摘要：以TI公司的MSP430F5438單片機為控制核心，結(jié)合步進電機和精密電位器WDD35D-4，實現(xiàn)了基于自由擺的平板控制與激光追蹤系統(tǒng)。當(dāng)擺桿擺角為45°～60°時，平板可以承載8枚一元硬幣，并在5個擺動周期內(nèi)維持穩(wěn)定；當(dāng)擺桿擺角為30°～60°時，固定在擺桿平板上的激光筆可以在15 s內(nèi)找到并跟蹤1．5 m遠處的靶心。
關(guān)鍵詞：MSP430F5438；激光追蹤；精密電位器；自由擺

引言
    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的自動控制在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)生產(chǎn)的機械復(fù)雜度越來越高，單純在靜止條件下的自動控制已經(jīng)不能滿足人們對測控系統(tǒng)的要求，因此，研究如何在動態(tài)條件下對系統(tǒng)實施精確測量與控制是十分必要的。本文介紹了一種基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)中，這種系統(tǒng)可以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展，應(yīng)用在復(fù)雜度較高的自動化生產(chǎn)中，在生產(chǎn)過程中可以同時完成測量與控制，提高生產(chǎn)的自動化程度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制模塊、采集模塊、步進電機驅(qū)動模塊、步進電機、自由擺平板和激光筆，以及調(diào)試模塊組成。其中，采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，當(dāng)自由擺擺桿擺動時，電位器的阻值會發(fā)生變化，從而反應(yīng)擺桿的位置信息?？刂颇K采用低功耗單片機MSP430F5438作為處理器，MSP430F5438內(nèi)置A／D模塊，可以采集精密電位器反饋的模擬信號。步進電機驅(qū)動選用東芝公司的TB6560芯片，該芯片是低功耗、高集成兩相混合式驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進電機，用以控制自由擺平板和激光筆的位置。調(diào)試模塊用于控制模塊程序下載與系統(tǒng)調(diào)試，正常工作時不使用。

1．2 自由擺機械結(jié)構(gòu)
    自由擺機械主要由固定支架、轉(zhuǎn)軸、擺桿、電機、平板、激光筆構(gòu)成，如圖2(a)所示。自由擺轉(zhuǎn)軸上連接有精密電位器作為擺桿角度傳感器，電機固定在擺桿底部，平板固定在電機的轉(zhuǎn)軸上。自由擺擺動示意圖如圖2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬幣，在擺桿擺動過程中，電機和平板也會隨擺桿轉(zhuǎn)動，通過單片機控制電機的轉(zhuǎn)動，使硬幣穩(wěn)定在平板上。同時，在平板下方與平板平行的方向固定有激光筆，通過系統(tǒng)控制，可以實現(xiàn)在擺桿擺動過程中激光筆跟蹤預(yù)設(shè)目標(biāo)的功能。

2 理論分析
2．1 自由擺精確控制理論
    在平板中心穩(wěn)定放置8枚1元硬幣(人民幣)，抬起擺桿讓擺桿與支架成一定角度θ(45°≤θ≤60°)，放開擺桿讓其自由擺動。自由擺精確控制必須達到以下目標(biāo)：在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5個擺動周期中不會從平板上滑落，并盡量減少滑離平板的中心位置。
    要達到以上目的，電機必須根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制平板的角度，保證擺桿擺動過程中硬幣的受力平衡。分析自由擺擺動過程，精確控制主要得保證從擺桿初始位置到平板與擺桿垂直(該狀態(tài)無須主動控制硬幣即可受力平衡)的過程中，硬幣保持相對穩(wěn)定。
2．2 激光追蹤理論
    激光追蹤示意圖如圖3所示。在距離自由擺1．50 m距離處垂直放置靶子，當(dāng)擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調(diào)節(jié)靶子高度，使激光筆光斑照射在靶子的中心。用手推動擺桿，支架與擺桿角度為θ(θ為30°～60°)。放開擺桿，系統(tǒng)應(yīng)控制平板在15 s內(nèi)盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對值<1 cm)，這就是激光追蹤理論的目標(biāo)。圖3中，b為自由擺擺桿靜止時平板中心(激光筆固定點)到靶子中心的線段；a為θ的角平分線與線段b的交點到激光筆固定點的線段；c是激光筆固定點到靶子中心的線段；γ為線段a、c的夾角。

    圖3中，擺桿與支架的角度θ可以通過轉(zhuǎn)軸上的精密電位器測量，轉(zhuǎn)換成的模擬電壓值輸出給單片機，單片機通過內(nèi)置的A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，計算出相應(yīng)的角度θ。為了使系統(tǒng)實現(xiàn)激光追蹤功能，必須使激光筆發(fā)射的激光始終打在靶心位置。由于激光筆固定在平板下方，并且與平板方向平行，在擺桿擺動過程中我們通過控制γ來實現(xiàn)追蹤功能。結(jié)合幾何運算，對θ與γ之間的關(guān)系進行分析：
    a=tanθ／2
    b=1．5-a
    c2=a2+b2-2ab cosθ
    sinθ／c=sinγ／b
    角度γ即平板的傾角，由于平板固定在步進電機轉(zhuǎn)軸上，因而角度γ也是步進電機轉(zhuǎn)動的角度。通過以上分析，可以知道，實現(xiàn)系統(tǒng)激光追蹤的功能必須滿足θ與γ之間存在sin θ／c=sin γ／b這一關(guān)系。在整個系統(tǒng)運行過程中，單片機不斷接收精密電位器采集的θ值，然后進行
分析運算，計算出步進電機的轉(zhuǎn)動角度γ。由于MSP430F5438不含浮點數(shù)運算單元，處理數(shù)據(jù)能力較弱，且會占用CPU大量的工作時間，所以在程序的編寫過程中，采用查表法來優(yōu)化程序。以θ為已知量，γ為未知數(shù)運用MATLAB求解，得到θ與γ的關(guān)系，如表1所列。在程序運行過程中，當(dāng)單片機每讀到一個θ值，通過查表即可知道與之對應(yīng)的γ值。

3 系統(tǒng)硬件方案
3．1 電源模塊
    本系統(tǒng)電源電路采用LM2596與LM1117-3．3組合構(gòu)成。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性；采用150 kHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，功率小、效率高；LM1117-3．3是低壓差線性電壓調(diào)節(jié)器，可以固定輸出3．3 V電壓，輸出電流可達800 mA。MSP430F5438單片機最小系統(tǒng)需要3．3V供電，因此采用LM1117-3．3給單片機供電。
3．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，精密電位器由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動(或滑動)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個固定觸點之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動(或滑動)系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。利用MSP430F5438單片機內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器讀取精密電位器兩端電壓值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。
3．3 控制模塊
    選擇MSP430F5438單片機進行系統(tǒng)控制。在系統(tǒng)運行過程中，單片機通過內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果控制步進電機驅(qū)動芯片TB6560，最終控制步進電機按要求轉(zhuǎn)動。MSP430系列單片機是16位單片機，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，可參加多種運算，同時具有高效的查表處理指令。MSP430F15438是基于閃存的產(chǎn)品系列，具有集成外設(shè)USB、模擬比較器、DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等。
3．4 步進電機驅(qū)動模塊
    步進電機驅(qū)動模塊采用東芝公司的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片TB6560。其主要特點有：內(nèi)部集成雙橋MOSFET驅(qū)動，最高耐壓40 V，單相輸出最大電流為3．5 A。步進電機驅(qū)動電路原理圖如圖4所示，引腳VMA、VMB是步進電機驅(qū)動電源引腳。OUT_AP、OUT AM、OUT BP、OUT_BM引腳分別與步進電機的兩相接口相連，當(dāng)芯片輸入端接收到單片機輸入信號時，這4個引腳會執(zhí)行單片機的命令使步進電機進行相應(yīng)轉(zhuǎn)動。NFA、NFB分別為電機A、B相電路檢測端，所接電阻為0．2 Ω。PGNDA、PGNDB、SGND則是地線引腳。通過單片機MSP430F5438的I／O口與TB6560芯片的CLK、ENABLE、CW／CWW引腳相連，從而實現(xiàn)單片機對步進電機的控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    由于系統(tǒng)功能有兩個，需要在不同的模式下運行，故程序設(shè)計采用狀態(tài)機的設(shè)計思想，根據(jù)編碼開關(guān)的不同狀態(tài)，進入不同的模式控制，具體設(shè)計流程如圖5所示。程序開始后，掃描編碼開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)掃描到編碼開關(guān)的狀態(tài)為狀態(tài)1時，系統(tǒng)執(zhí)行平板控制命令；當(dāng)系統(tǒng)掃描到編碼開關(guān)的狀態(tài)為狀態(tài)2時，系統(tǒng)執(zhí)行激光追蹤命令。

5 系統(tǒng)測試
5．1 平板控制測試
    根據(jù)設(shè)計要求對系統(tǒng)平板控制功能的穩(wěn)定性進行測試，測試方法為直接計數(shù)法。將單擺拉至60°，在平板上放置8枚硬幣，松開單擺，記錄單擺擺動5個周期后平板上剩余硬幣的數(shù)目。統(tǒng)計結(jié)果用直方圖表示，如圖6所示。其中，橫坐標(biāo)表示平均每次剩余硬幣數(shù)目，縱坐標(biāo)表示測試次數(shù)。測試表明，隨著測試次數(shù)的增加，平均剩余硬幣數(shù)目也隨著增加，平板控制功能趨向穩(wěn)定。

5．2 激光追蹤測試
    根據(jù)設(shè)計要求對系統(tǒng)激光追蹤功能進行測試，測試方案選用多次測量取平均值的方法。按圖3所示，在靶紙上確定靶心的位置，打開激光筆；啟動系統(tǒng)，在自由擺擺動過程中，觀察并記錄激光筆在靶紙上的紅色光斑與靶心的最大距離，這個最大距離就是本激光追蹤系統(tǒng)的誤差。按照上述方法多次測量，統(tǒng)計后得出激光追蹤系統(tǒng)的誤差范圍和穩(wěn)定程度。具體結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標(biāo)表示誤差大小，縱坐標(biāo)表示測試次數(shù)。經(jīng)計算誤差平均值為0．13 cm。測試表明，隨著測試次數(shù)的增加，誤差平均值逐漸減小，激光追蹤性能較為穩(wěn)定。

結(jié)語
    本設(shè)計基于自由擺，以MSP430F5438單片機為控制核心，設(shè)計并實現(xiàn)了精確控制與激光追蹤系統(tǒng)，通過MATLAB建模實現(xiàn)了硬件與軟件的結(jié)合。經(jīng)過測試，在誤差允許的范圍內(nèi)驗證了系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于單擺的平板精確控制與激光追蹤功能。