王獻加

摘 要：本文將在DSP+單片機的基礎上，對主從式電動輪椅控制器進行詳細的設計分析，以此為提高電動輪椅的控制靈活性、應用安全性奠定良好的基礎。

關鍵詞：DSP+單片機;主從式電動輪椅;控制器;設計

電動輪椅是以電能為動力支撐的智能設備，它的操作簡單，不會對環(huán)境造成污染，在幫助腿腳不便的中老年人出行方面有積極意義，是殘疾人心目中較為理想的一種代步車型。但就國內(nèi)在電動輪椅的制造方面來說，目前我國在電動輪椅的生產(chǎn)制造方面有些關鍵零件仍需要從國外獲取，尤其是在電動輪椅的控制器的應用上，主要還是從國外進口，這在一定程度上提高了電動輪椅的制造成本，使得普通家庭根本承擔不起它的銷售“高價”，這一問題對我國的電動輪椅市場的發(fā)展也造成了極大的限制。鑒于此，本文從DSP+單片機的基礎上著手，對主從式電動輪椅的控制器進行了系統(tǒng)分析設計，從根本上提高了控制器的應用靈活性，為降低電動輪椅的生產(chǎn)成本奠定了良好的基礎。

1控制方案的選擇

在速度控制方面，通常采用轉速負反饋技術，發(fā)動機控制系統(tǒng)中對轉速檢測的理想動靜態(tài)性能主要是通過測速發(fā)生器或光電碼盤來實現(xiàn)的，精度很高[1]，但系統(tǒng)中使用的發(fā)動機體積小，安裝在輪椅上。如果加上速度發(fā)生器，輪椅就更難了，而且系統(tǒng)的速度控制精度不高，所以采用速度電機鉗位電壓來估算發(fā)動機轉速，既節(jié)省了成本，又縮小了控制器的體積。

為了實現(xiàn)輪椅的基本操作：前、后、左、右、停止、行進，系統(tǒng)設計中根據(jù)輪椅的運動特性和發(fā)動機相對于輪椅的牽引方式，需要兩臺四象限直流電機來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行。因此，sir-H驅動系統(tǒng)采用兩套雙極性直流電機控制[2]。

2驅動電路的設計

該IR2110型功率 MOSFET驅動器主要由高壓側驅動電路、低壓側驅動電路、電平轉換電路以及輸入邏輯電路等構成。

與功率地（COM）相比，高壓側溝道電位基準點（VS）可在-5v～V.500范圍內(nèi)浮動，其浮動電平基準點為6英尺（VS），浮動電位電源為7英尺（VB），自舉電容器C1。安裝在高壓側電源管的兩個浮子插頭VS源極之間，當高壓側電源管斷開，低壓側電源管通電時，將VS向下拉，靠近COM，電源15V電源由自舉二極管D1充電。當高壓側電源線通電時，引腳VS在高壓側電源附近浮動，允許電壓為+500 V。

3 DSP 控制系統(tǒng)及信號檢測電路分析設計

功率控制電路的核心是DSP控制系統(tǒng)。主要部件包括：TI公司DSP芯片TMS320LF2406、DC/DC電壓轉換芯片、edge晶體振蕩器、JTAG編程接口電路;其他外圍電路包括輪椅門控制檢測電路、直流電機電壓、電流采樣電路、SCI通信模塊、功率MOSFET檢測電路。

電壓及電流檢測電路

（1）電機電壓檢測電路

在此基礎上，設計了同步采樣電路，將電機兩端的接地電壓U，U-，送入分壓限流保護，再送入DSP AD采樣模塊進行軟件差分，得到電機兩端的電壓值。圖形 C為濾波容量。

（2）電機電流檢測電路

主電路上的電流通過串聯(lián)采樣電阻在電橋電路的低電壓下檢測。在H橋的兩個臂的底部，檢測電路串聯(lián)電壓信號VL的采樣電阻VR加上參考電壓Vref，Vout[3]。通過運算放大器調(diào)節(jié)Rf得到，只有R1、R2、R3、R4值，Vout可以保持在0～3.3V，以1.65V為中心的對稱電壓值輸入DSP，在零電流時電路輸出V;1.65流過電機的電流為正，輸出電壓為1.65～3.3V;流經(jīng)電機的電流為0～1.65V。

4液晶顯示器模塊電路及控制軟件設計

本設計采用基于ST7920控制器的 LCD顯示模塊。內(nèi)置8192個漢字（16*16數(shù)組）、128個ASCII字符庫（8*16數(shù)組）和64*256數(shù)組顯示RAM（GDRAM）。為了滿足多個微處理器和單片機接口的需要，模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行和3線串行等接口方式。為了使?jié)h字和圖形的顯示更加簡單有效，模塊設計了2MB漢字CGRAM和64*256點陣式GDRAM繪圖區(qū)，同時模塊還提供了4套可編程控制的16*16點陣字體空間;知道液晶顯示模塊對讀、寫時序的要求后，就可以編程了。該液晶模塊顯示的信息主要分為三個部分：1，當輪椅正常工作時，以圖形化方式顯示電池電量和輪椅加減速檔位;2，在故障模式下，以文字方式顯示所發(fā)生的故障類型，便于用戶進行檢查排除;3，在參數(shù)設置模式下，顯示可以設置的參數(shù)信息及其變化范圍。當系統(tǒng)上電后， LCD模塊應能正確初始化。除了正確配置 I/O接口外，ST7920液晶模塊的初始化也要在其內(nèi)部寫上初始化命令。液晶顯示器的初始化工作完成后，就可以對其進行讀寫操作，讀寫不涉及任何中斷或復雜的邏輯運算，模塊化封裝后的顯示內(nèi)容，在需要時直接調(diào)用相應的函數(shù)，非常方便。

5基于 USART 的通訊模塊設計及軟件設計

在PIC單層芯片微計算機中，通用同步收發(fā)機是一個常用的串行通信接口，可以設置為全對通訊模式，也可以設置為反雙向通信模式，該模塊的非同步串行通信方式應用范圍最廣。利用異步串行接口可方便地實現(xiàn)單片機與 PC機的通訊，也可實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分布式控制。由于單片機控制電路和 DSP控制電路之間的通信距離不到1米，所以有很多種異步串行通信協(xié)議，本設計采用RS-232協(xié)議實現(xiàn)聯(lián)機通信。美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）發(fā)布了RS-232標準總線被廣泛應用于異步串行通信。

其中包括電氣和機械部分的位串行傳輸規(guī)則，適用于短距離通信或有調(diào)制解調(diào)器的通信場合。EIA還發(fā)布了RS-422，RS-423和RS-485串行總線接口標準，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和通信距離。MCU的 USART模塊工作在異步通信模式下，每個數(shù)據(jù)編碼都使用標準的非歸零編碼（NRZ），1為高電壓，0為低電壓。一次完整的字節(jié)通訊由1開始位據(jù)0引導，后面跟著8或9位數(shù)據(jù)信息，最后以高電平停止位結束。因為 USART模塊不支持硬件自動計算校驗位，所以需要自編軟件來實現(xiàn)。通訊時，接收方同意奇偶校驗標準。接受者每收到一次完整的數(shù)據(jù)，就立即進行一次真正有用的8位數(shù)據(jù)信息的奇偶檢查，如果數(shù)據(jù)正確，所得到的校驗位應等于9位數(shù)據(jù)[35][36]。MCU控制板發(fā)送到 DSP電源板的通信信號包括：電機運行相關參數(shù)、操縱桿信號 A/D轉換結果、速度檔位信號、開機信號、關閉信號。其中， DSP功放發(fā)送到單片機控制板的信號以故障信號為主。

總結

在國外，電動輪椅及其控制技術已經(jīng)得到了多年的研究，而在國內(nèi)，這項技術的研究還處于起步階段。在廣泛查閱國外相關文獻的基礎上，根據(jù)課題的需要和控制技術的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢，設計并實現(xiàn)了一套以數(shù)字信號處理器為核心，以單片機為核心的主從電動輪椅控制器，通過實驗驗證了設計的有效性。這一設計在一定程度上填補了國內(nèi)技術空白，為今后進一步研究電動輪椅的智能化、網(wǎng)絡化提供了一個硬件平臺。

參考文獻：

[1]白創(chuàng)，李帆，汪東.L-DSP片上調(diào)試電路的設計與實現(xiàn)[J].湖南大學學報（自然科學版），2020，47（8）：69-73.

[2]宋連慶，萬卓，韋新磊， 等.基于DSP-FPGA的APF的硬件設計[J].電子技術應用，2020，46（5）：74-78.

[3]胡躍祥.基于DSP的電動輪椅雙電機驅動控制器的設計與實現(xiàn)[D].江蘇：南京理工大學，2015.

（寧波財經(jīng)學院 ?浙江 ?寧波 ?315000）