宋文龍+呂迎春+秦建敏+田建艷

摘 要： 研發(fā)一種基于MSP430G2553單片機(jī)和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)。按模塊設(shè)計(jì)了主要硬件電路。為了提高調(diào)速性能，在電流速度雙閉環(huán)中的速度環(huán)中采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法。最后給出系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求，并具有更好的性能。

關(guān)鍵詞： MSP430G2553； 跑步機(jī)； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； PWM

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0150?04

電動(dòng)跑步機(jī)已成為家庭首選的健身器材，設(shè)計(jì)出一款高性能的電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。本文設(shè)計(jì)了一種家用電動(dòng)跑步機(jī)控制系統(tǒng)，并給出了主要硬件電路圖和軟件編寫流程圖。為了達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的，調(diào)速采用了電流與速度雙閉環(huán)控制方式，其中電流環(huán)采用PI控制算法，而在速度環(huán)中采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示，系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430G2553為控制器，由按鍵、心率檢測(cè)、顯示、直流電機(jī)控制和檢測(cè)電路、升降電機(jī)控制和檢測(cè)電路以及電源變換模塊組成。

上電后，可通過按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、設(shè)置速度和坡度等功能。設(shè)置速度后，將設(shè)定值與實(shí)時(shí)檢測(cè)值進(jìn)行比較；若存在偏差，則采用數(shù)字式雙閉環(huán)PWM方式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電流環(huán)PI控制以及速度環(huán)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制，再利用單片機(jī)產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)芯片MC34151控制MOS管IRF460的通斷，改變加在電機(jī)兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。設(shè)置坡度后，通過檢測(cè)模擬電壓的方法來檢測(cè)升降位置，利用與設(shè)定值比較結(jié)果來控制繼電器的通斷，調(diào)節(jié)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)型異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。心率的檢測(cè)使用TM998模塊，該模塊可以檢測(cè)到每個(gè)心跳信號(hào)，據(jù)此可計(jì)算出心率。顯示電路可以顯示速度、路程、心率以及消耗的卡路里等參數(shù)。此外，還有過流過壓檢測(cè)電路，保證系統(tǒng)的安全。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MSP430G2553介紹

MSP430G2553是超低功耗混合信號(hào)微控制器，采用16位精簡(jiǎn)指令集（RISC）架構(gòu)，有16 KB FLASH和512 B RAM，低電源電壓范圍1.8～3.6 V，有2個(gè)16位Timer_A，提供了多達(dá)3個(gè)8位I/O端口，端口P1和P2都具有中斷功能，一個(gè)10 位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，一個(gè)多用途模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。系統(tǒng)中采用28引腳的TSSOP封裝的型號(hào)。

2.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖如圖2所示，齒輪信號(hào)盤安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，HZL201霍爾齒輪傳感器垂直于信號(hào)盤安裝。當(dāng)信號(hào)盤隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤的每個(gè)齒輪經(jīng)過探頭正前方時(shí)HZL201傳感器會(huì)輸出一個(gè)近似方波的脈沖信號(hào)。此信號(hào)的高電平高介于14 V與15 V之間，低電平接近于0 V。信號(hào)經(jīng)8050三極管整形電路后接MSP430G2553單片機(jī)的P1.2腳。當(dāng)HZL201輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，P1.2端電壓為0，當(dāng)HZL201輸出低電平時(shí)，三極管截止，P1.2端電壓約為3 V。P1.2腳配置為輸入、上升沿觸發(fā)中斷，在單片機(jī)內(nèi)部采用周期法計(jì)算得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]。

2.3 電流檢測(cè)電路

為降低電路復(fù)雜度和節(jié)約成本，電流信號(hào)的采集使用采樣電阻來實(shí)現(xiàn)電流的采集。將0.01 Ω的精密采樣電阻接在IRF460 S極，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過放大電路把電壓放大至單片機(jī)引腳承受電壓范圍內(nèi)。設(shè)定10 A電流對(duì)應(yīng)A/D滿量程，電壓放大倍數(shù)為[30.1]=30。因?yàn)檫\(yùn)放LM358并非軌對(duì)軌輸出，所以設(shè)定其放大倍數(shù)為20倍；又考慮到運(yùn)放增益帶寬積的限制，采用兩級(jí)同向比例放大電路實(shí)現(xiàn)，兩級(jí)放大倍數(shù)分別為5倍和4倍。電流檢測(cè)電路原理圖如圖3所示，其中RC網(wǎng)絡(luò)用于濾除電流信號(hào)中的高頻噪聲，二極管用于對(duì)調(diào)理電路輸出電壓進(jìn)行限幅。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)芯片采用MC34151，它是為數(shù)字電路低電流驅(qū)動(dòng)高轉(zhuǎn)換速率的大電容負(fù)載而設(shè)計(jì)的雙逆變高速驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立雙通道1.5 A推挽電路輸出，與CMOS/LSTTL兼容，在高頻下運(yùn)行良好。開關(guān)管使用N溝道MOS管IRF460，其最大工作電壓和電流分別為600 V和21 A，導(dǎo)通電阻為0.27 Ω，開關(guān)速度快、工作頻率高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，PWM信號(hào)由單片機(jī)MSP430G2553的P1.1引腳輸出，接MC34151的輸入端INA和INB，MC34151的輸出端OUTA接IRF460的G端。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，MC34151輸出高電平，IRF460導(dǎo)通，直流電壓加在電機(jī)兩端，反之關(guān)斷。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，就可以調(diào)節(jié)加在直流電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.5 坡度調(diào)節(jié)電路

跑臺(tái)坡度的調(diào)節(jié)采用單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其額定電壓和額定電流分別為AC 220 V和0.5 A。坡度調(diào)節(jié)電路原理圖如圖5所示。當(dāng)P1.3輸出高電平時(shí)，K2閉合，白、黑兩引線間接入交流電，跑臺(tái)升高；當(dāng)P3.1輸出高電平時(shí)，K3閉合，白、紅引線間接入交流電，跑臺(tái)降低；當(dāng)P1.3，P3.1都輸出低電平，K2，K3都斷開，跑臺(tái)高度不變。繼電器工作電流為30 mA，單片機(jī)引腳輸出電流難以驅(qū)動(dòng)，因此選用8050三極管作為驅(qū)動(dòng)元件。升降位置反饋信號(hào)為0～3 V模擬電壓，將此信號(hào)送入MSP430G2553單片機(jī)引腳P1.5，并將P1.5配置為A/D功能，即可獲取當(dāng)前升降位置。

2.6 心率檢測(cè)電路

TM998是一款手握心跳偵測(cè)模組，利用ECG原理，將表面電極置于人體皮膚上來量度從心臟所產(chǎn)生的電位差，據(jù)此產(chǎn)生心跳信號(hào)。心率檢測(cè)電路原理圖如圖6所示。

TM998的O引腳輸出的是脈沖信號(hào)，即心臟每跳動(dòng)一下產(chǎn)生一個(gè)脈沖。脈沖輸入單片機(jī)P1.6引腳，P1.6腳配置為輸入、上升沿觸發(fā)中斷。心率值計(jì)算公式為：心率值=60×[1T]。其中，T為兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。因?yàn)樾穆仕俾瘦^慢，可以在中斷程序中進(jìn)行中值濾波和滑動(dòng)平均值濾波處理后，獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量值[3?4]。該模塊有幾十微秒到幾百微秒的尖波干擾信號(hào)，若兩次脈沖間隔時(shí)間小于250 ms就可判定有干擾信號(hào)出現(xiàn)，需要濾除掉。

3 控制算法

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，啟動(dòng)時(shí)間短，超調(diào)量小，因此系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，采用傳統(tǒng)PI控制算法，能有效地克服電壓波動(dòng)的影響；外環(huán)為速度環(huán)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力、泛化能力和容錯(cuò)能力，傳統(tǒng)PID的具有魯棒性強(qiáng)和抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來，能在保證控制精度的前提下，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和魯棒性[5]。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)性，可以更容易地獲得合適的PID參數(shù)。

系統(tǒng)性能主要由外環(huán)決定，同時(shí)外環(huán)也能抑制內(nèi)環(huán)擾動(dòng)的影響，因此將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器加于速度外環(huán)。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制原理方框圖如圖7所示。

PID控制由比例、積分和微分環(huán)節(jié)組成，系統(tǒng)中采用增量式數(shù)字PID控制算法：

[k=uk-1+KPek-ek-1+KIek+ KD[ek-2ek-1+e（k-2）]] （1）

式中，[KP，KI，KD]為比例、積分、微分系數(shù)。

采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示[6]。此網(wǎng)絡(luò)的輸出如式（2）所示：

[opk=fi=1qωkigj=1Mωijxpj-θj-θk， i=1，2，…，q， k=1，2，…，L] （2）

式中：[xpj]和[opk]分別為輸入層節(jié)點(diǎn)j和輸出層節(jié)點(diǎn)k在樣本p作用時(shí)的輸出； f（·），g（·）分別為輸出層和隱藏層的激活函數(shù)，均取Sigmoid函數(shù)；M，q和k分別為輸入層、隱含層和輸出層的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；ωij為輸入層神經(jīng)元j與隱含層神經(jīng)元i之間的連接權(quán)值；θi為隱含層神經(jīng)元i的閾值；ωki為隱含層神經(jīng)元i和輸出層神經(jīng)元k之間的連接權(quán)值；θk為輸出層神經(jīng)元k的閾值。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為轉(zhuǎn)速偏差e、偏差變化率Δe以及速度反饋值n，輸出為PID參數(shù)KP，KI和KD。

考慮到MSP430G2553單片機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間的限制，在PC機(jī)上采用Matlab軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練等，即采用離線訓(xùn)練的方式，這樣在MSP430G2553單片機(jī)中只需考慮前向傳播過程。對(duì)于訓(xùn)練完畢的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，式（2）中的參數(shù)ωij，ωki，θi，θk都是確定值，可以利用這些編寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算程序并嵌入到MSP40G2553中。在程序運(yùn)行過程中，就可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)得到相應(yīng)的PID參數(shù)[7]KP，KI和KD。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，在IAR Embedded Workbench環(huán)境下進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件由主程序、系統(tǒng)子程序和中斷服務(wù)子程序組成。主程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)初始化后，要求用戶輸入性別、體重等生理參數(shù)，然后進(jìn)行按鍵輪詢。按下SELECT鍵，可以選擇自定義程式或預(yù)置程式，若第一次按下START鍵，以自主程式運(yùn)行，即鍛煉者可以根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)整跑步機(jī)的速度與坡度。此外，在某程式運(yùn)行過程中，也可調(diào)節(jié)速度或坡度的操作。預(yù)置程式是固化在內(nèi)部FLASH的代碼，包括走步程式、跑步程式、減肥程式、心肺鍛煉程式以及智能程式。執(zhí)行預(yù)置程式時(shí)，無需人工干預(yù)，跑步機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程式對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方案。選擇自定義程式時(shí)，用戶可以根據(jù)自身狀況定制個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)方案。

系統(tǒng)有個(gè)5子程序。調(diào)速子程序根據(jù)設(shè)定值和采樣值的比較結(jié)果，依據(jù)控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比。調(diào)坡子程序包含坡度采樣功能，通過采樣獲得的實(shí)際值和設(shè)定值來控制繼電器的通斷時(shí)間。計(jì)算子程序通過用戶的體重、當(dāng)前的速度和運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算路程以及消耗的卡路里。顯示子程序刷新顯示。停機(jī)子程序?qū)⑵露群退俣葴p為零。

中斷子程序有4個(gè)。速度采樣中斷子程序在每次速度采樣通道產(chǎn)生中斷時(shí)調(diào)用，采用周期法計(jì)算速度。心率中斷計(jì)算子程序在心率檢測(cè)通道產(chǎn)生中斷時(shí)調(diào)用，完成心率的計(jì)算。定時(shí)中斷子程序中要包含喂狗功能。過壓過流中斷子程序在過流過壓時(shí)調(diào)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)很好地利用了MSP430G2553的資源，設(shè)計(jì)的硬件電路合理。采用的控制算法將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)PID相結(jié)合，使系統(tǒng)獲得較好的調(diào)速性能，并實(shí)現(xiàn)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID與MSP430G2553單片機(jī)的結(jié)合。系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有很好的穩(wěn)定性和精確性，有很好的實(shí)用價(jià)值。

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