基于A(yíng)VR單片機的智能跑步機控制器設計

1 引言

電動(dòng)跑步機是目前健身器材中的主流產(chǎn)品，它是通過(guò)電機帶動(dòng)跑步帶使人以不同的速度被動(dòng)地跑或走，在人體用力方面，比在地面上跑、走省去了一個(gè)蹬伸動(dòng)作，可使人比在地面運動(dòng)消耗更多能量。但由于其功能比較單一，缺乏娛樂(lè )性和交互性，長(cháng)時(shí)間鍛煉會(huì )使人感到枯燥乏味。在全社會(huì )崇尚健身就是生活質(zhì)量的今天，傳統電動(dòng)跑步機這種單調重復運動(dòng)已難以滿(mǎn)足人們對健身品質(zhì)的要求，而具有虛擬現實(shí)功能的智能跑步機，以計算機虛擬的模擬環(huán)境代替現實(shí)世界的真實(shí)環(huán)境，給人身臨其境的沉浸感，增加了健身的樂(lè )趣，已成為目前的研究熱點(diǎn)。本文將傳統電動(dòng)跑步機與虛擬現實(shí)技術(shù)相結合，研究并設計了具備傳統電動(dòng)跑步機各種健身模式且具有虛擬場(chǎng)景漫游功能的智能電動(dòng)跑步機控制系統。系統通過(guò)上下位機的串行通信進(jìn)行各種參數的實(shí)時(shí)傳遞，TFT液晶顯示器顯示友好的操作界面以及實(shí)時(shí)變化的運動(dòng)和體能參數，采用觸摸屏與薄膜按鍵結合的操作方式增加操作的靈活性，是虛擬現實(shí)、人機交互在健身器材方面應用的一個(gè)典型例子。

采用ATMEL公司的ATmega128作為跑步機的主控芯片，它具有先進(jìn)的RISC架構，內部集成較大容量存儲器，有豐富的管腳資源，驅動(dòng)能力強，具有在系統編程功能，給控制系統的設計及程序的升級和維護提供了極大方便。

2 跑步機控制系統的結構及功能

2.1 系統結構

控制系統由上位機和下位機兩大部分組成。上位機采用普通計算機，主要負責觸摸屏控制、操作界面顯示、多媒體播放和虛擬場(chǎng)景漫游。下位機以ATmega128為核心控制器，配合相應的外圍電路，通過(guò)采集鍵盤(pán)輸入、電機反饋、接收上位機信息等對跑步機進(jìn)行直接控制。上下位機通過(guò)串行通信總線(xiàn)RS232進(jìn)行通信。跑步機控制系統總體設計框圖如圖1所示，虛線(xiàn)框內是下位機控制器設計。

圖1 跑步機控制系統框圖

2.2 系統功能

下位機控制器通過(guò)變頻器控制電機，增大了速度調節范圍并且實(shí)現無(wú)級變速，速度調節范圍為1.0~20.0km/h，坡度調節范圍為-5%~15%。配有心率信號接收器，可以通過(guò)佩戴胸帶或者手握跑步機兩側的手柄測試心率。有多種健身方式可供選擇，包括普通健身、程序健身、模式健身、虛擬健身，并且具備多媒體播放功能。液晶顯示器顯示各種功能按鍵以及數字鍵盤(pán)，并配有功能提示，用戶(hù)可以在觸摸屏上操作，也可以直接操作跑步機面板上的薄膜按鍵。各種運動(dòng)參數在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。在虛擬現實(shí)健身模式下，跑步機運轉速度驅動(dòng)虛擬場(chǎng)景的變換和信息的更新，場(chǎng)景路面坡度變化控制跑步機升降，實(shí)現跑步臺與虛擬場(chǎng)景路面狀況同步。系統配有緊急停止開(kāi)關(guān)，跑步機可迅速停止運轉已確保安全。

3 跑步機控制器硬件設計

3.1 控制芯片

控制芯片采用ATMEL公司ATmega128單片機，它是基于A(yíng)VR內核的低功耗CMOS8位單片機，單時(shí)鐘周期指令，可達到接近1MIPS/MHz的性能，具有128KB在系統編程/應用程序（ISP/IAP）Flash程序存儲器、4KB E²PROM、4KB SRAM、32個(gè)統一工作寄存器、53個(gè)通用I/O口、4個(gè)帶有比較模式靈活的定時(shí)器/計數器、2個(gè)可編程的USART接口、可編程帶內部振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器等。利用它在系統編程功能可以方便的進(jìn)行程序的修改調試，參數可保存在內置E²PROM中，定時(shí)器/計數器的相位頻率可調PWM功能尤其適用于馬達控制，內置看門(mén)狗定時(shí)器可以在程序異常時(shí)及時(shí)復位。

3.2 電壓轉換及掉電預檢測電路

控制器電路板供電電壓為12V，經(jīng)MC7805轉換為5V供單片機使用。電壓轉換及掉電預檢測電路掉電預檢測電路原理圖如圖2所示。

圖2 電壓轉換及掉電檢測電路

在系統意外斷電時(shí)記錄跑步臺的坡度，保證再次上電時(shí)處于水平位置。采用ATmega128內部的模擬比較器，注意選擇合適的電容和參考電壓，以保證足夠的參數寫(xiě)入時(shí)間。當模擬輸入端AIN1的電壓低于A(yíng)IN0的電壓2.5V時(shí)，即輸入電壓降到7.5V以下時(shí)，模擬比較器輸出ACO置1，觸發(fā)中斷，此時(shí)跑步臺的坡度值被寫(xiě)入單片機內部的E²PROM中。

3.3 PWM輸出電路

利用ATmega128內部16位定時(shí)器/計數器應用中的相位頻率可調PWM模式，產(chǎn)生50Hz的PWM波形，經(jīng)過(guò)濾波和電平轉換后輸出到變頻器。改變比較寄存器的數值可以得到不同的脈寬，實(shí)現對跑步機速度的控制。

3.4 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路

三路帶光電隔離的開(kāi)關(guān)量輸入電路采集健身者在跑步臺上的位置信號，并以電平形式輸入單片機，據此判斷健身者離控制臺的遠近實(shí)現自動(dòng)調速。六路開(kāi)關(guān)量輸出電路中，四路通過(guò)繼電器控制電機的升降來(lái)改變坡度，兩路控制橫流風(fēng)扇的風(fēng)量大小。

3.5 編碼器信號輸入電路

將轉速傳感器、心率接收裝置輸出的編碼器脈沖信號經(jīng)過(guò)電容濾波、74HC14整形，輸入到單片機外部中斷接口。

3.6 串口通信電路

單片機與PC機的通信采用RS-232C標準，此標準與單片機的TTL電平不兼容，采用MAXIM公司的MAX202進(jìn)行電平轉換，外部接0.1uF電容。單片機串行口的TXD、RXD 和GND經(jīng)電平轉換分別與計算機的RXD、TXD和SG相連，進(jìn)行全雙工通信。

3.7 矩陣式鍵盤(pán)電路

要實(shí)現開(kāi)始、停止、暫停、速度加減、坡度加減、風(fēng)扇控制、速度和坡度直選等功能需要大量按鍵，因此采用4×8矩陣式鍵盤(pán)。由于跑步過(guò)程中的摩擦會(huì )產(chǎn)生大量靜電，健身者操作鍵盤(pán)時(shí)靜電可能對電路造成破壞，除了在觸摸鍵上加防護措施以外，在電路中加入TVS (瞬態(tài)電壓抑制器) 二極管，由于TVS二極管的結面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn)，具有理想的保護作用。將TVS二極管正極接地，當瞬態(tài)電壓超過(guò)電路的正常工作電壓時(shí)，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內部電路免遭超額電壓擊穿或超額電流過(guò)熱燒毀。

4 控制器軟件設計

考慮到系統可移植性及便于維護和擴充，系統軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。ImageCraft 的ICCAVR是一種使用符合ANSI標準的C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)微控制器（MCU）程序的工具，它是一個(gè)綜合了編輯器和工程管理器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。跑步機控制程序的編輯、編譯均在ICCAVR中完成。

控制系統軟件采用模塊化設計思想，主要包括主程序、鍵盤(pán)處理程序、中斷服務(wù)程序和通信程序。主程序邏輯為：控制器上電后首先讀取E²PROM中保存的速度系數和坡度參數，實(shí)現開(kāi)機復位和參數的初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。

鍵盤(pán)處理程序采用定時(shí)掃描方法，每隔300ms使四行輸出均為低電平，判斷是否有鍵按下，若有，再將四行依次輸出為低電平，同時(shí)讀入列值保存到一數組中，用switch-case語(yǔ)句進(jìn)行按鍵處理。速度和坡度加、減鍵若被檢測到持續按下，則處理多次，實(shí)現速度和坡度的連續加減。有些功能鍵只處理一次就被鎖定，例如開(kāi)始鍵被檢測到按下后置一個(gè)標志，直到該標志被清除再次按下才有效。將幾個(gè)按鍵組合在一起可以實(shí)現特殊功能，例如速度和坡度的自動(dòng)校正。

中斷服務(wù)程序包括內部定時(shí)器中斷、模擬比較器中斷和外部中斷。內部定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要負責健身時(shí)間計算、倒數計時(shí)、鍵盤(pán)的定時(shí)掃描、通信數據的定時(shí)發(fā)送等。模擬比較器觸發(fā)中斷后，關(guān)閉所有其它中斷，將重要參數寫(xiě)入E²PROM中。外部中斷服務(wù)程序主要負責脈沖信號計數和緊急停止。緊急停止接到最高優(yōu)先級的外中斷上，中斷觸發(fā)后迅速切斷PWM輸出。

實(shí)時(shí)顯示的運動(dòng)參數、來(lái)自計算機的命令等都是依靠全雙工串口通信傳遞。通信協(xié)議制定也采用模塊化的思想，不同的功能模塊有各自的標志符號。通信協(xié)議定義如表1所示。按下電源鍵后下位機向上位機發(fā)出握手信息，上位機檢驗這一信息符合協(xié)議則向下位機反饋一條信息，建立通信。上位機通過(guò)串口獲得跑步機的各種數據，用以更新虛擬場(chǎng)景畫(huà)面與操作界面的信息和參數顯示，并根據場(chǎng)景路面坡度變化通過(guò)串口通信控制跑步機的升降。主程序和通信程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 通信子程序流程圖

表1 通信協(xié)議定義

5 結論

本文介紹了采用ATmgega128單片機作為主控芯片的智能電動(dòng)跑步機控制器設計，在實(shí)現跑步機各種功能的基礎上很好地保證了運行的穩定性。針對采用上下位機控制的特點(diǎn)制定了其專(zhuān)用串行通信協(xié)議，確?？刂频膶?shí)時(shí)有效性。通過(guò)串行通信控制下位機實(shí)現了虛擬現實(shí)健身模式，避免了室內運動(dòng)的單調乏味，增加了健身的樂(lè )趣，如配置立體顯示設備更能增強沉浸感。在此基礎上，可研究將上下位機整合，采用SOPC技術(shù)自行設計整個(gè)控制系統的板卡，這將大大降低成本并且使整機的穩定性有進(jìn)一步的提高。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)制定專(zhuān)用串行通信協(xié)議進(jìn)行上下位機互動(dòng)，實(shí)現了虛擬現實(shí)健身模式，增強了室內健身的樂(lè )趣。

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