单轴双轮自平筏代步车的研究ｓ设计Ｊ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９６７８ＡＢＶＤＤ同相发送器输出／接收器输入反相发送器输出／接收器输入供电电压本系统控制器与两无刷电机驱动器之间的通信采用的ＲＳ４８５硬件电路接口芯片是Ｓｉｐｅｘ公司的ＳＰ４８５Ｒ，ＳＰ４８５Ｒ芯片是一款高性能的ＲＳ４８５收发器，而且包含更槲收发器接到同一条传输线上又不会引起信号的衰减。本设计中传输距离不超过１米，这能够很好满足数据传输的需求。ＳＰ４８５Ｒ的芯片引脚功能如表３．４所示，其硬件电路如图３．１３所示。．高的ＥＳＤ保护和接受器输入阻抗高达１５０Ｋ。理论上，接收器的高输入阻抗可以使Ｖｎ￡图３．１３ＳＰ４８５硬件电路３．５．３复位电路单片机系统有时会出现一些不可预料的现象，如在调试过程中就曾遇到无规律可循的死机、程序跑飞等，而用仿真器调试时却无此现象发生或极少发生此现象。有时在关闭电源后的短时间内再次开启电源，单片机可能会工作不正常。这些现象，都可认为是由于单片机复位电路的设计不当引起的㈣。本文中针对单片机系统采用了一种改进的积分型复位电路，可保证系统稳定工作。３２单轴双轮自平筏代步车韵研究ｓ设计Ｊ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９Ｖ匹占ｊ篁土ａＤ５１１ｋ４１４８一Ｉ殴舌Ｃ＝译’三Ｔ溢。＝Ｆ图３．１４单片机复位电路设计３．５．４模数转换电路本系统中采用模数转换芯片ＴＩ＿Ｌ－＇２５４３来采集陀螺仪、加速度计、转把电位器等传感器的模拟电压信号送给控制器处理分析。Ｔ／＿Ｌ－＇２５４３是可选择１１个输入通道、１２位、开关电容、逐次逼近的模数转换器ＡＤＣ每一器件具有三个控制输入口（芯片选择，输入输出时钟以及地址输入）和一个串行三态输出口，能与主处理器或外围设备的串行接口通信。器件允许来自主机的高速数据传送。除了高速转换器和多用途的控制能力外，器件还具有片内１４通道多路转换器，它可选择１１个输入通道或３个内部自测试电压中的任一个采样保持功能。在转换结束时，转换结束（ＥＯＣ）输出变为高电平以指示转换完成。组合在器件中的转换器的特点包括易于实现比率转换的差分高阻抗基准输入端，定标以及模拟电路与逻辑和电源噪声的隔离。开关电容设计允许在整个工作温度范围内实现低误差的转换，ＴＩ．Ｌ－＇２５４３转换时间为１０ｕｓ，具有内部采样与保持、片内系统时钟、单极性或双极性输出运用、可编程ＭＳＢ或ＬＳＢ在前以及可编程的掉电（低功率）方式等特点。ＴＬＣ２５４３可通过对输入寄存器中数据长度编程，选择８、１２或１６时钟长度的输入序列。从而实现串行８、１２或１６位长度的数据输出。因为转换器具有１２位的分辨率，建议选１２位的数据长度。本系统中应用的也是１２位数据长度方式。Ｔ／＿，Ｃ）＿．５４３的引脚功能如下：１）剐啪～√必１０：模拟量输入端，１１路输入信号由内部多路器选通；２）ＣＳ－片选端。在ＣＳ端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定单轴双轮自平钠代步车的研究与设计＆ＣＺｌｍｎ９２００９的时间内禁止ＤＡＴＡ矾Ｐ１，Ｔ和ＩＯ３）ＤＡＴＡＣＬＯＣＫ；ＩＮＰＵＴ：ＡＤ转换结果的三态串行输出端。ＣＳ为高时处于高阻状态，ＣＳ为低时处于激活状态；４）ＤＡＴＡＯＵＴＰＵＴ：ＡＤ转换结果的三态串行输出。ＣＳ为高时处于高阻状态，ＣＳ为低时处于激活状态；５）ＧＮＤ：地，ＧＮＤ是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压测量都相对ＧＮＤ而言；６）ＩＯＣＬＯＣＫ：输入输出时钟端。ＩＯＣＬＯＣＫ接收串行输入信号并且完成以下的四个功能：第一是在ＩＯＣＬＯＣＫ的前８个上升沿，８位输入数据存入输入数据存储ＣＬＯＣＫ第四个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到ＩＯＣＬＯＣＫ的最后一个下降沿为止；第三是将前一次的转换数据输出到ＤＡＴＡＯＵＴ，在ＩｏＣＬＯＣＫ的下降沿时数据开始发生变化；第四是ＩＯＣＬＯＣＫ最后一个下器：第二是在Ｉｏ降沿，将转换的控制信号送到内部状态控制位；７）ＲＥＦ＋：正基准电压端。基准电压的正端被加到砌强＋，最大输入电压范围由加于本端与ＲＥＦ．端的电压差决定；８）ＲＥＦ．：负基准电压端。基准电压的低端被加到ＲＥＦ．；９）ＶＣＣ：电源。可以使Ⅱ．Ｃ２５４３工作在与ＳＰＩ协议兼容的模式下，直接与微控制器的ＳＰＩ接口连接，这样可大大简化软件编程，方便了系统设计。＇ｒｔＬ－＇２５４３的硬件电路设计如图３．１５所示。－＝Ｆ图３．１５模数转换器ＴＬＣ２５４３应用电路单轴双轮自平巍代步车钓研究ｓ设计Ｊ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９４系统软件设计与实际测试硬件控制电路为系统的功能及实时性提供基本保证，系统控制策略的实现主要体现软件设计上。系统的编程采用Ｃ语言，避免了用汇编语言编程周期长，易出错，难以维护的弱点，整个程序可读性好，模块化的结构设计，层次清晰。４．１系统软件功能模块划分程序的执行过程包括以下几个部分：系统的上电初始化与自校准、进行必要的寄存器、变量初值及中断向量的安装，然后进入主循环程序，响应处理系统各中断请求，系统数据处理程序等。程序大致可分为下列功能模块：１）初始化及主循环程序；２）ＡＤ采样及计算程序：３）实时转速计算程序；４）ＰＷＭ占空比调节程序；５）故障处理程序。４．２软件功能模块设计４．２．１初始化和主循环模块系统硬件的初始化包括：（１）ＡＴｍｅｇａｌ６Ｌ单片机的ＩＯ引脚配置，用到的寄存器有ＩＯ端口方向寄存器ＤＤＲｘ、端１２１数据寄存器ＰＯＲＴｘ、端口输入引脚地址Ｐ矾ｘ（ｘ是指Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四组ＩＯ端口），闲置悬空的ＩＯ引脚设置为上拉输入；（２）定时器／计数器寄存器配置，包括控制寄存器ＴＣＣＲｎ、数据寄存器ＴＣＮＴｎ、输出比较寄存器ＯＣＲＢ、输入捕捉寄存器ＩＣＲｎ等：（３）串行通信接口ＵＳＡＲＴ寄存器配置，包括数据寄存器ＵＤＲ、控制和状态寄存器ＵＣＳＲＡ、波特率寄存器ＵＢＲＲＬ和ＵＢＲＲＩ－Ｉ。系统变量初始化包括：陀螺仪和加速度计信号值ＡＤ转换获得的角度、滤波后系统的估计角度、转把信号角度、系统给无刷电机的ＰＷＭ信号等等。上电初始化完成后，控制程序进入主循环，开中断。主循环程序中，系统不断检测更新车体的姿态信息，根据车体当前状态计算出适合电机驱动信号在中断程序中送给无刷电机，维持车体动态平衡。如图４．１所示。单轴双轮自平衡代步车的研究ｓ设计ｄ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ２００９图４．１主循环程序流程４．２．２ＡＤ采样及采样数据滤波处理模块系统设计一个函数ＧｅｔＶｏｌｔ（）完成ＴＩ．Ｌ－－＇２５４３的ＡＤ转换功能，陀螺仪、加速度计、转把分别调用该函数获取ＡＤ采样值。ＶｏｌｔＧｙｒｏ为陀螺仪电压信号值，Ｖｏｌｔｘ、Ｖｏｌｔｙ、Ｖｏｌｔｚ分别为加速度计三灵敏轴的电压输出信号值，ＶｏｌｔＴｕｍ为转把的电压信号值。ＶｏｌｔＧｙｒｏ＝ＧｅｔＶｏｌｔ（０ｘ１０）；ＶｏｌｔｘＶｏｌｔｙ＝ＧｅｔＶｏｌｔ（Ｏｘ２０）；＝ＧｅｔＶｏｌｔ（０ｘ３０）；＝ＧｅｔＶｏｌｔ（０ｘ４０）；ＶｏｌｔｚＶｏｌｔＴｕｍ＝ＧｅｔＶｏｌｔ（０ｘ５０）；采样所得电压信号值分别经各自的换算关系得到标准单位的角度信号值。该数据经简易互补滤波算法处理可得到最优系统姿态角度估计。在实际完成的代步车
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