TMS320F28027的電動車蹺蹺板循跡系統設計※

曾宇航，胡昕睿，周宇，鄧力，劉和平

（重慶大學 電氣工程學院，重慶 400044）

引 言

本系統選取了32位TMS320F28027作為運動物體的控制中心。TMS320F28027具有豐富的資源，擁有32位架構、高級外設、高度的模擬集成、高達128KB的快閃存儲器，同時還包括功能強大的ADC、高分辨率PWM以及顯著增強的捕獲單元等眾多特性優異的組件、高精度片上振蕩器、模擬比較器、上電復位與掉電保護等在內的各種集成模塊。本文以電動車蹺蹺板的設計為例，介紹了TMS320F28027的PWM電機調速、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個按鍵分別進行選擇、確認、退出功能操作，在系統上電后，顯示界面進入主菜單，通過“選擇”按鍵對“板上尋平衡”、“上板尋平衡”兩個功能進行選擇，選定結束按下“確認”鍵，系統進入對應函數，此時可以按下“退出”鍵退出對應的功能函數。

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

1.2 “板上尋平衡”功能

在不加配重的情況下，電動車完成以下運動：

① 電動車從起始端點A出發，快速行駛到中心點C附近；

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

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

④ 電動車在B點停止5s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，并分階段實時顯示電動車行駛所用的時間。

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

1.3 “上板尋平衡”功能

將配重固定在可調整范圍內任一指定位置，電動車完成以下運動：

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

圖1 功能操作圖

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5s以上。

③ 將另一塊質量為電動車質量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5s以上。

圖2 小車跑道圖

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域。圖2中兩側箭頭代表循跡標識，蹺蹺板中間箭頭為后退的循跡標識。在蹺蹺板中部C點放置蹺蹺板支架，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，以保證小車能夠正確循跡。前進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。

圖3 小車紅外循跡安裝位置圖

2 功能模塊電路連接

2.1 系統總體模型

TI公司32位DSP TMS320F28027為系統的控制芯片，系統通過7V穩壓直流電源給電機供電，同時7V穩壓電源經LM8965穩壓模塊輸出5V電壓后給其他模塊供電。在上電過后使用獨立按鍵配合LCD12864實現功能選擇，選擇功能結束，小車在紅外循跡模塊的引導下到達指定地點開始尋找平衡，此時系統對傾角傳感器輸出電壓進行A／D采樣并將數據傳輸給芯片處理，然后芯片輸出信號對L298N驅動的直流電機進行調節，配合光電碼盤控制小車在蹺蹺板上移動以實現平衡點尋找。系統框圖如圖4所示。

圖4 電動車系統總體框圖

2.2 L298N驅動連接電路

L298N是一塊雙H橋直流電機驅動芯片，主要是對直流電機進行PWM轉速調節，對步進電機進行PWM細分操作。驅動部分的端子電壓Vs在＋5～＋35V，承載最大電流為2A；邏輯部分的工作電壓為5～7V，電流為0～36mA，低電平有效值為－0.3～1.5V，高電平有效值為2.3V～Vss。該驅動板可驅動2路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效，設置IN1和IN2的輸入電平確定電機的轉動方向，改變輸入使能端PWM脈沖的占空比實現調速。（注意：當使能信號為0時，電機處于自由停止狀態；當使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀態，阻止電機轉動。）

由于小車采用的是左右兩側速度差轉向，所以為了節省I／O口，電機連接時使用一個I／O配合使能端控制一側的兩個電機的轉向和轉速，使能端控制轉速，I／O口控制轉向。具體操作：同側的兩個電機并聯，電機一端通過I／O口經L298N控制，另一端從同一I／O口引出一根信號線經一非門后由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）。

方向設定主要函數如下：

圖5 L298N電路連接圖

速度設定主要函數如下：

配合循跡模塊即可實現小車循跡功能。循跡模塊分為前后4路，前4路的4個信號端口與后4路并聯，前4路的4個紅外循跡模塊由一個I／O口供電，后4路供電由此I／O口經一非門供給。只需改變此I／O的高低電平即可完成前后循跡模塊的切換。循跡程序框圖如圖6所示。

循跡主要程序如下：

圖6 循跡程序框圖

2.3 LCD12864電路連接

為了節省I／O口，顯示選用的LCD為SPI傳輸型，主要用于必要數據顯示以及菜單和系統狀態顯示。該模塊一共有10個引腳，其中除去電源引腳和空引腳還有RET引腳用于上電復位，CS引腳傳輸主從狀態選擇，SCK引腳時鐘信號輸入，SDA引腳數據輸入，BUSY引腳判忙接口。由于I／O口的限制，我們采用的并非SPI數據傳輸模式，而是選用的模擬SPI數據傳輸。模擬SPI主要是對數據傳輸時序進行模擬。

模擬SPI數據傳輸，只能對數據進行一位一位的傳輸。因為此時序為上升沿觸發，所以在傳輸之前時鐘信號置低，傳輸結束后置高。但是程序的編寫比較麻煩，因為此LCD的命令和數據都是8位數據。所以選擇按位與加移位實現輸入8位數據，具體程序如下：

在實際操作中，每次上電需要對LCD進行復位設置（RST先置低10ms左右，然后置高20ms左右）這樣才能保證LCD正常顯示，同時在命令和數據傳輸之前需要對LCD進行初始化操作，即對LCD進行清屏操作（清除上電一瞬間的亂碼顯示），然后根據需求進行亮度設置。由于此設計中LCD只需進行數據的接收，所以CS片選端直接接地，設置LCD為從輸入設備即可。具體電路連接如圖7所示。

圖7 LCD12864電路連接圖

2.4 傾角傳感器電路連接

傾角傳感器選用的是數字信號傳輸的MMA7361，此模塊能夠檢測器件的X／Y／Z三軸的傾斜角度，以及期間的加速度。小車在蹺蹺板上尋找平衡只需一個軸檢測傾角即可，所以任選一軸與小車車面平行，豎直指向車頭即可。

當小車發生前后傾斜時，輸出電壓改變，通過輸出電壓的線性變化反映小車的傾角、運動加速度，以及運動的方向。通過A／D采樣進行相應的電壓／角度、電壓／加速度轉換，這樣便可以時刻調節小車姿態。尋找平衡程序框略——編者注。

傾角傳感器A／D采樣程序設定如下：

結 語

本文只用了TMS320F28027的部分功能，算法也比較簡單，只是為大家的學習交流拋磚引玉而已。TMS320F28027還有很多強大的功能，有待以后大家的學習和使用。

個人的使用經驗表明TMS320F28027運算速度快，而且操作簡單易學，不僅適合完成各種業余的電子設計制作，而且也能滿足專業人士的大部分需求，是性價比較高的芯片。在配合外部擴展硬件的使用過程中，需仔細閱讀TMS320F28027和硬件模塊的電氣參數，以防止元器件的損毀。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

［1］清華大學電子學教研組，閻石.數字電子技術基礎［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］劉杰，周宇博.基于模型的設計：MSP430／F28027／F28335DSP篇［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［3］全國大學生電子設計競賽組委會.2011年全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編［M］.北京：北京理工大學出版社，2012.

［4］克尼漢.C程序設計語言［M］.2版.徐寶文，譯.北京：北京機械工業出版社，2004.

［5］TI.TMS320F28027使用手冊，2012.