摘  要： 介绍了自由摆平板控制系统的设计及实现。其硬件系统主要包括S3C2440嵌入式最小系统、步进电机驱动器、输入及显示、传感器系统4个部分。软件部分实现传感器数据采集、步进电机控制、控制算法实现及整体系统协调。通过对软硬件的整体调试使系统达到设计要求，性能优越。
关键词： S3C2440；MMA7455；自由摆；平板控制；PID

    本设计的重点在于通过加速度传感器MMA7455采集各关节处角度信息，并根据得到的角度值及任务要求控制步进电机的运转，完成自由摆臂末端平板姿态的调整，完成预定任务。通过MMA7455加速度传感器得到的是三轴加速度信息，而在实际控制过程中所需要的是角度信息，所以要用到三角函数完成加速度值到角度值的转换，其次实践证明MMA7455加速度传感器稳定性较差，需要通过滑动平均滤波算法对得到的三轴加速度值进行滤波处理，以达到精确控制的目的。而对于步进电机的精确控制则需要PID控制算法以去除控制过程中的抖动，达到自控系统“稳、准、快”的设计要求。综上所述，本系统中存在大量的数据运算及控制算法并且对实时性要求较高，因此选用主频高达400 MHz的S3C2440作为主控芯片，一方面能保证系统基本功能的实现，另一方面有助于系统中各种性能指标的提升。
1 硬件系统设计
    本自由摆平板控制板采用S3C2440作为主控芯片，外接Nor Flash AM29LV160DB、Nand Flash K9F1208及两块SDRAM HY57V561620构成嵌入式最小系统[1-4]。Nor Flash和Nand Flash同时存在的好处在于Nor Flash中存放BootLoader完成系统调试及NandFlash中程序的烧写，方便调试。系统设计了5个功能按键分别接到S3C2440 5个外部中断引脚(EINT8、11、13、14、15)，另外接5个LED(GPH9、GPH10、GPF6、GPG1、GPB1)作为各类状态的指示信号。通过S3C2440 6个普通I/O口模拟两路IIC接口(GPF0～GPF5)分别接加速度传感器1、2。4个I/O(GPE11、12、13、GPG2)口接步进电机驱动器。如图1所示。

2 软件系统设计
    本系统软件设计相对较复杂，既要考虑系统基本功能的实现，又要考虑系统易于使用。从软件功能看，主程序主要完成键值处理、LED显示、调用相应任务子程序模块以及各个任务模块下相应算法的实现，系统主流程如图2所示。

2.3 平板旋转任务的实现

    单摆一个摆动周期为2 s，步进电机旋转1°需要4个脉冲，故此任务中只需控制脉冲输出频率为720 Hz即可完成单摆摆动一个周期平板寻转一圈的要求。
2.4 硬币叠放任务实现
    如图6所示，将摆杆拉至一固定角度α(α在45°～60°之间)，系统通过平板底部角度传感器采集平板的倾角，根据PID算法控制步进电机将平板调至水平状态。将8枚硬币整齐叠放在平板中心位置，此时Z轴的加速度值等于1 g；放手后平板会略微倾斜，此时Z轴的加速度值小于1 g，因此可根据Z轴加速度值的大小判断松手时刻，与此同时通过转轴处的加速度传感器采集摆杆与垂直方向的夹角(即摆角α)，并控制步进电机偏转α角度(即平板与摆杆垂直)。经受力分析可知，在平板与摆杆垂直状态时，各枚硬币X和Y方向所受合力均为0（即硬币处于平衡状态），硬币不会从平板滑落（对应多枚模式）。

参考文献
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