摘 要： 介紹了自由擺平板控制系統的設計及實現。其硬件系統主要包括S3C2440嵌入式最小系統、步進電機驅動器、輸入及顯示、傳感器系統4個部分。軟件部分實現傳感器數據采集、步進電機控制、控制算法實現及整體系統協調。通過對軟硬件的整體調試使系統達到設計要求，性能優越。
關鍵詞： S3C2440；MMA7455；自由擺；平板控制；PID
本設計的重點在于通過加速度傳感器MMA7455采集各關節處角度信息，并根據得到的角度值及任務要求控制步進電機的運轉，完成自由擺臂末端平板姿態的調整，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完成加速度值到角度值的轉換，其次實踐證明MMA7455加速度傳感器穩定性較差，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“穩、準、快”的設計要求。綜上所述，本系統中存在大量的數據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，一方面能保證系統基本功能的實現，另一方面有助于系統中各種性能指標的提升。
1 硬件系統設計
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構成嵌入式最小系統[1-4]。Nor Flash和Nand Flash同時存在的好處在于Nor Flash中存放BootLoader完成系統調試及NandFlash中程序的燒寫，方便調試。系統設計了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)口接步進電機驅動器。如圖1所示。
2 軟件系統設計
本系統軟件設計相對較復雜，既要考慮系統基本功能的實現，又要考慮系統易于使用。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，系統主流程如圖2所示。
2.3 平板旋轉任務的實現
單擺一個擺動周期為2 s，步進電機旋轉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一圈的要求。
2.4 硬幣疊放任務實現
如圖6所示，將擺桿拉至一固定角度α(α在45°～60°之間)，系統通過平板底部角度傳感器采集平板的傾角，根據PID算法控制步進電機將平板調至水平狀態。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Z軸加速度值的大小判斷松手時刻，與此同時通過轉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α角度(即平板與擺桿垂直)。經受力分析可知，在平板與擺桿垂直狀態時，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），硬幣不會從平板滑落（對應多枚模式）。
參考文獻
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