基于DSP+单片机的主从式电动轮椅控制器设计

基于DSP +单片机的主从式电动轮椅控制器设计

王仁杰1，曾庆军1

（江苏科技大学，江苏 镇江212003）

摘要：文章给出了一种新型的基于DSP+单片机的主从式电动轮椅控制器的设计方案。系统的操作与显示模块由单片机（C8051F020）、液晶显示、操纵杆及按键组成,系统的驱动模块由DSP （TMS320LF2407A）、直流永磁电动机及驱动电路组成,主从机之间采用串口通信方式实现数据的传输。实验结果表明该主从系统能够实现轮椅的多种运动，控制效果较好。

关键词：电动轮椅；C8051F020；DSP2407A；直流永磁电动机

A Design of an Electric Powered wheelchair Controller with the Principal

and Subordinate Structure Based on DSP and MCU

Wang Ren-jie1, Zeng Qing-jun1

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003)

Abstract: This paper presented a new type design of an electric powered wheelchair controller of the principal and subordinate structure based on DSP and MCU. MCU, LCD (liquid crystal display), joy stick and keypad are included in the operating and display modules of the system . DSP (TMS320LF2407A), direct current permanent magnet motor and driving circuit are included in the driver module of the system . The communication between the principal and subordinate is serial communication. The experiment result shows that the principal and subordinate mode system can realize wheelchair’s various kinds of movements and the controlling effect is good.

Key Words: Electric Powered Wheelchair, C8051F020, DSP2407A, Direct current permanent magnet motor

1 引言

当今社会，人口老龄化的问题日益突出，残疾人也得到了社会的更多关注。老年人和残疾人的服务需求将日益增加，助老/助残电动轮椅研发具有重要的现实意义。传统的轮椅需要手动控制，这对许多残障人士存在许多的障碍。目前，国内尚不具备研制开发高性能的轮椅控制器，国产电动轮椅一般为把式，旋转半径比较大，无法满足室内的使用。国内的许多电动轮椅生产企业一般采用新西兰、英国等国家的高性能控制器，甚至部分企业的电动驱动也采用外购方式。因此产品的售价数万元，难以为普通用户接受。因此，设计一种低成本高性能的电动轮椅控制器具有重要的现实意义。

本文设计的新型电动轮椅控制器采用主从式结构，其中系统的操作与显示模块由单片机（C8051F020）、液晶显示、操纵杆及按键组成,系统的驱动模块由DSP

＊ 基金项目：江苏科技大学博士人才支持项目（2008DX176J）

作者简介：王仁杰，男，1983年12月，河北保定人，汉族，江苏科技大学在读研究生，模式识别与智能系统专业，研究方向为：智能系统理论与应用。曾庆军，男，1969年1月，江苏，汉族，博士，教授，研究方向为先进控制理论及应用、机器人传感与控制等。

（TMS320LF2407A）、直流永磁电动机及驱动电路组成,主从机之间采用串口通信

[1]

方式实现数据的传输。从而实现多电机的协调控制，实现轮椅的多种运动。

2 系统总体结构与工作原理

本文设计的电动轮椅控制器采用主从式结构[2，3]。系统的总体结构示意图如图1所示。其中操作与显示模块分别采用C8051F020单片机和液晶显示模块MGL(S)-12864T，操作和显示模块的主要功能有:采集操纵杆的模拟给定信号和按键的速度档位给定；通过MAX232通讯模块，送给驱动模块执行操作，驱动液晶显示器显示当前的电量和速度档位信息；检测操纵杆是否工作正常，通过MAX232通讯模块接收功率控制模块传来的故障信息，判断是否有故障发生，有则通过液晶显示器显示故障并鸣笛报警；通过按键操作和液晶显示模块显示并修改可编程参数，并保存在单片机内部的EEPROM。

驱动模块采用电动机专用控制芯片TMS320LF2407A和直流永磁电机，实现两电机的协调运动，以及电流、电压检测及故障检测。DSP的A/D模块采样电机的电压和电流信号，形成电压闭环控制和电流补偿及过流保护。故障检测电路检测驱动模块的运行状态，并将故障信息传给单片机。两大模块通过MAX232通讯模块进行通信。单片机向DSP发送的信号包括：速度档位信号、操纵杆的A/D转换结果、开机信号、关机信号。驱动模块向操作与显示模块发送的信号主要是故障信号。

　PWM 液晶显示MAX232通讯按键单片机C8051F020故障检测电流电压检测操作与显示模块（单片机）驱动模块（DSP）DSP驱动 PWM 电路左电机右电机TMS320LF2407A操纵杆扬声器 DC/DC转换12V，5V，3.3V直流24V直流蓄电池

图 1 电动轮椅控制器的总体结构示意图

系统运行时，由单片机C8051F020采集操纵杆和按键的输入信号，将信号进行处理后，通过MAX232通讯模块传给DSP。DSP接收到来自单片机的电压变化，将其转化为PWM输出，经过电机PWM信号转换与功率驱动电路送给两台直流永磁电机，按照一定的控制策略[4]，带动轮椅运行，实现前进、后退、左转、右转的

功能。

3 主从控制器硬件电路设计

3.1液晶硬件接口电路设计

本设计采用了北京精电蓬远显示技术公司的液晶显示模块,内藏T6963C控制驱动器图形液晶显示模块MGL(S)-12864T,来显示特定的汉字显示.LCD液晶显示器对外提供了以下几种信号线:8BIT并行数据总线(DB0-DB7),读(RD)、写(WR)控制线,片选(CE),命令/数据(C/D)控制线,还有字体选择控制线(FS).根据这些信号线的逻辑电平,选择合适的主控制器C8051F020的I/O引脚与之相连接.主控制器按照LCD的并行总线接口的控制、数据读写的时序,控制相应的I/O引脚,读写相应的数据端口,实现了对LCD的控制与文本/图形显示.

另外,必须给LCD的V0引脚提供负压偏置,否则就算所有控制读写时序、命令、数据都正常,LCD也不能显示出任何文本或图形来.通过调节LCD的V0引脚的偏置电压,可以改变LCD点阵像素的亮度.VEE端为基准负电压提供端. LCD的背光控制也是需要的,提供对LCD背光的点亮、熄灭控制.在环境光亮程度较低的情

况下,可以清晰的观察LCD液晶屏上显示的界面和数据。液晶硬件接口[5]

设计如

图2所示。 C8051F020 LCD（T6963）Lcd_wr(p2.0)Lcd_rd(p2.1)/WRLcd_cc(p2.2)/RDLcd_cd(p2.3)/CELcd rst(p2.4)C/D VEE/RSTLcd_data(p3.0-p3.7) V0DB0-DB7Lcd_fs(p2.5)Lcd_light(p2.6)FSLED_AVCC

图2 液晶硬件接口设计

3.2 电机PWM信号转换与功率驱动电路

本系统中的电机采用DG-168A型直流永磁电机。电机、齿轮箱为一体化整体结构设计，左、右成组使用、平衡性好、调速性宽阔平滑、高稳定性、安装方便。该电机的额定功率是200W,使用电压为24V。左右两个电机的驱动电路[6]完全相同。电机PWM信号转化与功率驱动电路如图3所示。

图3电机PWM信号转换与功率驱动电路

驱动电路是连接控制器与执行机构的桥梁，在本电路中连接了DSP2407A和电动机的左右电机。功率驱动部分主要由光电耦合器TLP521，反向驱动芯片HEF4069和MOS功率管IRF540构成。

光电耦合器TLP521由12V电源供电，主要起隔离作用，把DSP系统的控制信号和电机的功率信号隔离开来，提高系统抗干扰性，保护DSP控制系统。TLP521的输入为来自DSP的小功率PWM信号，经过隔离后把该信号输出至反向驱动芯片HEF4069 。

反向驱动芯片HEF4069由12V电源供电，主要起增大PWM驱动功率的作用，由于HEF4069内部具有MOSFET的核心结构，所以能增加驱动功率，HEF4069的输入来自光电耦合器TLP521，TLP521输出的PWM经过HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540门控端，用来控制IRF540通断。从DSP出来的每一个PWM信号都接到两个反向单元上去，这两个反向单元并联连接，这样可以增加可靠性，还可以进一步增大IRF540门控端的驱动功率。

MOS功率管IRF540的作用是放大从DSP输出的PWM控制信号，把其变成可以驱动电机的PWM功率信号。IRF540是一个三引脚SOT78封装芯片，是一个功率型芯片，在工作时容易发热，在应用时要给其配上散热片，以免长时间工作把芯片烧毁。

在制作电路板时，在每个马达的续流回路上并联两个RF207，这样可以增加续流电路的可靠性和续流管的使用寿命。电路上有两个完全一样的电机驱动子电路，分别用来驱动左电机和右电机，当两个电机都正转时，轮椅运动方向向前；当两个电机都反转时，轮椅运动方向向后；当一个电机正转，另一个电机反转时，轮椅实现转向。

3.3 系统电源电路

本系统用到的电压有24V、12V、5V、3.3V。这里采用24V，24Ah的高能充电蓄电池作为动力能源，它为电机直接提供24V工作电压，12V，5V分别通过7812，7805芯片由24V直接转换得到。TI公司的电源管理芯片TPS733Q解决了5V到3.3V的转换。系统的电源电路如图4所示