一款基于DSP的循跡及自平衡的智能小車設(shè)計(jì)

摘要：本系統(tǒng)選用TI公司32位DSPTMS320F28027作為控制芯片，設(shè)計(jì)制作了一款能夠循跡并尋找平衡的智能小車。根據(jù)所給定的跑道和跑道上的位置標(biāo)志對小車進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和程序編寫。循跡分為前后各4路循跡，采用的是4路紅外循跡模塊，保證了小車能夠前進(jìn)后退均在指定路線上。

關(guān)鍵詞：TMS320F28027芯片;紅外循跡;傾角傳感器;模數(shù)轉(zhuǎn)換器

引言

本系統(tǒng)選取了32位TMS320F28027作為運(yùn)動物體的控制中心。TMS320F28027具有豐富的資源，擁有32位架構(gòu)、高級外設(shè)、高度的模擬集成、高達(dá)128 KB的快閃存儲器，同時還包括功能強(qiáng)大的ADC、高分辨率PWM以及濕著增強(qiáng)的捕獲單元等眾多特性優(yōu)異的組件、高精度片上振蕩器、模擬比較器、上電復(fù)位與掉電保護(hù)等在內(nèi)的各種集成模塊。本文以電動車蹺蹺板的設(shè)計(jì)為例，介紹了TMS320F28027的PWM電機(jī)調(diào)速、A/D采樣、中斷和I/O口等的操作和控制，以及LCD、L298n、紅外循跡等外部擴(kuò)展硬件的連接技巧和方法。

1 小車功能介紹

1.1 按鍵和顯示功能

按鍵操作：使用3個按鍵分別進(jìn)行選擇、確認(rèn)、退出功能操作，在系統(tǒng)上電后，顯示界面進(jìn)入主菜單，通過“選擇”按鍵塒“板上尋平衡”、“上板尋平衡”兩個功能進(jìn)行選擇，選定結(jié)束按下“確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)進(jìn)入對應(yīng)函數(shù)，此時可以按下“退出”鍵退出對應(yīng)的功能函數(shù)。

顯示功能：LCD實(shí)時顯示小車的傾角和小車正在執(zhí)行的功能，成功完成一項(xiàng)操作后LCD給出“OK”的指示，同時在每項(xiàng)操作進(jìn)行時顯示其操作所用時間，完成所有任務(wù)后顯示出每項(xiàng)操作所耗時間。

1.2 “板上尋平衡”功能

在不加配重的情況下，電動車完成以下運(yùn)動：

①電動車從起始端點(diǎn)A出發(fā)，快速行駛到中心點(diǎn)C附近;

②電動車在中心點(diǎn)C附近盡快使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5 s，并給出明顯的平衡指示;

③電動車從步驟②中的平衡點(diǎn)出發(fā)，快速行駛到蹺蹺板末端B處(車頭距蹺蹺板末端B不大于50 mm);

④電動車在B點(diǎn)停止5 s后，快速倒退回起始端A，完成整個行程;

⑤在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時顯示電動車行駛所用的時間。

其中，到達(dá)C點(diǎn)附近和倒退回A點(diǎn)有紅外循跡裝置配合循跡標(biāo)志完成，尋找平衡主要由傾角傳感器檢測小車狀態(tài)控制小車前后移動完成。

1.3 “上板尋平衡”功能

將配重固定在可調(diào)整范圍內(nèi)任一指定位置，電動車完成以下運(yùn)動：

①將電動車放置在地面距離蹺蹺板起始端A點(diǎn)300 mm以外、90°扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置(車頭朝向蹺蹺板)，電動車能夠自動駛上蹺蹺板，如圖1所示。

②電動車在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上。

③將另一塊質(zhì)量為電動車質(zhì)量10%～20%的塊狀配重放置在如圖2所示中A至C間指定的位置，電動車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上。

1.4 跑道和小車介紹

(1)小車跑道

跑道分為兩個部分：矩形部分的蹺蹺板和扇形部分的地面區(qū)域。圖2中兩側(cè)箭頭代表循跡標(biāo)識，蹺蹺板中間箭頭為后退的循跡標(biāo)識。在蹺蹺板中部C點(diǎn)放置蹺蹺板支架，保證蹺蹺板可自由擺動。

(2)小車循跡模塊安裝位置

主要介紹小車循跡模塊的安裝位置，以保讓小車能夠正確循跡。前進(jìn)循跡由小車前部左右各兩路的紅外循跡裝置完成，位置配合蹺蹺板上前進(jìn)循跡線安裝。后退循跡由小車后部的4路紅外循跡裝置完成，位置配合蹺蹺板上后退循跡線安裝。安裝位置如圖3所示。

2 功能模塊電路連接

2.1 系統(tǒng)總體模型

TI公司32位DSP TMS320F28027為系統(tǒng)的控制芯片，系統(tǒng)通過7 V穩(wěn)壓直流電源給電機(jī)供電，同時7 V穩(wěn)壓電源經(jīng)LM8965穩(wěn)壓模塊輸出5V電壓后給其他模塊供電。在上電過后使用獨(dú)立按鍵配合LCD12864實(shí)現(xiàn)功能選擇，選擇功能結(jié)束，小車在紅外循跡模塊的引導(dǎo)下到達(dá)指定地點(diǎn)開始尋找平衡，此時系統(tǒng)對傾角傳感器輸出電壓進(jìn)行A/D采樣并將數(shù)據(jù)傳輸給芯片處理，然后芯片輸出信號對L298N驅(qū)動的直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，配合光電碼盤控制小車在蹺蹺板上移動以實(shí)現(xiàn)平衡點(diǎn)尋找。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.2 L298N驅(qū)動連接電路

L298N是一塊雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，主要是對直流電機(jī)進(jìn)行PWM轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行PWM細(xì)分操作。驅(qū)動部分的端子電壓Vs在+5～+35 V，承載最大電流為2 A;邏輯部分的工作電壓為5～7 V，電流為0～36 mA，低電平有效值為-0.3～1.5 V，高電平有效值為2.3 V～Vss。該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時有效，設(shè)置IN1和IN2的輸入電平確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，改變輸入使能端PWM脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速。(注意：當(dāng)使能信號為0時，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài);當(dāng)使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動。)

由于小車采用的是左右兩側(cè)速度差轉(zhuǎn)向，所以為了節(jié)省I/O口，電機(jī)連接時使用一個I/O配合使能端控制一側(cè)的兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速使能端控制轉(zhuǎn)速，I/O口控制轉(zhuǎn)向。具體操作：同側(cè)的兩個電機(jī)并聯(lián)，電機(jī)一端通過I/O口經(jīng)L298N控制，另一端從同一I/O口引出一根信號線經(jīng)一非門后由L298N控制。具體電路連接如圖5所示(其中MG1～MG4為4個直流電機(jī))。