【關(guān)鍵詞】模塊化；按摩椅；ARM；驅(qū)動

引言

按摩椅驅(qū)動系統(tǒng)是一種含有揉捏、敲擊、3D徑向和氣囊等功能的綜合系統(tǒng)，通常由傳感器、電機、氣泵、氣閥及單片機組成。單片機將上位機發(fā)來的按摩手法解析成各個執(zhí)行機構(gòu)能理解的指令并輸入到各模塊的接口函數(shù)中[1]，各個模塊快速響應(yīng)并成功實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

本文將基于模塊化的按摩椅驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計做一個詳細的論述，給出主要模塊的硬件電路圖、軟件方框圖和實驗結(jié)果。

一、模塊化設(shè)計

硬件模塊化：固化現(xiàn)有的成熟電路圖，以及其中的電子元器件的設(shè)計參數(shù)，固化硬件電路的PCB的布局以及PCB的設(shè)計要求。

軟件模塊化：將軟件分成數(shù)據(jù)層、邏輯層、硬件層三層[2]。數(shù)據(jù)層接收上位機的鍵值，然后將鍵值解析成每一個執(zhí)行機構(gòu)的動作參數(shù)。邏輯層執(zhí)行電機、氣囊、通訊、傳感器等機構(gòu)的邏輯運算，將它們按照功能分類；硬件層是跟單片機強相關(guān)的端口配置。

二、按摩椅驅(qū)動板硬件系統(tǒng)

（一）電機驅(qū)動

按摩的經(jīng)典動作：揉捏、敲擊、頂背、搖擺、搓腳等，這些都離不開電機的控制。所有電機控制全部用DRV8840芯片來驅(qū)動，除了端子顏色不一樣外，電路的其他任何元器件要保持一致。在硬件電路圖庫[3]中通過端子確認電機功能。

此電路可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速、方向，通過軟件動態(tài)調(diào)節(jié)電機的驅(qū)動狀態(tài)，實現(xiàn)按摩的平穩(wěn)度。

（二）氣囊控制

氣囊可以按摩肩膀、手臂、小腿、大腿、腳、腰等部位。電路如上，通過SPI方式實現(xiàn)每一個氣閥的打開或關(guān)閉。

用戶是通過手控器控制按摩椅運行的。手控器與驅(qū)動板之間通過UART串口來通訊，它們之間波特率是9600，全雙工方式。驅(qū)動板每50ms向手控器發(fā)送按摩椅的運動參數(shù)，手控器每50ms將按鍵值發(fā)給驅(qū)動板。

三、按摩椅驅(qū)動板軟件系統(tǒng)

（一）軟件模塊圖

（二）電機軟件控制

揉捏電機就是實現(xiàn)揉捏功能，電機帶動兩個輪子運動，每個輪子運動一圈為橢圓。揉捏的運動由速度、軌跡決定。

揉捏電機的功能，就是在背部表面上進行揉捏動作。

1、軟件控制方框圖

2、控制參數(shù)

控制參數(shù)是一個結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，里面含有揉捏電機運行所需的速度、軌跡等關(guān)鍵要素。控制參數(shù)在數(shù)據(jù)層將上位機命令解析后生成的。

變量Data_Update：

當數(shù)據(jù)層有新的揉捏運動模式時，置1；否則揉捏電機還是按照之前的模式運動。

變量Control_DEF：

運動基準分為三大類：時間、次數(shù)、不停。 默認以時間來運行。

變量Run_Data：

當運動基準為時間時，此變量代表時間；當基準為次數(shù)時，它代表次數(shù)；當基準為不停運動時，它沒有意義。

變量Work_State：

揉捏電機一共分為9種狀態(tài)，停在任意位置、逆時針運動、順時針運動、停在寬、停在窄、停在中，寬窄來回運動、窄中來回運動，中窄來回運動。寬中窄是三個位置信號，主要用來記錄次數(shù)及搓背用的。默認停在任意位置。

變量Run_Speed：

控制揉捏電機的速度大小，一共7檔，默認0檔，0檔即沒有速度，電機停止。

3、定時器

模塊在運行時需要用到時間，由于是模塊化設(shè)計，不可能專門給此模塊弄一個特有的硬件定時器來做時間統(tǒng)計。由于SysTick是ARM內(nèi)核里的一個功能單元，因此使用SysTick產(chǎn)生一個1ms的中斷來調(diào)用每個模塊的“1ms中斷”函數(shù)，每一個模塊既實現(xiàn)了計時功能，也滿足了代碼在不同單片機之間能夠快速移植。

4、外部信號

揉捏電機在運行時需要知道直流24V電壓大小、寬中窄傳感器信號，但這些數(shù)據(jù)不是模塊特有的。直流24V電壓，其他電機也需要用到；寬中窄信號是信號小板采集的一部分，通過UART方式傳送給主驅(qū)動板。軟件模塊化的核心思想是保持模塊的獨立性，所以這些只能以形參的方式傳遞進來。

5、實驗結(jié)果

（1）以時間為基準，讓揉捏電機以順時針方式運行6000秒，結(jié)果正確。

（2）以時間為基準，讓揉捏電機以窄中來回運行6000秒，結(jié)果正確。

（3）以次數(shù)為基準，讓揉捏電機以逆時針方式運行50000次，結(jié)果正確。

（4）以次數(shù)為基準，讓揉捏電機以窄寬來回運行500000次，結(jié)果正確。

（三）脈沖計數(shù)數(shù)字濾波

當行走機芯上行或下行時，通過電平的變化來統(tǒng)計脈沖數(shù)，往上走脈沖加，往下走脈沖減。

當脈沖電平發(fā)生變化時，就直接進行脈沖數(shù)增減。對于正常的方波信號是沒有問題的。但是電子產(chǎn)品不可能做到100%不受到外界的一絲干擾，進入單片機的脈沖信號不可能非常的完美。

即使同一類型的機臺，行車機芯從最底端跑到最頂端，脈沖數(shù)也不可能一模一樣，由于安裝存在差異，最大脈沖數(shù)相差30都有可能。假設(shè)一臺按摩椅實際最大脈沖數(shù)是842，跑到頂點卻強行設(shè)置成832；本來統(tǒng)計脈沖數(shù)就不準，再加上人為制造一個誤差，雙重誤差下導致行車機芯運動就很不準。

當進行模塊化設(shè)計時，會收集過去按摩椅發(fā)生的各種不良現(xiàn)象，在設(shè)計時會避免相同問題的發(fā)生。

增加數(shù)字濾波，在電平發(fā)生反轉(zhuǎn)后10毫秒內(nèi)電平未發(fā)生變化（每1ms檢查一次，連續(xù)10次）才確認電平真發(fā)生了反轉(zhuǎn)，否則認為是干擾波。

當行走機芯上電后第一次運行時，首先要做歸零動作，即先運行到下限位，將脈沖數(shù)置0。當運行到上限位，不管脈沖數(shù)是多少，都不能人為地進行修正。

（四）通信

1、通信小板

通信小板與主驅(qū)動板之間通過UART通訊，主驅(qū)動只負責接收數(shù)據(jù)，不對通信小板發(fā)送數(shù)據(jù)。通信小板負責靠背電機上下極限、行走電機上下極限、小腿升降上下極限、揉捏寬中窄、肩膀、前滑電機前后極限、腳底、小腿角度、小腿伸縮極限等信號的采集。

2、3D電機信號小板

3D電機信號小板負責采集3D電機的前后極限、3D電機脈沖數(shù)等信號。

3D電機信號是通過485方式和主驅(qū)動板通信。主驅(qū)動板是主，其他連接上485總線上的都是從設(shè)備。主驅(qū)動板每50ms輪流給不同的從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備收到正確的命令后，將相應(yīng)的信號數(shù)據(jù)反饋至主驅(qū)動板。

3、快捷按鍵小板

快捷按鍵安裝在扶手上方便用戶操作，它也是通過485方式與主驅(qū)動板通信的。為了方便用戶操控快捷鍵，當用戶按下某個按鍵時，主驅(qū)動板根據(jù)查詢到的按鍵值通過喇叭播報。

4、手控器

手控器與主驅(qū)動板通過UART通信，它們之間是全雙工。主驅(qū)動板每50ms將主驅(qū)動板每個模塊的狀態(tài)發(fā)送給手控器；手控器每50ms將鍵值發(fā)送給主驅(qū)動板，無鍵按下時發(fā)無鍵值。手控器是TFT屏，屏幕上顯示按摩椅自動按摩的程式及手動按摩的選擇，畫面簡單明了。

5、藍牙模塊

主驅(qū)動板與APP通訊時，其實是與主驅(qū)動上的藍牙模塊進行通信。通信也是UART方式，與手控器通訊協(xié)議內(nèi)容一致。APP上的顯示內(nèi)容也和手控器一致。

APP可以理解成第二個手控器，無論手控器或APP按下某個按鍵后，主驅(qū)動板將更新后的狀態(tài)發(fā)給所有手控器，它們的狀態(tài)也會同時更新，這樣就解決了多設(shè)備操作按摩椅顯示不協(xié)調(diào)的問題。

（五）錯誤代碼

原先的按摩椅沒有“錯誤代碼”功能。當產(chǎn)品出現(xiàn)問題后，工程師無法快速知道問題的源頭來自哪里，只能通過更換各個電路板來慢慢鎖定。這樣做既費時也費力，而且增加企業(yè)運營成本。如果通過模塊化設(shè)計，就能將問題解決在產(chǎn)品出廠或入庫之前。

編寫每一個獨立模塊代碼時，事先要考慮好它可能會產(chǎn)生哪些錯誤，并添加偵測這些錯誤的代碼。

錯誤代碼模塊收集每個模塊的錯誤，將之轉(zhuǎn)化成錯誤代碼和LED報警。工程師到達現(xiàn)場后，通過觀察LED閃爍次數(shù)或者在手控器上查詢最近產(chǎn)生的錯誤代碼，能在極短的時間知曉錯誤來源，對產(chǎn)品質(zhì)量提升起到一個非常好的促進作用。

總結(jié)

以往的按摩椅沒有以模塊化方式來設(shè)計，從硬件到軟件都是由一個工程師全權(quán)封閉式負責，由于工程師們急于完成設(shè)計，很多地方繞過規(guī)范來做。這樣做的后果是電路圖存在缺陷，代碼非常難懂，且同樣的問題一錯再錯。對于企業(yè)及個人來說，浪費了極大的時間成本。

模塊化設(shè)計提高了產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕隱患發(fā)生，同時也大大降低企業(yè)經(jīng)營成本。