放大模块、模数转换模块和微处理器模块都安装在电子控制模块里面。音乐节奏提取与驱动系统能够将音乐节奏提取出来并在节奏点时刻驱动伺服电机旋转。

图1

图2

2 音乐节奏提取与驱动系统硬件

音乐节奏提取与驱动系统硬件部分由信号预处理部分、微处理器模块和伺服电机驱动模块组成，具体电路见图3。

■2.1 信号预处理部分

信号预处理部分的功能主要是对音乐信号进行干扰隔离、放大、滤波和模数转换等处理，使得信号变为微处理器能够识别和处理的信号。信号预处理部分包括音乐输入模块、缓冲放大模块和模数转换模块。

(1)音乐输入模块

该模块的两根信号线和手机与耳机连接的两根线分别相连。这样能够将手机向耳机输送的音乐信号同时送往音乐节奏提取与驱动系统的缓冲放大模块。

(2)缓冲放大模块

该模块主要由BB公司的ISO102芯片和相关电路组成，使用该芯片可以将100mV左右的音乐信号放大10倍，达到1V左右。这样便于将信号送入模数转换模块后进行V/F（电压/频率）转换。另外，该芯片采用的是阻容耦合方式可以有效消除噪声干扰。

(3)模数转换模块

系统采用微处理器对音乐信号的节奏和能量进行提取，为了便于微处理器对信号节奏的提取，需要将经过缓冲放大的音频信号进行模数转换，将音频模拟信号各个固定时段内的平均能量用数字量表示。根据系统对信号的要求，模数转换模块采用TC9401芯片组成V/F（电压/频率）转换电路。

图3

■2.2 微处理器模块

微处理器使用由意法半导体ST公司生产的STM32F103处理器。该处理器使用高性能ARM Cortex-M32位RSIC内核，内置高速大容量存储器，具有丰富的增强I/O端口[1]。微处理器模块包括电源电路、复位电路、时钟电路和启动模式选择电路。

(1)电源电路

微处理器STM32F103处理器的电源工作电压为3.3V的高质量直流电源。提供这种电源需要使用LM2576T 5.0稳压芯片电路将通用12V直流电源降为5V。降压后5V电源具有较大的脉动，平稳性较差，再经AMS1117 3.3芯片电路降压后才能得到平稳的3.3V高质量直流电源，然后给处理器供电。

(2)复位电路

微处理器复位电路的作用是使微处理器恢复到起始状态。

(3)时钟电路

使用8MHz无源晶振，为微处理器提供硬件时序。使用32.768kHz晶振作为微处理器实时时钟。

(4)启动模式选择电路

通过Boot0和Boot1引脚不同的电平选择来选择不同的启动模式。当Boot0=1和Boot1=x时,用户闪存被选为启动区。当Boot0=1和Boot1=0时,用户内存被选为启动区。当Boot0=1和Boot1=1时,用户SRAM被选为启动区。本设计选择用户内存为微处理器启动区。

■2.3 伺服电机驱动模块

伺服电机驱动器采用东元TSTE20C伺服电机驱动器。伺服电机采用东元TSB08751C-2BT-3型伺服电机。

(1)伺服电机驱动器主电源电路

伺服电机驱动器的主电源端子R、S、T接三相20 0～230V交流电，伺服电机驱动器的U、V、W三相输出和接地脚分别与伺服电机电源相应脚连接，伺服电机驱动器能够根据接受微处理器发来的脉冲信号，然后频率调制并生成控制伺服电机旋转的U、V、W三相电源输出，从而控制伺服电机运动[2]。

(2)伺服电机驱动器信号电路

微处理器STM32F103将通过I/O接口向伺服电机驱动器CN1控制信号端的14脚发送控制伺服电机旋转的信号，使用的是设置好频率和脉冲个数的内置定时器。伺服电机驱动器接收到多少个微处理器发来的脉冲就会向伺服电机发送多少个PWM脉冲。微处理器内预分频器的值设为1，将是2分频，由于通用时钟2的频率为72MHz，这样使用通用定时器2（为微处理器内几个定时器之一）输出的脉冲波形频率为36MHz。伺服电机旋转一圈需要10000个PWM脉冲，1秒内最多有2个节奏点，一秒内最多需要发20000个脉冲，也就是20kHz的脉冲。微处理器的通用定时器2输出的脉冲波形频率36MHz大于20kHz，是可以达到要求的，并且能在很短的时间内让电机旋转一周，避免相邻两个节奏点混在一起。伺服电机驱动器的16脚接微处理器的16脚，用于接收微处理器输出的伺服电机转向信号，本设计只需要伺服电机向一个方向旋转，因此微处理器只需向这个端口输出低电平[3]。

伺服电机驱动器的CN2端口接伺服电机内的增量式编码器，增量式编码器用于反馈伺服电机的旋转位置给伺服电机驱动器，伺服电机驱动器收到反馈信号后再来控制伺服电机旋转，形成闭环控制，以达到精确控制伺服电机旋转的位置以及速度[4]。

3 音乐节奏提取与驱动系统软件设计

本设计的软件使用C语言编程。软件可以分为音乐节奏提取和音乐节奏驱动两部分。

■3.1 音乐节奏提取

由于音乐节拍在1秒内最多2个节拍，对节拍信号处理速度的要求不高，因此微处理器把1秒分为5个等时分点，分别求信号200ms的平均能量，从5个采样点中找出极大值作为节奏点输出。模数转换电路已用低频输出的方法处理音频信号。为了精确测量信号频率，微处理器采用测量周期间接转换为频率的方法，利用微处理器内部自带的时钟脉冲和高速计数器，通过高速计数器对时钟脉冲的计数实现系统定时功能。采用累计的方法测量信号周期，只需记录200ms内脉冲的个数以及第一个和最后一个脉冲的到来时间，就可以计算出该段时间内信号的平均周期。采用该方法，每隔200ms才作一次周期计算。信号周期可通过下式计算：

其中，K为计数器时间系数；PT和CT分别为第一个脉冲和最后一个脉冲到来时计数器的计数值；N为200ms内脉冲的个数。周期计算方法如下：

(1)脉冲个数初始化，令N＝0；

(2)记录第一个脉冲到来时计数器的计数值，记为PT，同时令N＝1；

(3)记录下一个脉冲到来时计数器的计数值，记为CT,同时令N=N+1；

(4)计 算 时 间 差 值tK=K× (CT−PT)， 若 结 果 小 于200ms则返回步骤(3)，直到满足K× (CT−PT)≥ 2 00ms，停止计数，通过式子计算周期T。测量得到的周期经倒数转换得到对应的信号平均频率。

通常音乐信号的节奏点时刻即为出现能量极大值的时刻，求出的平均频率与该段时间内的能量大小成正比。所以节奏提取算法为：在一段时间内，比较出采样点频率的极大值，作为节奏点。根据音乐节奏一秒钟左右出现一个节奏点的特点，将1秒内检测出的一个极大值作为节奏点输出。检测方法为：在某一时刻，比较它前面3个采样点的频率值，如果不小于前3个采样点的频率值就认为是节奏点，否则，不是节奏点，然后推迟到下一时刻再进行比较。具体流程见图4。由于采样点是200ms内信号的平均频率，利用该方法从采样点得到的极大值点与信号实际的频率最大值的误差最大不超过200ms，延时小，节奏提取准确性高。

图4

■3.2 音乐节奏驱动

微处理器每确定一个节奏点就立即使用定时器2，通过I/O接口向伺服电机驱动器CN1控制信号端发送频率为36MHz的10000个脉冲。伺服电机驱动器根据接收的脉冲信号，通过调制PWM波控制其供给伺服电机的三相电源，使得10000个脉冲正好可以驱动伺服电机转动一圈，伺服电机转动的时候带动凸轮旋转一圈，而由于凸轮重心不在旋转中心，旋转时重心会发生上下震荡，作用在弹簧上的压力也随之变化，因此整个座椅就会产生一次振动。其他节奏点也用同样的方法驱动。具体流程见图5。

图5

4 结束语

本设计的音乐节奏提取方法能准确提取音乐节奏，算法所占硬件资源较少，因此可以采用STM32F103微处理器作为音乐节奏提取与驱动的处理模块。这比使用普通计算机价格便宜许多，且性价比要高。另外，本设计采用的伺服电机驱动器外形精简而实用，其中驱动选择单模式位置控制方式，该方式可以准确控制伺服电机旋转角度，从而带动凸轮旋转，制造出与音乐一致的节奏，给人带来强烈的音乐节奏体验。