基于ARM9的自由擺平板控制系統的設計及實現

本設計的重點在于通過加速度傳感器MMA7455采集各關節處角度信息，并根據得到的角度值及任務要求控制步進電機的運轉，完成自由擺臂末端平板姿態的調整，完成預定任務。通過MMA7455加速度傳感器得到的是三軸加速度信息，而在實際控制過程中所需要的是角度信息，所以要用到三角函數完成加速度值到角度值的轉換，其次實踐證明MMA7455加速度傳感器穩定性較差，需要通過滑動平均濾波算法對得到的三軸加速度值進行濾波處理，以達到精確控制的目的。而對于步進電機的精確控制則需要PID控制算法以去除控制過程中的抖動，達到自控系統“穩、準、快”的設計要求。綜上所述，本系統中存在大量的數據運算及控制算法并且對實時性要求較高，因此選用主頻高達400 MHz的S3C2440作為主控芯片，一方面能保證系統基本功能的實現，另一方面有助于系統中各種性能指標的提升。

1 硬件系統設計

本自由擺平板控制板采用S3C2440作為主控芯片，外接Nor Flash AM29LV160DB、Nand Flash K9F1208及兩塊SDRAM HY57V561620構成嵌入式最小系統[1-4]。Nor Flash和Nand Flash同時存在的好處在于Nor Flash中存放BootLoader完成系統調試及NandFlash中程序的燒寫，方便調試。系統設計了5個功能按鍵分別接到S3C2440 5個外部中斷引腳(EINT8、11、13、14、15)，另外接5個LED(GPH9、GPH10、GPF6、GPG1、GPB1)作為各類狀態的指示信號。通過S3C2440 6個普通I/O口模擬兩路IIC接口(GPF0～GPF5)分別接加速度傳感器1、2。4個I/O(GPE11、12、13、GPG2)口接步進電機驅動器。如圖1所示。

2 軟件系統設計

本系統軟件設計相對較復雜，既要考慮系統基本功能的實現，又要考慮系統易于使用。從軟件功能看，主程序主要完成鍵值處理、LED顯示、調用相應任務子程序模塊以及各個任務模塊下相應算法的實現，系統主流程如圖2所示。

2.1 加速度值到角度值的轉換算法

本自由擺平板控制系統安裝了兩個加速度傳感器MMA7455 ， 即水平安裝于平板底部的加速度傳感器1 與垂直安裝在轉軸處的加速度傳感器2， 兩個加速度傳感器安裝位置不同， 使用目的不同， 因而對角度的轉換方法也不同[ 5]。加速度傳感器1 主要用于在靜態時對平板

姿態的判定， 因此采用加速度傳感器以Z 軸加速度值就可判斷出平板靜態時的姿態， 如

圖3 所示。由圖可知Z 軸所得加速度值只是重力沿平板法線方向的一個分量。故此可

得：∠A=∠B=arcos(gz/g)

加速度傳感器2 主要用來動態測量擺桿擺角， 為克服誤差的引入， 采用X、Y 兩個軸向的加速度值來測量擺角， 測量原理如圖4 所示。

由圖4 可知：θ=artan(gy/gx)。