基于ARM9的自由摆平板控制系统的设计及实现

本设计的重点在于通过加速度传感器MMA7455采集各关节处角度信息，并根据得到的角度值及任务要求控制步进电机的运转，完成自由摆臂末端平板姿态的调整，完成预定任务。通过MMA7455加速度传感器得到的是三轴加速度信息，而在实际控制过程中所需要的是角度信息，所以要用到三角函数完成加速度值到角度值的转换，其次实践证明MMA7455加速度传感器稳定性较差，需要通过滑动平均滤波算法对得到的三轴加速度值进行滤波处理，以达到精确控制的目的。而对于步进电机的精确控制则需要PID控制算法以去除控制过程中的抖动，达到自控系统“稳、准、快”的设计要求。综上所述，本系统中存在大量的数据运算及控制算法并且对实时性要求较高，因此选用主频高达400 MHz的S3C2440作为主控芯片，一方面能保证系统基本功能的实现，另一方面有助于系统中各种性能指标的提升。

1 硬件系统设计

本自由摆平板控制板采用S3C2440作为主控芯片，外接Nor Flash AM29LV160DB、Nand Flash K9F1208及两块SDRAM HY57V561620构成嵌入式最小系统[1-4]。Nor Flash和Nand Flash同时存在的好处在于Nor Flash中存放BootLoader完成系统调试及NandFlash中程序的烧写，方便调试。系统设计了5个功能按键分别接到S3C2440 5个外部中断引脚(EINT8、11、13、14、15)，另外接5个LED(GPH9、GPH10、GPF6、GPG1、GPB1)作为各类状态的指示信号。通过S3C2440 6个普通I/O口模拟两路IIC接口(GPF0～GPF5)分别接加速度传感器1、2。4个I/O(GPE11、12、13、GPG2)口接步进电机驱动器。如图1所示。

2 软件系统设计

本系统软件设计相对较复杂，既要考虑系统基本功能的实现，又要考虑系统易于使用。从软件功能看，主程序主要完成键值处理、LED显示、调用相应任务子程序模块以及各个任务模块下相应算法的实现，系统主流程如图2所示。

2.1 加速度值到角度值的转换算法

本自由摆平板控制系统安装了两个加速度传感器MMA7455 ， 即水平安装于平板底部的加速度传感器1 与垂直安装在转轴处的加速度传感器2， 两个加速度传感器安装位置不同， 使用目的不同， 因而对角度的转换方法也不同[ 5]。加速度传感器1 主要用于在静态时对平板

姿态的判定， 因此采用加速度传感器以Z 轴加速度值就可判断出平板静态时的姿态， 如

图3 所示。由图可知Z 轴所得加速度值只是重力沿平板法线方向的一个分量。故此可

得：∠A=∠B=arcos(gz/g)

加速度传感器2 主要用来动态测量摆杆摆角， 为克服误差的引入， 采用X、Y 两个轴向的加速度值来测量摆角， 测量原理如图4 所示。

由图4 可知：θ=artan(gy/gx)。