TMS320F28027的電動(dòng)車(chē)蹺蹺板循跡系統設計

摘要：本系統選用TI公司32位DSPTMS320F28027作為控制芯片，設計制作了一款能夠循跡并尋找平衡的智能小車(chē)。根據所給定的跑道和跑道上的位置標志對小車(chē)進(jìn)行硬件設計和程序編寫(xiě)。循跡分為前后各4路循跡，采用的是4路紅外循跡模塊，保證了小車(chē)能夠前進(jìn)后退均在指定路線(xiàn)上。

關(guān)鍵詞：TMS320F28027芯片;紅外循跡;傾角傳感器;模數轉換器

引言

本系統選取了32位TMS320F28027作為運動(dòng)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128 KB的快閃存儲器，同時(shí)還包括功能強大的ADC、高分辨率PWM以及濕著(zhù)增強的捕獲單元等眾多特性?xún)?yōu)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(dòng)車(chē)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(chē)功能介紹

1.1 按鍵和顯示功能

按鍵操作：使用3個(gè)按鍵分別進(jìn)行選擇、確認、退出功能操作，在系統上電后，顯示界面進(jìn)入主菜單，通過(guò)“選擇”按鍵塒“板上尋平衡”、“上板尋平衡”兩個(gè)功能進(jìn)行選擇，選定結束按下“確認”鍵，系統進(jìn)入對應函數，此時(shí)可以按下“退出”鍵退出對應的功能函數。

顯示功能：LCD實(shí)時(shí)顯示小車(chē)的傾角和小車(chē)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(shí)在每項操作進(jìn)行時(shí)顯示其操作所用時(shí)間，完成所有任務(wù)后顯示出每項操作所耗時(shí)間。

1.2 “板上尋平衡”功能

在不加配重的情況下，電動(dòng)車(chē)完成以下運動(dòng)：

①電動(dòng)車(chē)從起始端點(diǎn)A出發(fā)，快速行駛到中心點(diǎn)C附近;

②電動(dòng)車(chē)在中心點(diǎn)C附近盡快使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5 s，并給出明顯的平衡指示;

③電動(dòng)車(chē)從步驟②中的平衡點(diǎn)出發(fā)，快速行駛到蹺蹺板末端B處(車(chē)頭距蹺蹺板末端B不大于50 mm);

④電動(dòng)車(chē)在B點(diǎn)停止5 s后，快速倒退回起始端A，完成整個(gè)行程;

⑤在整個(gè)行駛過(guò)程中，電動(dòng)車(chē)始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車(chē)行駛所用的時(shí)間。

其中，到達C點(diǎn)附近和倒退回A點(diǎn)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(chē)狀態(tài)控制小車(chē)前后移動(dòng)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(dòng)車(chē)完成以下運動(dòng)：

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

②電動(dòng)車(chē)在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上。

③將另一塊質(zhì)量為電動(dòng)車(chē)質(zhì)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(dòng)車(chē)能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上。

1.4 跑道和小車(chē)介紹

(1)小車(chē)跑道

跑道分為兩個(gè)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(diǎn)放置蹺蹺板支架，保證蹺蹺板可自由擺動(dòng)。

(2)小車(chē)循跡模塊安裝位置

主要介紹小車(chē)循跡模塊的安裝位置，以保讓小車(chē)能夠正確循跡。前進(jìn)循跡由小車(chē)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(jìn)循跡線(xiàn)安裝。后退循跡由小車(chē)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(xiàn)安裝。安裝位置如圖3所示。

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(guò)7 V穩壓直流電源給電機供電，同時(shí)7 V穩壓電源經(jīng)LM8965穩壓模塊輸出5V電壓后給其他模塊供電。在上電過(guò)后使用獨立按鍵配合LCD12864實(shí)現功能選擇，選擇功能結束，小車(chē)在紅外循跡模塊的引導下到達指定地點(diǎn)開(kāi)始尋找平衡，此時(shí)系統對傾角傳感器輸出電壓進(jìn)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(dòng)的直流電機進(jìn)行調節，配合光電碼盤(pán)控制小車(chē)在蹺蹺板上移動(dòng)以實(shí)現平衡點(diǎn)尋找。系統框圖如圖4所示。

2.2 L298N驅動(dòng)連接電路

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

由于小車(chē)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(shí)使用一個(gè)I/O配合使能端控制一側的兩個(gè)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(gè)電機并聯(lián)，電機一端通過(guò)I/O口經(jīng)L298N控制，另一端從同一I/O口引出一根信號線(xiàn)經(jīng)一非門(mén)后由L298N控制。具體電路連接如圖5所示(其中MG1～MG4為4個(gè)直流電機)。

方向設定主要函數如下：

配合循跡模塊即可實(shí)現小車(chē)循跡功能。循跡模塊分為前后4路，前4路的4個(gè)信號端口與后4路并聯(lián)，前4路的4個(gè)紅外循跡模塊由一個(gè)I/O口供電，后4路供電由此I/O口經(jīng)一非門(mén)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：

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(tài)顯示。該模塊一共有10個(gè)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(tài)選擇，SCK引腳時(shí)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(shí)序進(jìn)行模擬。

模擬SPI數據傳輸，只能對數據進(jìn)行一位一位的傳輸。因為此時(shí)序為上升沿觸發(fā)，所以在傳輸之前時(shí)鐘信號置低，傳輸結束后置高。但是程序的編寫(xiě)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(shí)現輸入8位數據，具體程序如下：

在實(shí)際操作中，每次上電需要對LCD進(jìn)行復位設置(RST先置低10 ms左右，然后置高20 ms左右)這樣才能保證LCD正常顯示，同時(shí)在命令和數據傳輸之前需要對LCD進(jìn)行初始化操作，即對LCD進(jìn)行清屏操作(清除上電一瞬間的亂碼顯示)，然后根據需求進(jìn)行亮度設置。由于此設計中LCD只需進(jìn)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。

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(chē)在蹺蹺板上尋找平衡只需一個(gè)軸檢測傾角即可，所以任選一軸與小車(chē)車(chē)面平行，豎直指向車(chē)頭即可。

當小車(chē)發(fā)生前后傾斜時(shí)，輸出電壓改變，通過(guò)輸出電壓的線(xiàn)性變化反映小車(chē)的傾角、運動(dòng)加速度，以及運動(dòng)的方向。通過(guò)A/D采樣進(jìn)行相應的電壓/角度、電壓/加速度轉換，這樣便可以時(shí)刻調節小車(chē)姿態(tài)。

傾角傳感器A/D采樣程序設定如下：

結語(yǔ)

本文只用了TMS320F28027的部分功能，算法也比較簡(jiǎn)單，只是為大家的學(xué)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(xué)習和使用。

個(gè)人的使用經(jīng)驗表明TMS320F28027運算速度快，而且操作簡(jiǎn)單易學(xué)，不僅適合完成各種業(yè)余的電子設計制作，而且也能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)人士的大部分需求，是性?xún)r(jià)比較高的芯片。在配合外部擴展硬件的使用過(guò)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。