摘 要: 介紹了自由擺平板控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn),。其硬件系統(tǒng)主要包括S3C2440嵌入式最小系統(tǒng),、步進電機驅(qū)動器、輸入及顯示,、傳感器系統(tǒng)4個部分,。軟件部分實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、步進電機控制,、控制算法實現(xiàn)及整體系統(tǒng)協(xié)調(diào),。通過對軟硬件的整體調(diào)試使系統(tǒng)達到設(shè)計要求,性能優(yōu)越。
關(guān)鍵詞: S3C2440,;MMA7455;自由擺,;平板控制,;PID
本設(shè)計的重點在于通過加速度傳感器MMA7455采集各關(guān)節(jié)處角度信息,并根據(jù)得到的角度值及任務要求控制步進電機的運轉(zhuǎn),,完成自由擺臂末端平板姿態(tài)的調(diào)整,,完成預定任務。通過MMA7455加速度傳感器得到的是三軸加速度信息,,而在實際控制過程中所需要的是角度信息,,所以要用到三角函數(shù)完成加速度值到角度值的轉(zhuǎn)換,其次實踐證明MMA7455加速度傳感器穩(wěn)定性較差,,需要通過滑動平均濾波算法對得到的三軸加速度值進行濾波處理,,以達到精確控制的目的。而對于步進電機的精確控制則需要PID控制算法以去除控制過程中的抖動,,達到自控系統(tǒng)“穩(wěn),、準、快”的設(shè)計要求,。綜上所述,,本系統(tǒng)中存在大量的數(shù)據(jù)運算及控制算法并且對實時性要求較高,因此選用主頻高達400 MHz的S3C2440作為主控芯片,,一方面能保證系統(tǒng)基本功能的實現(xiàn),,另一方面有助于系統(tǒng)中各種性能指標的提升。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
本自由擺平板控制板采用S3C2440作為主控芯片,,外接Nor Flash AM29LV160DB,、Nand Flash K9F1208及兩塊SDRAM HY57V561620構(gòu)成嵌入式最小系統(tǒng)[1-4]。Nor Flash和Nand Flash同時存在的好處在于Nor Flash中存放BootLoader完成系統(tǒng)調(diào)試及NandFlash中程序的燒寫,,方便調(diào)試,。系統(tǒng)設(shè)計了5個功能按鍵分別接到S3C2440 5個外部中斷引腳(EINT8、11,、13,、14、15),,另外接5個LED(GPH9,、GPH10、GPF6,、GPG1,、GPB1)作為各類狀態(tài)的指示信號。通過S3C2440 6個普通I/O口模擬兩路IIC接口(GPF0~GPF5)分別接加速度傳感器1、2,。4個I/O(GPE11,、12、13,、GPG2)口接步進電機驅(qū)動器,。如圖1所示。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)軟件設(shè)計相對較復雜,,既要考慮系統(tǒng)基本功能的實現(xiàn),,又要考慮系統(tǒng)易于使用。從軟件功能看,,主程序主要完成鍵值處理,、LED顯示、調(diào)用相應任務子程序模塊以及各個任務模塊下相應算法的實現(xiàn),,系統(tǒng)主流程如圖2所示,。
2.3 平板旋轉(zhuǎn)任務的實現(xiàn)
單擺一個擺動周期為2 s,步進電機旋轉(zhuǎn)1°需要4個脈沖,,故此任務中只需控制脈沖輸出頻率為720 Hz即可完成單擺擺動一個周期平板尋轉(zhuǎn)一圈的要求,。
2.4 硬幣疊放任務實現(xiàn)
如圖6所示,將擺桿拉至一固定角度α(α在45°~60°之間),,系統(tǒng)通過平板底部角度傳感器采集平板的傾角,,根據(jù)PID算法控制步進電機將平板調(diào)至水平狀態(tài)。將8枚硬幣整齊疊放在平板中心位置,,此時Z軸的加速度值等于1 g,;放手后平板會略微傾斜,此時Z軸的加速度值小于1 g,,因此可根據(jù)Z軸加速度值的大小判斷松手時刻,,與此同時通過轉(zhuǎn)軸處的加速度傳感器采集擺桿與垂直方向的夾角(即擺角α),并控制步進電機偏轉(zhuǎn)α角度(即平板與擺桿垂直),。經(jīng)受力分析可知,,在平板與擺桿垂直狀態(tài)時,各枚硬幣X和Y方向所受合力均為0(即硬幣處于平衡狀態(tài)),,硬幣不會從平板滑落(對應多枚模式),。
參考文獻
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