摘  要： 介紹了自由擺平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。其硬件系統(tǒng)主要包括S3C2440嵌入式最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、輸入及顯示、傳感器系統(tǒng)4個(gè)部分。軟件部分實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、步進(jìn)電機(jī)控制、控制算法實(shí)現(xiàn)及整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)。通過(guò)對(duì)軟硬件的整體調(diào)試使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)的重點(diǎn)在于通過(guò)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(wù)要求控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成自由擺臂末端平板姿態(tài)的調(diào)整，完成預(yù)定任務(wù)。通過(guò)MMA7455加速度傳感器得到的是三軸加速度信息，而在實(shí)際控制過(guò)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(shí)踐證明MMA7455加速度傳感器穩(wěn)定性較差，需要通過(guò)滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)得到的三軸加速度值進(jìn)行濾波處理，以達(dá)到精確控制的目的。而對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的精確控制則需要PID控制算法以去除控制過(guò)程中的抖動(dòng)，達(dá)到自控系統(tǒng)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的設(shè)計(jì)要求。綜上所述，本系統(tǒng)中存在大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算及控制算法并且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此選用主頻高達(dá)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(shí)現(xiàn)，另一方面有助于系統(tǒng)中各種性能指標(biāo)的提升。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    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(shí)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(xiě)，方便調(diào)試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)功能按鍵分別接到S3C2440 5個(gè)外部中斷引腳(EINT8、11、13、14、15)，另外接5個(gè)LED(GPH9、GPH10、GPF6、GPG1、GPB1)作為各類狀態(tài)的指示信號(hào)。通過(guò)S3C2440 6個(gè)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(gè)I/O(GPE11、12、13、GPG2)口接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。如圖1所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較復(fù)雜，既要考慮系統(tǒng)基本功能的實(shí)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(yīng)任務(wù)子程序模塊以及各個(gè)任務(wù)模塊下相應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主流程如圖2所示。

2.3 平板旋轉(zhuǎn)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

    單擺一個(gè)擺動(dòng)周期為2 s，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1°需要4個(gè)脈沖，故此任務(wù)中只需控制脈沖輸出頻率為720 Hz即可完成單擺擺動(dòng)一個(gè)周期平板尋轉(zhuǎn)一圈的要求。
2.4 硬幣疊放任務(wù)實(shí)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(guò)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(jìn)電機(jī)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(shí)Z軸的加速度值等于1 g；放手后平板會(huì)略微傾斜，此時(shí)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(shí)刻，與此同時(shí)通過(guò)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(jìn)電機(jī)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(shí)，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(huì)從平板滑落（對(duì)應(yīng)多枚模式）。

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