夏 彤，葉曉涵，胡 婷，隋竹翠

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

基于ARM的風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與應(yīng)用

夏 彤，葉曉涵，胡 婷，隋竹翠

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

以大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計(jì)為背景，該文介紹了基于ARM的風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與應(yīng)用。平臺(tái)整合了風(fēng)力擺系統(tǒng)上所需的所有電路模塊和實(shí)驗(yàn)裝置，包括單片機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊及懸掛軸風(fēng)力擺所需的支架；提供了控制風(fēng)力擺做不同軌跡運(yùn)動(dòng)的算法和CCS開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的配套代碼，可供學(xué)生參考和學(xué)習(xí)使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵操作控制風(fēng)力擺完成不同軌跡的運(yùn)動(dòng)，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；風(fēng)力擺

大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計(jì)綜合了電子信息類(lèi)所必修的數(shù)字電路技術(shù)、模擬電路技術(shù)、電路分析技術(shù)、自動(dòng)控制原理、微處理器設(shè)計(jì)與應(yīng)用、傳感器等多門(mén)課程的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)和動(dòng)手能力有著較高的要求，可引導(dǎo)學(xué)生注重創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和協(xié)作精神的培養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行電子設(shè)計(jì)、制作的綜合能力[1]。

本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM 的功能完善、方便調(diào)試的風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)整合了風(fēng)力擺系統(tǒng)上所需的所有電路模塊和實(shí)驗(yàn)裝置，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊及懸掛軸風(fēng)力擺所需的支架。同時(shí)提供控制風(fēng)力擺做不同軌跡運(yùn)動(dòng)的算法和CCS開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的配套代碼，可供學(xué)生參考和學(xué)習(xí)使用。該平臺(tái)是大學(xué)生自主創(chuàng)新與設(shè)計(jì)的有效實(shí)踐，且具有極強(qiáng)的可拓展性，可激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新應(yīng)用。

1 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

將一長(zhǎng)約 60 cm～70 cm 的碳素纖維細(xì)管上端用萬(wàn)向節(jié)固定在支架上，下方懸掛一組4只軸流風(fēng)機(jī)，構(gòu)成一風(fēng)力擺，如圖1所示。風(fēng)力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時(shí)，激光筆的下端距地面不超過(guò)20 cm。設(shè)計(jì)一測(cè)控系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)各風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，激光筆在地面畫(huà)出相應(yīng)的軌跡。

4臺(tái)額定電壓12 V，額定功率36 W的軸流風(fēng)機(jī)分別安裝在圖1所示的軸流風(fēng)機(jī)支架的4個(gè)側(cè)面上，形成4個(gè)正交方向的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)控制4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)控制4個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力大小，從而使整個(gè)擺運(yùn)動(dòng)，激光筆在地面的軌跡測(cè)試圖上畫(huà)出不同的軌跡，如圖1的虛線所示。

圖1 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖

2 風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

整個(gè)風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由圖1所示的支架實(shí)驗(yàn)裝置和控制所需的電路模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。電源模塊為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)供電，單片機(jī)輸出PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)后控制風(fēng)力擺，風(fēng)力擺的姿態(tài)同時(shí)通過(guò)傳感器反饋給單片機(jī)。

2.1 電路模塊總體設(shè)計(jì)

風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路部分組成圖如圖3所示。三軸陀螺儀和加速度傳感器安裝在圖1所示的碳素纖維管上。所選用的軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)置有編碼器。系統(tǒng)的硬件連接原理圖如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 硬件電路框圖

圖4 系統(tǒng)原理圖

2.2 單片機(jī)

MCU選用德州儀器生產(chǎn)的TM4C123G LaunchPad 開(kāi)發(fā)板，該板是基ARM? CortexTM-M4F 微控制器的Tiva C系列開(kāi)發(fā)平臺(tái)[8]。作為ARM系列的MCU，TM4C123G具有較強(qiáng)的信號(hào)運(yùn)算處理能力，具有擴(kuò)展的單周期乘法累加指令、優(yōu)化的單指令多數(shù)據(jù)運(yùn)算和單精度浮點(diǎn)運(yùn)算指令；另外，支持用于高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制的PWM(pulse width modulation)和QEI(quadrature encoder interface)功能[9]，并提供相應(yīng)的API函數(shù)。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

采用BTN7971模塊作為風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)模塊采用雙BTN7971大電流(68A)H橋驅(qū)動(dòng)[10]，并用74LS244做與單片機(jī)之間的隔離，可有效保護(hù)單片機(jī)，可輸出兩路PWM波。電路原理圖[11]如圖5所示。

圖5 BTN7971驅(qū)動(dòng)模塊

2.4 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器選用三軸加速度計(jì)和陀螺儀集成芯片MPU-6050。其角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 °/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2 g、±4 g、±8 g與±16 g，靈敏度高[12]。電路原理圖如圖7所示。為減小由安裝帶來(lái)的角度誤差，先將MPU6050芯片固定在L型直角架的一邊上，再將L型直角架另一邊固定在碳素纖維管靠近萬(wàn)向節(jié)的一段，使MPU6050芯片Z軸與碳素纖維管保持平行,原理圖如圖6所示。

圖6 MPU6050模塊

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

考慮到驅(qū)動(dòng)所需電流大，功率高，處于安全和穩(wěn)定考慮，本系統(tǒng)采用雙電源供電[13]。

考慮到4臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)同時(shí)工作時(shí)電流可達(dá)十幾安，所以用對(duì)除單片機(jī)以外的模塊均采用開(kāi)關(guān)電源供電；選用SE-600-12即可保證提供足夠大的功率。

另外，采用12 V鋰電池穩(wěn)壓后給單片機(jī)供電,采用LM7805芯片作為穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)供電[14]。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 算法

3.1.1 起擺算法

當(dāng)風(fēng)力擺在既定平面內(nèi)做小角度擺動(dòng)時(shí)，可近似為單擺運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的周期為：

(1)

式中，L為擺長(zhǎng)，擺桿一定時(shí)，單擺周期可計(jì)算得到，可得風(fēng)力擺的近似周期[15]。

本系統(tǒng)采用4個(gè)36 V的直流軸流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力，裝置有一定的質(zhì)量，在風(fēng)機(jī)風(fēng)速有限的情況下，需要采用更合適的驅(qū)動(dòng)方法。由共振效應(yīng)可知，風(fēng)機(jī)自身的驅(qū)動(dòng)頻率與單擺運(yùn)動(dòng)頻率相同時(shí)，振動(dòng)振幅可達(dá)到最大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，給軸流風(fēng)機(jī)提供占空以單擺周期為周期且按正弦變化的PWM波時(shí)系統(tǒng)共振，響應(yīng)最快，擺動(dòng)幅度最大。

3.1.2 擺桿姿態(tài)的解算

擺桿與豎直方向的傾角為θ，擺桿在地面的投影與相對(duì)零度的夾角為φ，如圖7所示。MPU6050的Z軸與沿?cái)[桿平行，X軸和Y軸垂直于飛桿，輸出的加速度aX,aY，aZ可演算出θ、φ；

X軸與水平面夾角為：

(2)

Y軸與水平面夾角為：

(3)

則可得：

(4)

再通過(guò)卡爾曼濾波，得到校正值[16]。

圖7 擺桿姿態(tài)示意圖

3.1.3 軌跡算法

建立如圖8所示坐標(biāo)系，方塊所代表的4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)分別位于X軸正半軸、X軸負(fù)半軸、Y軸正半軸和Y軸負(fù)半軸?？蓱?yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解法則來(lái)控制風(fēng)力擺做不同軌跡的運(yùn)動(dòng)。如振幅相同、相位差為90°的兩個(gè)正交方向的正弦運(yùn)動(dòng)的和運(yùn)動(dòng)為圓周運(yùn)動(dòng)。假設(shè)提供給風(fēng)機(jī)的是占空比按正弦變化的PWM波，位于軸流風(fēng)機(jī)1和3的PWM波占空比相位相反，同樣軸流風(fēng)機(jī)2和4的PWM波占空比相位也相反，而軸流風(fēng)機(jī)1和2、3和4的PWM波占空比相位差為90°，此時(shí)和運(yùn)動(dòng)應(yīng)為近似圓周運(yùn)動(dòng)。雖然風(fēng)機(jī)受空氣的反作用力的大小與PWM波占空比不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，但可利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)PID控制器[17]來(lái)控制占空比，使運(yùn)動(dòng)軌跡趨近目標(biāo)軌跡。

圖8 坐標(biāo)系俯視圖

3.2 程序流程圖

程序流程圖如圖9所示。按鍵是4×4無(wú)源矩陣鍵盤(pán)，采用線反轉(zhuǎn)法進(jìn)行掃描[21]，控制模式切換。選擇模式后，根據(jù)事先擬合好的對(duì)應(yīng)于指定軌跡的PWM波占空比對(duì)4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)利用MPU6050反饋的擺桿角度及軸流風(fēng)機(jī)的編碼器反饋的轉(zhuǎn)速對(duì)占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，直到風(fēng)力擺能穩(wěn)定地畫(huà)出指定軌跡。

圖9 程序流程圖

不同模式下的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，對(duì)應(yīng)的程序復(fù)雜度不同，用到的算法也不相同，可供不同程度的學(xué)生參考學(xué)習(xí)，更加鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生自行拓展出新的模式，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和分析

風(fēng)力擺起擺后，位于擺桿底端的激光筆可在平鋪于風(fēng)力擺正下方的軌跡測(cè)試圖上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡，即可判斷算法是否正確有效。也可利用單片機(jī)與上位機(jī)的通信，將MPU6065反饋的擺桿姿態(tài)實(shí)時(shí)傳送回PC機(jī)，再利用Matlab等應(yīng)用程序畫(huà)出風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)軌跡，以便更好地分析評(píng)估。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，風(fēng)力擺擺桿長(zhǎng)65 cm，水平放置時(shí)，底端距地面15 cm，設(shè)置模式為畫(huà)圓，軌跡半徑為45 cm。上位機(jī)監(jiān)測(cè)的θ、φ的值如圖10所示，圖10中上圖顯示為θ，下圖為φ，θ保持在30°左右，φ從-180°～180°周期性變化。該測(cè)量值符合以定長(zhǎng)半徑做圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，且實(shí)際軌跡半徑約為(65+15)/sin(30°)=46 cm，誤差在可接受范圍內(nèi)。

實(shí)測(cè)表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵操作控制風(fēng)力擺完成不同軌跡的運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性高、可重復(fù)，便于二次開(kāi)發(fā)和利用。

圖10 上位機(jī)監(jiān)測(cè)值

5 結(jié)束語(yǔ)

以大學(xué)生自主創(chuàng)新與電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，介紹了風(fēng)力擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與應(yīng)用。該平臺(tái)整合了風(fēng)力擺系統(tǒng)上所需的所有電路模塊和實(shí)驗(yàn)裝置，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊及懸掛軸風(fēng)力擺所需的支架。同時(shí)提供控制風(fēng)力擺做不同軌跡運(yùn)動(dòng)的算法和CCS開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的配套代碼，可供參考和學(xué)習(xí)使用。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)電子信息類(lèi)多門(mén)課程的綜合，適用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)為準(zhǔn)備參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生提供了一個(gè)快速入門(mén)的機(jī)會(huì)，可加深學(xué)生對(duì)理論課程的理解。該平臺(tái)具有極強(qiáng)的可拓展性，可激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新，拓展出更多功能。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究得到了武漢大學(xué)設(shè)備處實(shí)驗(yàn)開(kāi)放項(xiàng)目的大力支持，特在此表示感謝。

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DesignandApplicationoftheWind-pendulumExperimentalPlatformBasedonARM

XIA Tong，YE Xiaohan，HU Ting，SUI Zucui

(School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

In view of the independent innovation and electronic design of college students，this paper introduces the research and application of the wind-pendulum platform based on ARM.The experimental platform integrates all the circuit modules and experimental devices required on the wind-pendulum system，including MCU，axial fan driver module，measurement module，power module，human-computer interaction module and the stand used for hanging the pendulum.At the same time，the algorithm for the wind-pendulum’s moving at different trajectory and corresponding code based on CCS are also provided for reference and learning to use.The experiment results show that experimental platform can realize the movement of different trajectories by controlling the wind-pendulum operation.The experimental phenomenon is obvious.

college students’ autonomous innovation and electronic design；experimental platform；experimental teaching；wind-pendulum

2016-03-16；修改日期:2016-04-29

武漢大學(xué)自主式開(kāi)放實(shí)驗(yàn)(WHU-2016-KFSy-03)。

夏彤(1995-)，女，本科生，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

隋竹翠，講師，主要從事課程與教學(xué)論及教育學(xué)方面的研究，scz@whu.edu.cn

TP23

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.011