DSP+單片機的主從式電動輪椅控制器設計分析

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。但就國內在電動輪椅的制造方面來說，目前我國在電動輪椅的生產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，發動機控制系統中對轉速檢測的理想動靜態性能主要是通過測速發生器或光電碼盤來實現的，精度很高[1]，但系統中使用的發動機體積小，安裝在輪椅上。如果加上速度發生器，輪椅就更難了，而且系統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動機轉速，既節省了成本，又縮小了控制器的體積。

為了實現輪椅的基本操作：前、后、左、右、停止、行進，系統設計中根據輪椅的運動特性和發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系統的運行。因此，sir-H驅動系統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。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]。通過運算放大器調節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。內置8192個漢字（16*16數組）、128個ASCII字符庫（8*16數組）和64*256數組顯示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。為了使漢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，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生的故障類型，便于用戶進行檢查排除;3，在參數設置模式下，顯示可以設置的參數信息及其變化范圍。當系統上電后， 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容，在需要時直接調用相應的函數，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單片機與 PC機的通訊，也可實現多機聯網，實現分布式控制。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議，本設計采用RS-232協議實現聯機通信。美國電子工業協會（EIA）發布了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則，適用于短距離通信或有調制解調器的通信場合。EIA還發布了RS-422，RS-423和RS-485串行總線接口標準，以提高數據傳輸速率和通信距離。MCU的 USART模塊工作在異步通信模式下，每個數據編碼都使用標準的非歸零編碼（NRZ），1為高電壓，0為低電壓。一次完整的字節通訊由1開始位據0引導，后面跟著8或9位數據信息，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。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據，就立即進行一次真正有用的8位數據信息的奇偶檢查，如果數據正確，所得到的校驗位應等于9位數據[35][36]。MCU控制板發送到 DSP電源板的通信信號包括：電機運行相關參數、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得到了多年的研究，而在國內，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，根據課題的需要和控制技術的發展狀況及發展趨勢，設計并實現了一套以數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技術空白，為今后進一步研究電動輪椅的智能化、網絡化提供了一個硬件平臺。

參考文獻：

[1]白創，李帆，汪東.L-DSP片上調試電路的設計與實現[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[D].江蘇：南京理工大學，2015.

（寧波財經學院 ?浙江 ?寧波 ?315000）