基于STM32的智能跑步機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李 琳 張 峰

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 陜西 西安 710065)

0 引 言

跑步機(jī)自從20 世紀(jì)80 年代面世以來(lái)，隨著集成電路和數(shù)字電路的飛速發(fā)展，其控制系統(tǒng)也已從最初的模擬單閉環(huán)控制系統(tǒng)發(fā)展到了今天的數(shù)字式雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，而從近些年來(lái)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)內(nèi)外數(shù)字智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)跑步機(jī)控制系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化將成為主流的發(fā)展趨勢(shì)，這也符合人性最基本的規(guī)律，也將是改變現(xiàn)行的體育鍛煉模式的最好途徑。

現(xiàn)今跑步機(jī)控制系統(tǒng)多以PIC 系列單片機(jī)、AVR 系列單片機(jī)為控制核心，而對(duì)于要求較高的數(shù)字化、智能化的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以上幾種控制芯片顯然滿(mǎn)足不了未來(lái)系統(tǒng)的要求。為滿(mǎn)足跑步機(jī)對(duì)高性?xún)r(jià)比、高度智能化和自動(dòng)化的發(fā)展需要。系統(tǒng)就以STM32 微控制器為控制核心設(shè)計(jì)了一種新型跑步機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PWM 調(diào)速控制，而且還可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別功能直接控制跑步機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)語(yǔ)音播放功能實(shí)現(xiàn)MP3 和故障信息播放，并且還具備心率檢測(cè)、心率控速等功能，從而使跑步機(jī)更加數(shù)字化、智能化、人性化。

1 系統(tǒng)組成框圖

如圖1 所示，本系統(tǒng)主要以STM32 微控制器作為主控制器，由按鍵輸入、語(yǔ)音識(shí)別及輸出電路、心率電路、晶振電路、反饋電路、電源電路、調(diào)速電路、顯示電路組成。既可通過(guò)心率電路來(lái)檢測(cè)跑步者身體狀態(tài)，也可根據(jù)按鍵或者語(yǔ)音輸入的信息來(lái)進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，并且將當(dāng)前的狀態(tài)通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文主要從主控制器、電源電路、反饋電路、調(diào)速電路、心率電路、語(yǔ)音識(shí)別及輸出電路來(lái)介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及工作原理。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 主控制器STM32F103RBT6

系統(tǒng)選用ST 公司的STM32F103RBT6 為主控制器。該芯片使用Cortem－M3 內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O 端口和鏈接到兩條APB 總線的外設(shè)。STM32 系列所有型號(hào)的器件都包括2 個(gè)12 bit 的ADC、3 個(gè)通用16 bit 定時(shí)器和一個(gè)PWM 定時(shí)器，還包括標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口:多達(dá)2 個(gè)I2C 和SPI、3 個(gè)US－ART、一個(gè)USB 和一個(gè)CAN。其工作電壓為常見(jiàn)的3.3V。該內(nèi)核是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)于滿(mǎn)足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求［1-2］。

2.2 電源電路

系統(tǒng)中既要給電機(jī)提供電壓，也要給調(diào)速電路、語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音播放芯片、主控芯片分別提供15 V、5 V、3.3 V 電壓。對(duì)電機(jī)的電源輸入，通過(guò)對(duì)220 V 交流經(jīng)過(guò)整流、濾波［3］后變成直流電壓經(jīng)過(guò)IGBT［4］的調(diào)制加在直流電機(jī)兩端。控制系統(tǒng)中所需要的15 V、5 V、3.3 V 的電壓，由于對(duì)于功率要求不大，分別采用了LM7815、LM7805、LM1117 穩(wěn)壓芯片來(lái)提供電壓。

2.3 反饋電路［5］

系統(tǒng)采用雙閉環(huán)數(shù)字調(diào)節(jié)，反饋量包括電流反饋和速度反饋［6］。電流反饋通過(guò)采樣電阻將IGBT E 極流出的電流進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過(guò)放大電路［3］把電壓放大至3.3 V 輸入到主控制芯片ADC 轉(zhuǎn)換口PA2。速度反饋利用帶有光電傳感器的碼盤(pán)，將碼盤(pán)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形后輸入到主控制器的定時(shí)器口PA0。

2.4 PWM 驅(qū)動(dòng)電路

PWM 控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)即通過(guò)調(diào)制其占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑控制［4］。本系統(tǒng)所用的STM32F103RBT6 具有PWM 輸出功能，由于輸出的波形幅值只有3.3 V，所以要對(duì)單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)進(jìn)行隔離放大。圖2 為PWM 驅(qū)動(dòng)電路。其中，PWM 信號(hào)由STM32F103RBT6 定時(shí)器TIM3 的CH3 產(chǎn)生，從PB0 輸出，PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離后進(jìn)入電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2101，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后加在IGBT 的G 極，通過(guò)IGBT 完成對(duì)電機(jī)的控制。

圖2 PWM 驅(qū)動(dòng)電路

2.5 心率電路

系統(tǒng)采用了手握式心率檢測(cè)模塊，該模塊對(duì)手部的電極信號(hào)進(jìn)行采集，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行放大至3.3 V，接著進(jìn)行濾波和整形后輸入到主控制器定時(shí)器口PA1。在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)正常人體心跳范圍時(shí)，系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)調(diào)低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.6 語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音輸出電路

圖3 為語(yǔ)音識(shí)別及播放部分電路原理圖［7］。LD3320是集成了語(yǔ)音識(shí)別和播放功能的專(zhuān)用語(yǔ)音芯片，其內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，不需外接Flash、RAM，不需要用戶(hù)事先訓(xùn)練和錄音而完成非特定人語(yǔ)音識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率高。本系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話功能就由語(yǔ)音識(shí)別實(shí)現(xiàn)。

圖3 中，LD3320 芯片與STM32F103RBT6 以并行方式相連接，它的P0－P7 為8 根數(shù)據(jù)線與主控芯片的8 個(gè)I/O口相連接;其A0、RDB、WRB、CSB 四個(gè)控制信號(hào)以及一個(gè)中斷返回信號(hào)INTB 也直接與主控制器的I/O 相連接，復(fù)位信號(hào)RSTB 與主控芯片共用一個(gè)復(fù)位按鍵;語(yǔ)音輸入是AIN_P、AIN_N 兩個(gè)端口經(jīng)過(guò)濾波電路連接一個(gè)麥克風(fēng)，而語(yǔ)音輸出是SPP、SPN 兩個(gè)端口直接連接一個(gè)550 mW 的揚(yáng)聲器，通過(guò)改變EQ3 端的滑動(dòng)變阻器可調(diào)節(jié)語(yǔ)音播放的音量;它的時(shí)鐘是與主控芯片共用的;它的兩個(gè)LED 是復(fù)位指示燈。當(dāng)有語(yǔ)音輸入的時(shí)候，芯片首先對(duì)輸入的語(yǔ)音進(jìn)行頻譜分析，然后提取語(yǔ)音特征，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別器將提取的語(yǔ)音特征與提前寫(xiě)入的識(shí)別列表中的語(yǔ)音特征進(jìn)行比對(duì)得出識(shí)別結(jié)果，將識(shí)別的結(jié)果放入專(zhuān)用寄存器中，完成識(shí)別的過(guò)程。識(shí)別完成后由中斷程序讀取識(shí)別的結(jié)果，這時(shí)通過(guò)對(duì)4 個(gè)控制信號(hào)判定是否從P0－P7 口將識(shí)別的結(jié)果發(fā)送給主控器。

圖3 語(yǔ)音識(shí)別及輸出電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是以MDK uVision4 ARM 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用直接調(diào)用寄存器來(lái)設(shè)置端口程序。整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、LD3320 的語(yǔ)音播放及語(yǔ)音識(shí)別子程序、LCD 顯示子程序、按鍵掃描子程序、PWM 輸出子程序、輸入捕獲子程序程序、PID 調(diào)節(jié)子程序和主程序。本文主要介紹主程序、PWM 輸出子程序、語(yǔ)音識(shí)別子程序的設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

如圖4 示，主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制工作，通過(guò)調(diào)用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。

3.2 PWM 輸出子程序

本程序通過(guò)直接調(diào)用寄存器來(lái)控制PWM 的輸出，首先通過(guò)設(shè)置時(shí)鐘寄存器選擇定時(shí)器的類(lèi)型，再通過(guò)設(shè)置通用I/O 口的控制寄存器選擇I/O 的輸出類(lèi)型及功能，接著對(duì)定時(shí)器的ARR 和PSC 兩個(gè)寄存器賦值，確定PWM 的輸出周期，然后設(shè)置定時(shí)器PWM 模式，以及使能定時(shí)器通道，最后通過(guò)修改定時(shí)器中CCRx 寄存器的值來(lái)改變占空比。大概步驟為:開(kāi)啟定時(shí)器，配置P 口類(lèi)型、設(shè)置定時(shí)器的ARR 和PSC、設(shè)置定時(shí)器所用通道的PWM 模式、使能定時(shí)器通道，使能定時(shí)器、修改定時(shí)器的寄存器CCRx 中的值，改變占空比［9］。

圖4 主程序流程圖

3.3 語(yǔ)音識(shí)別子程序

圖5 為語(yǔ)音識(shí)別子程序及其中斷設(shè)計(jì)流程圖［10］，其各步驟說(shuō)明如下:

(1)通用初始化和語(yǔ)音識(shí)別用初始化。本過(guò)程主要完成軟復(fù)位、模式設(shè)定、時(shí)鐘頻率設(shè)定、FIFO 設(shè)定。

(2)寫(xiě)入識(shí)別列表。列表規(guī)則是，每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)(1 個(gè)字節(jié))，不同識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，并且不用連續(xù)，但數(shù)值不能超過(guò)256(00H－FFH)。芯片最多支持50 個(gè)識(shí)別條目，每個(gè)識(shí)別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語(yǔ)拼音(小寫(xiě))，每2 個(gè)字(漢語(yǔ)拼音)之間用一個(gè)空格間隔。如表1 所示，編號(hào)可以相同，且不連續(xù)，但數(shù)值要小于256，表中“xi an”和“gu du”對(duì)應(yīng)同一編號(hào)，說(shuō)明這兩個(gè)值會(huì)得到相同的結(jié)果。

表1 識(shí)別列表

(3)開(kāi)始識(shí)別。設(shè)置幾個(gè)相關(guān)的寄存器，就可以控制LD3320 芯片開(kāi)始語(yǔ)音識(shí)別。

(4)響應(yīng)中斷。如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識(shí)別出正常結(jié)果，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。而中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果。讀取BA 寄存器的值，可以知道有幾個(gè)候選答案，而C5 寄存器里的答案是得分最高、最可能正確的答案。

(5)發(fā)送識(shí)別結(jié)果至MCU。讀取C5 寄存器中的值，通過(guò)P0－P7 口發(fā)送至MCU，其中4 個(gè)端口A0、CSB、WRB、RDB 負(fù)責(zé)控制信號(hào)的讀寫(xiě)類(lèi)型。

圖5 語(yǔ)音識(shí)別子程序設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

為了保證本系統(tǒng)中語(yǔ)音智能模塊的穩(wěn)定性、語(yǔ)音識(shí)別率以及響應(yīng)時(shí)間，本文根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別電路對(duì)語(yǔ)音智能模塊進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別為安靜的實(shí)驗(yàn)室和嘈雜的室外，共7 條語(yǔ)音指令，每條指令進(jìn)行10 次實(shí)驗(yàn)，每個(gè)環(huán)境下對(duì)每個(gè)人進(jìn)行一共70 次實(shí)驗(yàn)，只記錄成功識(shí)別的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 語(yǔ)音識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中第一組人和和第二組人為女性，第三組人為男性，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在安靜的環(huán)境下對(duì)三組人的實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到了90%以上，而在嘈雜的環(huán)境下識(shí)別率也可達(dá)到82%以上。由此看來(lái)在安靜環(huán)境下的語(yǔ)音識(shí)別率和穩(wěn)定性都明顯高于嘈雜環(huán)境。安靜環(huán)境下發(fā)出最多2 次語(yǔ)音指令就能識(shí)別，嘈雜環(huán)境下則要最多4 次才能識(shí)別。在模塊的實(shí)時(shí)響應(yīng)方面，安靜的環(huán)境下能保證響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 S，在嘈雜環(huán)境下響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)一點(diǎn)。由于跑步機(jī)大都在家庭或者健身房這些相對(duì)安靜的環(huán)境下工作，因此對(duì)于芯片的識(shí)別度的要求不是非常的精準(zhǔn)，而LD3320 不僅可以進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播放功能;而且其價(jià)格也相對(duì)于同類(lèi)型的凌陽(yáng)系列單片機(jī)有優(yōu)勢(shì)，再加上其資料豐富更易于開(kāi)發(fā)，從而顯示出了其更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于STM32 的智能型跑步機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，硬件上重點(diǎn)介紹了PWM 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及LD3320 外圍電路的設(shè)計(jì)。軟件上介紹了如何通過(guò)直接操作STM32 寄存器來(lái)編寫(xiě)端口初始化程序，重點(diǎn)介紹了主程序和語(yǔ)音識(shí)別程序的設(shè)計(jì)流程，該驅(qū)動(dòng)程序也可用于其他相關(guān)的控制領(lǐng)域，對(duì)這些控制領(lǐng)域也有一定的研究?jī)r(jià)值。文中涉及到的很多內(nèi)容，包括語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播放的程序及硬件設(shè)計(jì)，STM32 系列芯片的選型和設(shè)計(jì)對(duì)相關(guān)嵌入式的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，可靠性高，具有很高的性?xún)r(jià)比。

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