基于CC430F6137的工業(yè)手柄搖桿優(yōu)化模型研究

劉偉靜，趙超澤，王 東，徐文麗，姚 寧，王小濤

(1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所,天津 300458；2.天津市宇航智能裝備技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300458；3.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院,河北 廊坊 061100)

0 引言

隨著現(xiàn)代機(jī)械工程的快速發(fā)展，工業(yè)手柄[1-2]越來(lái)越多地應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、機(jī)器人[3]、移動(dòng)車(chē)等。其中，工業(yè)手柄的搖桿[4]操作可實(shí)現(xiàn)設(shè)備移動(dòng)的靈活性與穩(wěn)定性。手柄控制方式分為無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種。無(wú)線(xiàn)手柄與有線(xiàn)手柄相比，具有較高的移動(dòng)靈活性，且安裝方便、操作簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)成本較低。因此，大部分領(lǐng)域使用無(wú)線(xiàn)手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。文獻(xiàn)[5]以STC89C52單片機(jī)為主控單元，設(shè)計(jì)了搖桿信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。該模塊在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)模塊初始化時(shí)讀取的三組數(shù)據(jù)均為無(wú)效數(shù)據(jù)，且在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)需在一定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)傳輸，因而增加了數(shù)據(jù)處理時(shí)間和設(shè)備能耗。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種便攜式多功能無(wú)線(xiàn)游戲手柄。該手柄能準(zhǔn)確輸出控制命令，但同一時(shí)間從緩存區(qū)讀取的11個(gè)字節(jié)不一定是同一個(gè)數(shù)據(jù)包中的，導(dǎo)致信道利用不充分甚至丟包。

本文從手柄軟件設(shè)計(jì)入手，采用CC430F6137單片機(jī)[7]作為手柄控制器的核心部分，利用ADC采集搖桿偏移量，設(shè)置ADC采樣參數(shù)，確?？刂破髅看尉刹杉揭粋€(gè)完整的數(shù)據(jù)包；通過(guò)對(duì)比的方式建立搖桿數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，以提高搖桿操作精度。

1 硬件系統(tǒng)

作為智能設(shè)備的上位機(jī)系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)手柄具有遠(yuǎn)距離遙控下位機(jī)的功能，可實(shí)現(xiàn)平移、轉(zhuǎn)向、升降、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作。無(wú)線(xiàn)手柄操控方便，可靠性較高，能較好地滿(mǎn)足使用者的要求。

單片機(jī)具有集成度高、可靠性高、控制功能強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，是工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛使用的元件。德州儀器推出的射頻芯片CC430延續(xù)了MSP430單片機(jī)的超低功耗設(shè)計(jì)，采用了CC1101[8]作為無(wú)線(xiàn)內(nèi)核，成為新一代無(wú)線(xiàn)式單片機(jī)。因此，本文選用CC430F6137作為手柄控制核心單元。將CC430F6137中的13個(gè)I/O連接手柄按鍵，4個(gè)模擬量接口連接手柄搖桿。手柄顯示屏采用并行通信模式。其中，手柄搖桿產(chǎn)生的模擬量信號(hào)通過(guò)ADC中斷轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，并存入CC430F6137單片機(jī)寄存器內(nèi)。解析該搖桿信號(hào)即可控制下位機(jī)的動(dòng)作。手柄硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手柄硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 搖桿優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的手柄采用雙軸搖桿模塊。該模塊由2個(gè)滑動(dòng)變阻器[9]組成。撥動(dòng)搖桿時(shí)滑動(dòng)變阻器的阻值發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的x、y軸電壓值隨之變化，進(jìn)而產(chǎn)生x、y軸方向的偏移量。當(dāng)搖桿不進(jìn)行任何操作時(shí)，單片機(jī)ADC采集到的x、y軸的偏移量視為搖桿的原點(diǎn)。然而，由于滑動(dòng)變阻器的不穩(wěn)定性，搖桿原點(diǎn)會(huì)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，易產(chǎn)生手柄無(wú)操作但下位機(jī)動(dòng)作的問(wèn)題。因此，必須將搖桿原點(diǎn)限定在一定范圍(即死區(qū)[10]范圍)內(nèi)，以防止危害事故的發(fā)生。本文以該特性為出發(fā)點(diǎn)優(yōu)化搖桿死區(qū)，提高手柄操控性能。搖桿偏移量采集流程如圖2所示。

圖2 搖桿偏移量采集流程

在保證搖桿正常應(yīng)用的前提下擴(kuò)大搖桿死區(qū)范圍，確定在不進(jìn)行任何操作時(shí)搖桿采集點(diǎn)數(shù)始終保持在死區(qū)范圍內(nèi)。不同的死區(qū)設(shè)置方式具有不同的效果。下面解析搖桿死區(qū)分別設(shè)置為方形和圓形時(shí)的特點(diǎn)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 方形死區(qū)模型

方形死區(qū)模型如圖3所示。

圖3 方形死區(qū)模型

當(dāng)不操作搖桿時(shí)，設(shè)定搖桿x、y軸的實(shí)際偏移量分別為s、t(s>0，t>0)。死區(qū)范圍設(shè)為：當(dāng)x值滿(mǎn)足a

搖桿在死區(qū)范圍外，xvirtual、yvirtual軸正負(fù)方向的偏移量分別為1 024，即解析后的搖桿坐標(biāo)范圍為-1 024≤xvirtual≤1 024、-1 024≤yvirtual≤1 024。由此可以得到死區(qū)范圍之外的角度計(jì)算方法，如式(1)所示。

(1)

式中：A為搖桿當(dāng)前角度值。

當(dāng)x、y值處于陰影區(qū)域2時(shí)，滿(mǎn)足xvirtual=0或yvirtual=0，表示搖桿向正前、正左、正后、正右四個(gè)方向推動(dòng)。

上述方式可在保證搖桿正常應(yīng)用的前提下有效擴(kuò)大死區(qū)范圍，保證搖桿不會(huì)在非操作模式下發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)。

以圖3(a)的第一象限為例。當(dāng)搖桿沿圖3(b)中的虛線(xiàn)箭頭方向推動(dòng)時(shí)，搖桿角度會(huì)出現(xiàn)0°(OA)→90°(AB)→γ(0<γ<45°)的跳變，造成輸出方向的突變，極易引起下位機(jī)方向突變，甚至死機(jī)。同理，在其他3個(gè)象限也會(huì)出現(xiàn)角度跳變現(xiàn)象。

2.2 圓形死區(qū)模型

滿(mǎn)足(xvirtual-s)2+(yvirtual-t)2≤r2(r>0)的區(qū)域?yàn)樗绤^(qū)范圍。當(dāng)搖桿處于死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，坐標(biāo)設(shè)為O(0,0)。

死區(qū)范圍之外的角度計(jì)算如式(1)所示。為判斷搖桿向正前、正左、正后、正右四個(gè)方向的推動(dòng)，設(shè)定：

(2)

式中：0°<α<45°。

圓形死區(qū)模型如圖4所示。

圖4 圓形死區(qū)模型

根據(jù)式(1)、式(2)可知，該設(shè)置方法擴(kuò)大了搖桿0°、90°、180°、270°四個(gè)方向的范圍。圓形死區(qū)模型撥動(dòng)方向如圖4(b)中陰影區(qū)域2所示。

分析圖4(b)中的第一象限可知，直行推動(dòng)搖桿至死區(qū)范圍外，不會(huì)出現(xiàn)角度跳變，消除了搖桿操作造成的下位機(jī)方向突變的問(wèn)題。

3 基于優(yōu)化模型的無(wú)線(xiàn)傳輸程序

搖桿采用圓形死區(qū)模型。本文采用自定義方式設(shè)置無(wú)線(xiàn)傳輸程序，采用6個(gè)字節(jié)的自由協(xié)議：幀頭為0xAA；第2個(gè)字節(jié)為x軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)；第3個(gè)字節(jié)為y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)；第4個(gè)字節(jié)為角度；第5個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)位，應(yīng)用偶校驗(yàn)方式；幀尾0xBB。

手柄發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 手柄發(fā)送數(shù)據(jù)流程

本文應(yīng)用CC430F6137單片機(jī)中的ADC中斷構(gòu)建程序。具體程序構(gòu)建流程如下所述。

3.1 ADC中斷初始化

首先初始化ADC中斷，然后通過(guò)配置寄存器，使能該中斷。

void ADC_Init(void)

|{|P2SEL=0xCF;//使能ADC 通道輸入

ADC12CTL0=ADC12ON+ADC12MSC+ADC12SHT0_8;

ADC12CTL1=ADC12SHP+ADC12CONSEQ_1+ADC12SSEL_3;

ADC12MCTL0=ADC12INCH_0;

ADC12MCTL1=ADC12INCH_1;

ADC12MCTL2=ADC12INCH_2;

ADC12MCTL3=ADC12INCH_3;

ADC12MCTL6=ADC12INCH_6;

ADC12MCTL7=ADC12INCH_7+ADC12EOS;

ADC12IE=0x08;

delayxms(100);

ADC12CTL0 |=ADC12ENC;

ADC12CTL0 |=ADC12SC;

delayxms(100);

}

3.2 配置ADC寄存器

在中斷程序中應(yīng)用無(wú)符號(hào)整型數(shù)組results[8]配置ADC中的0、1、2、3、6、7號(hào)寄存器，將x、y、z三軸坐標(biāo)分別配置在results數(shù)組的1、0、6號(hào)寄存器中。具體如下。

results[0] = ADC12MEM0; //y軸坐標(biāo)

results[1] = ADC12MEM1;

//x軸坐標(biāo)

results[2] = ADC12MEM2;

//外部電壓

results[3] = ADC12MEM3;

//電池電壓

results[6] = ADC12MEM6;

//z軸坐標(biāo)

results[7] = ADC12MEM7;

3.3 設(shè)置搖桿死區(qū)

x軸和y軸采用二維坐標(biāo)，設(shè)置圓形死區(qū)。中心點(diǎn)設(shè)置方法為：采集20次x軸和y軸搖桿在起始點(diǎn)的坐標(biāo)，取其平均值，設(shè)為中心點(diǎn)，例如(2 035,2 022)。以中心點(diǎn)為圓點(diǎn)，以Blind_Spot為半徑，設(shè)置圓形死區(qū)。

z軸單獨(dú)作為一維坐標(biāo)。采集20次z軸搖桿在起始點(diǎn)的坐標(biāo)，取其平均值，設(shè)為中心，例如2 050。以中心點(diǎn)為起點(diǎn)，上下取100，設(shè)置為死區(qū)范圍，即z軸在(1 950,2 150)范圍內(nèi)的變化忽略不計(jì)。

具體程序如下。

if(zeroflag==0)

//原點(diǎn)限制

{

ShiftZeroX = results[1];

ShiftZeroY = results[0];

if ((pow((ShiftZeroX-2035),2)+pow((ShiftZeroY-2022),2))>=pow(Blind_Spot,2))

{

ShiftZeroX=2035;

ShiftZeroY=2022;

}

ShiftZeroZ = results[6];

if((ShiftZeroZ>2150)||(ShiftZeroZ<1950))

ShiftZeroZ=2050;

}

3.4 x、y、z軸坐標(biāo)變換

搖桿坐標(biāo)變化范圍為0～4 096，在初始位置時(shí)在2 048上下變化。將中心(2 035,2 022)轉(zhuǎn)換為原點(diǎn)(0,0)，將上下1 024設(shè)置為搖桿的死區(qū)范圍，超出1 024的部分記為1 024。其中，x、y軸坐標(biāo)變換代碼如下。

void XYConvert(int x,int y,int rocker)

|{

if ((pow((x-2035),2)+pow((y-2022),2))>=pow(Blind_Spot,2))

{

if((x>SZeroXN-1024)&&(x

statex=x-SZeroXN;

//x-

else if(x

statex=-1024.0;

else if((x>SZeroXP)&&(x

statex=x-SZeroXP;

else if(x>SZeroXP+1024)

statex=1024.0;

else statex=0;

if((y>SZeroYP)&&(y

statey=y-SZeroYP;

//y+

else if(y>SZeroYP+1024)

statey=1024.0;

//y+

else if((ySZeroYN-1024))

statey=y-SZeroYN;

//y-

else if(y

statey=-1024.0;

//y+

else statey=0;

}

else

{

statex=0;

statey=0;

}

_no_operation();

|}

z坐標(biāo)變換代碼如下：

|int ZConvert(int z,int rocker)

|{

int q;

if((z>SZeroZP)&&(z

q=z-SZeroZP;

//z+

else if(z>SZeroZP+1024)

q=1024.0;

//z+

else if((zSZeroZN-1024))

q=z-SZeroZN;

//z-

else if(z

q=-1024.0;

//z-

else q=0;

return q;

|}

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文應(yīng)用工業(yè)手柄無(wú)線(xiàn)遙控全向移動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的方式，測(cè)試搖桿死區(qū)優(yōu)化模型。試驗(yàn)選擇周?chē)系K物較少、地面干凈平整的場(chǎng)地，使轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)可全向移動(dòng)。試驗(yàn)工業(yè)手柄發(fā)射功率為-10 dBm，最大發(fā)射半徑為100 m，距離轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)5 m處。x軸和y軸的死區(qū)半徑設(shè)置為100 mm。多次撥動(dòng)搖桿并將角度值顯示于液晶屏(liquid crystal display,LCD)上，觀察轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的移動(dòng)方向是否與LCD上的角度信息一致。以x、y軸第一象限為例，說(shuō)明圓形死區(qū)模型和方形死區(qū)模型的優(yōu)劣。緩慢推動(dòng)搖桿，觀察x軸和y軸偏移量的變化。

角度數(shù)值變化如表1所示。

表1 角度數(shù)值變化

由表1可知，當(dāng)設(shè)置圓形死區(qū)時(shí)，由0°變化到65°，無(wú)角度跳變發(fā)生；當(dāng)設(shè)置方形死區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的移動(dòng)方向由0°變化到90°，再跳變到65°。該跳變會(huì)引起轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的行走角度突然發(fā)生變化，造成危險(xiǎn)。而設(shè)置圓形死區(qū)時(shí)，無(wú)角度跳變的情況發(fā)生，消除了上述危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文以CC430F6137作為手柄控制核心，根據(jù)工業(yè)手柄的可靠性建立搖桿數(shù)學(xué)模型，設(shè)定搖桿的死區(qū)模型，并分析該模型的優(yōu)劣。針對(duì)搖桿信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸程序進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了主要的功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和無(wú)線(xiàn)傳輸功能。該研究為后續(xù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。