基于STM32F103虛擬體驗(yàn)的動(dòng)感座椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏謀文，何漢武，胡兆勇，陳詩(shī)接

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.廣東省中山市金龍游樂(lè)設(shè)備有限公司，廣東 中山528400）

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，城鄉(xiāng)居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，文化娛樂(lè)業(yè)在不斷探索中發(fā)生了巨大變化，娛樂(lè)的內(nèi)容、方式、手段、載體都融入了新創(chuàng)意和高科技[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，向我們提供了一種新的體驗(yàn)方式，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，復(fù)雜或抽象系統(tǒng)的概念，可以通過(guò)將系統(tǒng)的各子部件以某種方式表示成具有確切含義的符號(hào)而得以表達(dá)[2]。在此背景下，論文提出了一種以STM32F103為核心的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于虛擬環(huán)境下動(dòng)感體驗(yàn)的方案。

1 系統(tǒng)組成

虛擬體驗(yàn)是個(gè)體與三維計(jì)算機(jī)模擬交互時(shí)栩栩如生的、卷入性的和感性的心理狀態(tài)（活動(dòng)），主要目的在于使得人有接近真實(shí)的體驗(yàn)。動(dòng)感座椅作為其體驗(yàn)方式中的一種重要的設(shè)備，其目的在于使得人有接近真實(shí)的前傾、后仰、顛簸等物理體驗(yàn)，控制系是整個(gè)環(huán)境的核心。因此在結(jié)合虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信息采樣和指令發(fā)送要求實(shí)時(shí)性好，運(yùn)動(dòng)控制策略要在以人的真實(shí)感覺(jué)為前提，同時(shí)平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性要得到保障[2~3]。

本文涉及的動(dòng)感座椅是2個(gè)直線電機(jī)和1個(gè)萬(wàn)向機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)械的平臺(tái)，直線電機(jī)、萬(wàn)向機(jī)構(gòu)按照等邊三角形設(shè)計(jì)，如圖1所示。通過(guò)控制兩個(gè)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模擬虛擬環(huán)境中虛擬汽車的直線行駛、轉(zhuǎn)彎行駛、斜坡行駛等動(dòng)作。

圖1 控制平臺(tái)示意圖

根據(jù)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)包括由虛擬環(huán)境、信息處理、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行三部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

其中，虛擬環(huán)境部分，負(fù)責(zé)營(yíng)造逼真的虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境的逼真程度主要體現(xiàn)在三維場(chǎng)景的質(zhì)量以及與用戶的交互過(guò)程上，三維虛擬場(chǎng)景的渲染效果與系統(tǒng)的沉浸感及實(shí)時(shí)性密切相關(guān)；信息處理部分，負(fù)責(zé)信號(hào)分析和處理，結(jié)合控制策略，給出運(yùn)動(dòng)控制指令，主要由微處理器完成，該處理器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦，由它接收信號(hào)，也由它發(fā)出指令；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分，主要負(fù)責(zé)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制指令做出實(shí)時(shí)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

2 基于STM32F103控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本控制系統(tǒng)選用STM32F103作為主控制芯片，系統(tǒng)首先由Keil uvision4作為軟件開(kāi)發(fā)工具，在線開(kāi)發(fā)出對(duì)伺服電機(jī)的控制程序，調(diào)試運(yùn)行成功以后，再把代碼通過(guò)JTAG下載到STM32F103控制板的FLASH上，經(jīng)STM32F103處理后，發(fā)出的位置指令信號(hào)（脈沖/方向），伺服驅(qū)動(dòng)器接收位置指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使電動(dòng)推桿作直線運(yùn)動(dòng)；另一方面，在外圍安裝有一傳感器，通過(guò)傳感器采集模塊對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行采集進(jìn)而反饋到控制板內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的反饋控制調(diào)節(jié)，圖3為控制系統(tǒng)邏輯框圖。

圖3 控制系統(tǒng)邏輯框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 STM32F103微處理器

STM32F103系列處理器是由意法半導(dǎo)體ST公司設(shè)計(jì)，其使用了高性能的ARM Cortex-M3 32位的RSIC內(nèi)核，其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)SRAM），具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，STM32F103以其強(qiáng)大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)使其在控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的使用[4]。系統(tǒng)主控芯片STM32F103VBH6的具體參數(shù)及IO引腳定義可參考STM32F10XXX中文參考手冊(cè)。

2.1.2 主要電路

（1）電源

STM32F103工作電壓為3.3 V，因此本系設(shè)計(jì)為3.3 V應(yīng)用系統(tǒng)。首先，由電源接口輸入12 V直流電源，經(jīng)電容濾波，然后通過(guò)LM2576T-5.0芯片將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用AMS1117 3.3芯片穩(wěn)壓輸出3.3 V電壓。電源電路如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路

（2）復(fù)位、晶振和啟動(dòng)

復(fù)位電路如圖5所示，復(fù)位部分采用一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 復(fù)位電路

時(shí)鐘電路如圖6所示，8 MHz無(wú)源晶振，提供硬件時(shí)序；32.768 kHz晶振為實(shí)時(shí)時(shí)鐘使用。

圖6 時(shí)鐘電路

啟動(dòng)模式電路如圖7所示，系統(tǒng)啟動(dòng)通過(guò)BOOT[1:0]引腳電平選擇不同的啟動(dòng)模式。BOOT1=x，BOOT0=0：用戶閃存被選為啟動(dòng)區(qū)，表示任意電平；BOOT1=0，BOOT0=1：系統(tǒng)內(nèi)存被選為啟動(dòng)區(qū)；BOOT1=1，BOOT0=1：嵌入式SRAM被選為啟動(dòng)區(qū)。

圖7 啟動(dòng)模式選擇電路

（3）JTAG接口

JTAG調(diào)試接口如圖8所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的20pin接口，通過(guò)此接口利用外部Jlink仿真器可以來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和程序的下載。

圖8 JTAG接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32F103微處理器基于ARM Cortex-M3 32位的RSIC內(nèi)核，很多基于ARM嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境可以用于STM32F103開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟使用Keil uvision4，Keil是德國(guó)知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開(kāi)發(fā)的微控制器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是目前ARM單片機(jī)開(kāi)發(fā)的主流工具。

STM32F103的PWM產(chǎn)生是由定時(shí)器模塊完成的，STM32F103中的定時(shí)器除了TIM6和TIM7外，其他定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出，每個(gè)定時(shí)器都具有16位向上、向下、上下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器，有4個(gè)獨(dú)立的通道。通用定時(shí)器（TIM2~TIM5）可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，而高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路的PWM輸出[5]。在Keil uvision4中STM32F103F通用定時(shí)器TIMx（x=2，3，4，5）產(chǎn)生PWM波形流程如圖9所示。

圖9 輸出PWM流程圖

根據(jù)公式：

可以求出TIMx預(yù)分頻器的值TIMx_Period。其中，TIMxCLK=72 MHz，fTIMx各通道PWM的輸出頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)分頻器的值TIMx_Period來(lái)調(diào)節(jié)各通道的PWM的輸出頻率，通過(guò)輸出頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。圖10為TIM2的CH3（PA2）在Keil uvision4軟件中仿真產(chǎn)生PWM波形。

圖10 PWM輸出波形（fTIM2=100 kHz）

2.3 伺服馬達(dá)與伺服驅(qū)動(dòng)器

系統(tǒng)伺服馬達(dá)選用的是東元TSB系列TSB08751C-2BT-3，輸出功率750 w。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器選用的是東元TSTE系列TSTE20C經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置增量式編碼器。東元TSTE20C伺服驅(qū)動(dòng)器外型精簡(jiǎn)且機(jī)能實(shí)用，具備轉(zhuǎn)矩、速度、位置、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位及混合模式切換功能，內(nèi)建回生煞車晶體、RS232/RS485通訊接口，完善的異常報(bào)警保護(hù)機(jī)制,具有高優(yōu)勢(shì)之性價(jià)比。

東元伺服驅(qū)動(dòng)器提供單模式（位置、速度、轉(zhuǎn)矩）及雙模式切換（位置/速度、速度/轉(zhuǎn)矩、位置/轉(zhuǎn)矩）二類控制方式，這里選擇單模式位置控制，在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器CN1控制信號(hào)端4腳（Pulse）信號(hào)作為外部脈沖控制信號(hào)輸入，6腳(Sign)作為外部方向信號(hào)輸入，5腳（/Pulse）、7腳(/Sign)接地；伺服驅(qū)動(dòng)器CN2編碼器站連接伺服馬達(dá)。

2.4 電機(jī)位置的計(jì)算

查閱?wèn)|元TSTE產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)知，東元TSTE系列T STE20C經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置增量式編碼器：2 000 ppr/2 500 ppr，與馬達(dá)TSB08751C結(jié)合時(shí)，內(nèi)置增量式編碼器規(guī)格為：2 500 ppr。經(jīng)2相計(jì)數(shù)后，在電子齒輪比設(shè)為1的情況下，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周，直線推桿移動(dòng)2.5 mm，周期計(jì)數(shù)需10 000個(gè)脈沖[5]。進(jìn)而根據(jù)計(jì)數(shù)器的值能得到電動(dòng)推桿的具體位置，具體計(jì)算如下：

其中，

θ為每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度；

θm為馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的角度；

Num為定時(shí)器發(fā)出的脈沖數(shù)；

s為直線推桿移動(dòng)的距離；

2.5 電機(jī)方向與位置檢測(cè)的控制

STM32系列的通用輸入輸出GPIO有很強(qiáng)大的功能，其每個(gè)IO口可以自由編程，可以獨(dú)立控制每個(gè)IO口的方向（輸入/輸出模式），可以獨(dú)立設(shè)置每個(gè)IO的輸出狀態(tài)（高/低電平）[4]。這里選用如PE1（PE2）作為輸出（高/低電平），控制電機(jī)Ⅰ（電機(jī)Ⅱ）正反轉(zhuǎn)；選用如PE8作為輸入，檢測(cè)電動(dòng)推桿Ⅰ（電動(dòng)推桿Ⅱ）限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

通過(guò)輸入口電平變化來(lái)檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)電平的變化來(lái)推算此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，然后再根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)推算電機(jī)位置，該方法具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的檢測(cè)效果，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)。

2.6 系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)成

如上所述，本文系統(tǒng)由以STM32F103為核心芯片的控制卡、東元TSTE系列驅(qū)動(dòng)器、東元TSB系列馬達(dá)、力姆泰克IMB系列伺服電動(dòng)缸等組成一個(gè)整的控制系統(tǒng)。圖11為控制系統(tǒng)實(shí)物連接圖。

圖11 控制系統(tǒng)實(shí)連接圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將嵌入式技術(shù)運(yùn)用于虛擬體驗(yàn)的動(dòng)感座椅控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于STM32F-103為控制核心的虛擬體驗(yàn)動(dòng)感座椅控制系統(tǒng)，利用STM32F103定時(shí)器產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制；利用STM32F103輸出口高低電平的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制；利用STM32F103輸入口，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的位置檢測(cè)控制。該方案充分利用STM32F103的超強(qiáng)實(shí)時(shí)計(jì)算能力和一些集成器件，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好、成本低和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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