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摘 要：本文将在DSP+单片机的基础上，对主从式电动轮椅控制器进行详细的设计分析，以此为提高电动轮椅的控制灵活性、应用安全性奠定良好的基础。
关键词：DSP+单片机;主从式电动轮椅;控制器;设计
电动轮椅是以电能为动力支撑的智能设备，它的操作简单，不会对环境造成污染，在帮助腿脚不便的中老年人出行方面有积极意义，是残疾人心目中较为理想的一种代步车型。但就国内在电动轮椅的制造方面来说，目前我国在电动轮椅的生产制造方面有些关键零件仍需要从国外获取，尤其是在电动轮椅的控制器的应用上，主要还是从国外进口，这在一定程度上提高了电动轮椅的制造成本，使得普通家庭根本承担不起它的销售“高价”，这一问题对我国的电动轮椅市场的发展也造成了极大的限制。鉴于此，本文从DSP+单片机的基础上着手，对主从式电动轮椅的控制器进行了系统分析设计，从根本上提高了控制器的应用灵活性，为降低电动轮椅的生产成本奠定了良好的基础。
1控制方案的选择
在速度控制方面，通常采用转速负反馈技术，发动机控制系统中对转速检测的理想动静态性能主要是通过测速发生器或光电码盘来实现的，精度很高[1]，但系统中使用的发动机体积小，安装在轮椅上。如果加上速度发生器，轮椅就更难了，而且系统的速度控制精度不高，所以采用速度电机钳位电压来估算发动机转速，既节省了成本，又缩小了控制器的体积。
为了实现轮椅的基本操作：前、后、左、右、停止、行进，系统设计中根据轮椅的运动特性和发动机相对于轮椅的牵引方式，需要两台四象限直流电机来实现系统的运行。因此，sir-H驱动系统采用两套双极性直流电机控制[2]。
2驱动电路的设计
该IR2110型功率 MOSFET驱动器主要由高压侧驱动电路、低压侧驱动电路、电平转换电路以及输入逻辑电路等构成。
与功率地（COM）相比，高压侧沟道电位基准点（VS）可在-5v～V.500范围内浮动，其浮动电平基准点为6英尺（VS），浮动电位电源为7英尺（VB），自举电容器C1。安装在高压侧电源管的两个浮子插头VS源极之间，当高压侧电源管断开，低压侧电源管通电时，将VS向下拉，靠近COM，电源15V电源由自举二极管D1充电。当高压侧电源线通电时，引脚VS在高压侧电源附近浮动，允许电压为+500 V。
3 DSP 控制系统及信号检测电路分析设计
功率控制电路的核心是DSP控制系统。主要部件包括：TI公司DSP芯片TMS320LF2406、DC/DC电压转换芯片、edge晶体振荡器、JTAG编程接口电路;其他外围电路包括轮椅门控制检测电路、直流电机电压、电流采样电路、SCI通信模块、功率MOSFET检测电路。
电压及电流检测电路
（1）电机电压检测电路
在此基础上，设计了同步采样电路，将电机两端的接地电压U，U-，送入分压限流保护，再送入DSP AD采样模块进行软件差分，得到电机两端的电压值。图形 C为滤波容量。
（2）电机电流检测电路
主电路上的电流通过串联采样电阻在电桥电路的低电压下检测。在H桥的两个臂的底部，检测电路串联电压信号VL的采样电阻VR加上参考电压Vref，Vout[3]。通过运算放大器调节Rf得到，只有R1、R2、R3、R4值，Vout可以保持在0～3.3V，以1.65V为中心的对称电压值输入DSP，在零电流时电路输出V;1.65流过电机的电流为正，输出电压为1.65～3.3V;流经电机的电流为0～1.65V。
4液晶显示器模块电路及控制软件设计
本设计采用基于ST7920控制器的 LCD显示模块。内置8192个汉字（16*16數组）、128个ASCII字符库（8*16数组）和64*256数组显示RAM（GDRAM）。为了满足多个微处理器和单片机接口的需要，模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行和3线串行等接口方式。为了使汉字和图形的显示更加简单有效，模块设计了2MB汉字CGRAM和64*256点阵式GDRAM绘图区，同时模块还提供了4套可编程控制的16*16点阵字体空间;知道液晶显示模块对读、写时序的要求后，就可以编程了。该液晶模块显示的信息主要分为三个部分：1，当轮椅正常工作时，以图形化方式显示电池电量和轮椅加减速档位;2，在故障模式下，以文字方式显示所发生的故障类型，便于用户进行检查排除;3，在参数设置模式下，显示可以设置的参数信息及其变化范围。当系统上电后， LCD模块应能正确初始化。除了正确配置 I/O接口外，ST7920液晶模块的初始化也要在其内部写上初始化命令。液晶显示器的初始化工作完成后，就可以对其进行读写操作，读写不涉及任何中断或复杂的逻辑运算，模块化封装后的显示内容，在需要时直接调用相应的函数，非常方便。
5基于 USART 的通讯模块设计及软件设计
在PIC单层芯片微计算机中，通用同步收发机是一个常用的串行通信接口，可以设置为全对通讯模式，也可以设置为反双向通信模式，该模块的非同步串行通信方式应用范围最广。利用异步串行接口可方便地实现单片机与 PC机的通讯，也可实现多机联网，实现分布式控制。由于单片机控制电路和 DSP控制电路之间的通信距离不到1米，所以有很多种异步串行通信协议，本设计采用RS-232协议实现联机通信。美国电子工业协会（EIA）发布了RS-232标准总线被广泛应用于异步串行通信。
其中包括电气和机械部分的位串行传输规则，适用于短距离通信或有调制解调器的通信场合。EIA还发布了RS-422，RS-423和RS-485串行总线接口标准，以提高数据传输速率和通信距离。MCU的 USART模块工作在异步通信模式下，每个数据编码都使用标准的非归零编码（NRZ），1为高电压，0为低电压。一次完整的字节通讯由1开始位据0引导，后面跟着8或9位数据信息，最后以高电平停止位结束。因为 USART模块不支持硬件自动计算校验位，所以需要自编软件来实现。通讯时，接收方同意奇偶校验标准。接受者每收到一次完整的数据，就立即进行一次真正有用的8位数据信息的奇偶检查，如果数据正确，所得到的校验位应等于9位数据[35][36]。MCU控制板发送到 DSP电源板的通信信号包括：电机运行相关参数、操纵杆信号 A/D转换结果、速度档位信号、开机信号、关闭信号。其中， DSP功放发送到单片机控制板的信号以故障信号为主。
总结
在国外，电动轮椅及其控制技术已经得到了多年的研究，而在国内，这项技术的研究还处于起步阶段。在广泛查阅国外相关文献的基础上，根据课题的需要和控制技术的发展状况及发展趋势，设计并实现了一套以数字信号处理器为核心，以单片机为核心的主从电动轮椅控制器，通过实验验证了设计的有效性。这一设计在一定程度上填补了国内技术空白，为今后进一步研究电动轮椅的智能化、网络化提供了一个硬件平台。
参考文献：
[1]白创，李帆，汪东.L-DSP片上调试电路的设计与实现[J].湖南大学学报（自然科学版），2020，47（8）：69-73.
[2]宋连庆，万卓，韦新磊， 等.基于DSP-FPGA的APF的硬件设计[J].电子技术应用，2020，46（5）：74-78.
[3]胡跃祥.基于DSP的电动轮椅双电机驱动控制器的设计与实现[D].江苏：南京理工大学，2015.
（宁波财经学院 浙江 宁波 315000）
关键词：DSP+单片机;主从式电动轮椅;控制器;设计
电动轮椅是以电能为动力支撑的智能设备，它的操作简单，不会对环境造成污染，在帮助腿脚不便的中老年人出行方面有积极意义，是残疾人心目中较为理想的一种代步车型。但就国内在电动轮椅的制造方面来说，目前我国在电动轮椅的生产制造方面有些关键零件仍需要从国外获取，尤其是在电动轮椅的控制器的应用上，主要还是从国外进口，这在一定程度上提高了电动轮椅的制造成本，使得普通家庭根本承担不起它的销售“高价”，这一问题对我国的电动轮椅市场的发展也造成了极大的限制。鉴于此，本文从DSP+单片机的基础上着手，对主从式电动轮椅的控制器进行了系统分析设计，从根本上提高了控制器的应用灵活性，为降低电动轮椅的生产成本奠定了良好的基础。
1控制方案的选择
在速度控制方面，通常采用转速负反馈技术，发动机控制系统中对转速检测的理想动静态性能主要是通过测速发生器或光电码盘来实现的，精度很高[1]，但系统中使用的发动机体积小，安装在轮椅上。如果加上速度发生器，轮椅就更难了，而且系统的速度控制精度不高，所以采用速度电机钳位电压来估算发动机转速，既节省了成本，又缩小了控制器的体积。
为了实现轮椅的基本操作：前、后、左、右、停止、行进，系统设计中根据轮椅的运动特性和发动机相对于轮椅的牵引方式，需要两台四象限直流电机来实现系统的运行。因此，sir-H驱动系统采用两套双极性直流电机控制[2]。
2驱动电路的设计
该IR2110型功率 MOSFET驱动器主要由高压侧驱动电路、低压侧驱动电路、电平转换电路以及输入逻辑电路等构成。
与功率地（COM）相比，高压侧沟道电位基准点（VS）可在-5v～V.500范围内浮动，其浮动电平基准点为6英尺（VS），浮动电位电源为7英尺（VB），自举电容器C1。安装在高压侧电源管的两个浮子插头VS源极之间，当高压侧电源管断开，低压侧电源管通电时，将VS向下拉，靠近COM，电源15V电源由自举二极管D1充电。当高压侧电源线通电时，引脚VS在高压侧电源附近浮动，允许电压为+500 V。
3 DSP 控制系统及信号检测电路分析设计
功率控制电路的核心是DSP控制系统。主要部件包括：TI公司DSP芯片TMS320LF2406、DC/DC电压转换芯片、edge晶体振荡器、JTAG编程接口电路;其他外围电路包括轮椅门控制检测电路、直流电机电压、电流采样电路、SCI通信模块、功率MOSFET检测电路。
电压及电流检测电路
（1）电机电压检测电路
在此基础上，设计了同步采样电路，将电机两端的接地电压U，U-，送入分压限流保护，再送入DSP AD采样模块进行软件差分，得到电机两端的电压值。图形 C为滤波容量。
（2）电机电流检测电路
主电路上的电流通过串联采样电阻在电桥电路的低电压下检测。在H桥的两个臂的底部，检测电路串联电压信号VL的采样电阻VR加上参考电压Vref，Vout[3]。通过运算放大器调节Rf得到，只有R1、R2、R3、R4值，Vout可以保持在0～3.3V，以1.65V为中心的对称电压值输入DSP，在零电流时电路输出V;1.65流过电机的电流为正，输出电压为1.65～3.3V;流经电机的电流为0～1.65V。
4液晶显示器模块电路及控制软件设计
本设计采用基于ST7920控制器的 LCD显示模块。内置8192个汉字（16*16數组）、128个ASCII字符库（8*16数组）和64*256数组显示RAM（GDRAM）。为了满足多个微处理器和单片机接口的需要，模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行和3线串行等接口方式。为了使汉字和图形的显示更加简单有效，模块设计了2MB汉字CGRAM和64*256点阵式GDRAM绘图区，同时模块还提供了4套可编程控制的16*16点阵字体空间;知道液晶显示模块对读、写时序的要求后，就可以编程了。该液晶模块显示的信息主要分为三个部分：1，当轮椅正常工作时，以图形化方式显示电池电量和轮椅加减速档位;2，在故障模式下，以文字方式显示所发生的故障类型，便于用户进行检查排除;3，在参数设置模式下，显示可以设置的参数信息及其变化范围。当系统上电后， LCD模块应能正确初始化。除了正确配置 I/O接口外，ST7920液晶模块的初始化也要在其内部写上初始化命令。液晶显示器的初始化工作完成后，就可以对其进行读写操作，读写不涉及任何中断或复杂的逻辑运算，模块化封装后的显示内容，在需要时直接调用相应的函数，非常方便。
5基于 USART 的通讯模块设计及软件设计
在PIC单层芯片微计算机中，通用同步收发机是一个常用的串行通信接口，可以设置为全对通讯模式，也可以设置为反双向通信模式，该模块的非同步串行通信方式应用范围最广。利用异步串行接口可方便地实现单片机与 PC机的通讯，也可实现多机联网，实现分布式控制。由于单片机控制电路和 DSP控制电路之间的通信距离不到1米，所以有很多种异步串行通信协议，本设计采用RS-232协议实现联机通信。美国电子工业协会（EIA）发布了RS-232标准总线被广泛应用于异步串行通信。
其中包括电气和机械部分的位串行传输规则，适用于短距离通信或有调制解调器的通信场合。EIA还发布了RS-422，RS-423和RS-485串行总线接口标准，以提高数据传输速率和通信距离。MCU的 USART模块工作在异步通信模式下，每个数据编码都使用标准的非归零编码（NRZ），1为高电压，0为低电压。一次完整的字节通讯由1开始位据0引导，后面跟着8或9位数据信息，最后以高电平停止位结束。因为 USART模块不支持硬件自动计算校验位，所以需要自编软件来实现。通讯时，接收方同意奇偶校验标准。接受者每收到一次完整的数据，就立即进行一次真正有用的8位数据信息的奇偶检查，如果数据正确，所得到的校验位应等于9位数据[35][36]。MCU控制板发送到 DSP电源板的通信信号包括：电机运行相关参数、操纵杆信号 A/D转换结果、速度档位信号、开机信号、关闭信号。其中， DSP功放发送到单片机控制板的信号以故障信号为主。
总结
在国外，电动轮椅及其控制技术已经得到了多年的研究，而在国内，这项技术的研究还处于起步阶段。在广泛查阅国外相关文献的基础上，根据课题的需要和控制技术的发展状况及发展趋势，设计并实现了一套以数字信号处理器为核心，以单片机为核心的主从电动轮椅控制器，通过实验验证了设计的有效性。这一设计在一定程度上填补了国内技术空白，为今后进一步研究电动轮椅的智能化、网络化提供了一个硬件平台。
参考文献：
[1]白创，李帆，汪东.L-DSP片上调试电路的设计与实现[J].湖南大学学报（自然科学版），2020，47（8）：69-73.
[2]宋连庆，万卓，韦新磊， 等.基于DSP-FPGA的APF的硬件设计[J].电子技术应用，2020，46（5）：74-78.
[3]胡跃祥.基于DSP的电动轮椅双电机驱动控制器的设计与实现[D].江苏：南京理工大学，2015.
（宁波财经学院 浙江 宁波 315000）