基于CC430F6137的工業手柄搖桿優化模型研究

劉偉靜，趙超澤，王 東，徐文麗，姚 寧，王小濤

(1.天津航天機電設備研究所,天津 300458；2.天津市宇航智能裝備技術企業重點實驗室,天津 300458；3.北京交通大學海濱學院,河北 廊坊 061100)

0 引言

隨著現代機械工程的快速發展，工業手柄[1-2]越來越多地應用于無人機、機器人[3]、移動車等。其中，工業手柄的搖桿[4]操作可實現設備移動的靈活性與穩定性。手柄控制方式分為無線和有線兩種。無線手柄與有線手柄相比，具有較高的移動靈活性，且安裝方便、操作簡單、調試維護成本較低。因此，大部分領域使用無線手柄進行遠程控制。文獻[5]以STC89C52單片機為主控單元，設計了搖桿信號無線傳輸模塊。該模塊在模數轉換器(analog to digital converter,ADC)模塊初始化時讀取的三組數據均為無效數據，且在檢測數據時需在一定時間內關閉無線傳輸，因而增加了數據處理時間和設備能耗。文獻[6]設計了一種便攜式多功能無線游戲手柄。該手柄能準確輸出控制命令，但同一時間從緩存區讀取的11個字節不一定是同一個數據包中的，導致信道利用不充分甚至丟包。

本文從手柄軟件設計入手，采用CC430F6137單片機[7]作為手柄控制器的核心部分，利用ADC采集搖桿偏移量，設置ADC采樣參數，確保控制器每次均可采集到一個完整的數據包；通過對比的方式建立搖桿數學優化模型，以提高搖桿操作精度。

1 硬件系統

作為智能設備的上位機系統，無線手柄具有遠距離遙控下位機的功能，可實現平移、轉向、升降、翻轉等動作。無線手柄操控方便，可靠性較高，能較好地滿足使用者的要求。

單片機具有集成度高、可靠性高、控制功能強、功耗低的特點，是工業控制領域廣泛使用的元件。德州儀器推出的射頻芯片CC430延續了MSP430單片機的超低功耗設計，采用了CC1101[8]作為無線內核，成為新一代無線式單片機。因此，本文選用CC430F6137作為手柄控制核心單元。將CC430F6137中的13個I/O連接手柄按鍵，4個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，手柄搖桿產生的模擬量信號通過ADC中斷轉換成數字量信號，并存入CC430F6137單片機寄存器內。解析該搖桿信號即可控制下位機的動作。手柄硬件結構如圖1所示。

圖1 手柄硬件結構框圖

2 搖桿優化模型設計

本文設計的手柄采用雙軸搖桿模塊。該模塊由2個滑動變阻器[9]組成。撥動搖桿時滑動變阻器的阻值發生變化，對應的x、y軸電壓值隨之變化，進而產生x、y軸方向的偏移量。當搖桿不進行任何操作時，單片機ADC采集到的x、y軸的偏移量視為搖桿的原點。然而，由于滑動變阻器的不穩定性，搖桿原點會在一定范圍內浮動，易產生手柄無操作但下位機動作的問題。因此，必須將搖桿原點限定在一定范圍(即死區[10]范圍)內，以防止危害事故的發生。本文以該特性為出發點優化搖桿死區，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

在保證搖桿正常應用的前提下擴大搖桿死區范圍，確定在不進行任何操作時搖桿采集點數始終保持在死區范圍內。不同的死區設置方式具有不同的效果。下面解析搖桿死區分別設置為方形和圓形時的特點，并優化設計。

2.1 方形死區模型

方形死區模型如圖3所示。

圖3 方形死區模型

當不操作搖桿時，設定搖桿x、y軸的實際偏移量分別為s、t(s>0，t>0)。死區范圍設為：當x值滿足a

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

(1)

式中：A為搖桿當前角度值。

當x、y值處于陰影區域2時，滿足xvirtual=0或yvirtual=0，表示搖桿向正前、正左、正后、正右四個方向推動。

上述方式可在保證搖桿正常應用的前提下有效擴大死區范圍，保證搖桿不會在非操作模式下發出錯誤信號。

以圖3(a)的第一象限為例。當搖桿沿圖3(b)中的虛線箭頭方向推動時，搖桿角度會出現0°(OA)→90°(AB)→γ(0<γ<45°)的跳變，造成輸出方向的突變，極易引起下位機方向突變，甚至死機。同理，在其他3個象限也會出現角度跳變現象。

2.2 圓形死區模型

滿足(xvirtual-s)2+(yvirtual-t)2≤r2(r>0)的區域為死區范圍。當搖桿處于死區范圍內時，坐標設為O(0,0)。

死區范圍之外的角度計算如式(1)所示。為判斷搖桿向正前、正左、正后、正右四個方向的推動，設定：

(2)

式中：0°<α<45°。

圓形死區模型如圖4所示。

圖4 圓形死區模型

根據式(1)、式(2)可知，該設置方法擴大了搖桿0°、90°、180°、270°四個方向的范圍。圓形死區模型撥動方向如圖4(b)中陰影區域2所示。

分析圖4(b)中的第一象限可知，直行推動搖桿至死區范圍外，不會出現角度跳變，消除了搖桿操作造成的下位機方向突變的問題。

3 基于優化模型的無線傳輸程序

搖桿采用圓形死區模型。本文采用自定義方式設置無線傳輸程序，采用6個字節的自由協議：幀頭為0xAA；第2個字節為x軸坐標數據；第3個字節為y軸坐標數據；第4個字節為角度；第5個字節為校驗位，應用偶校驗方式；幀尾0xBB。

手柄發送數據流程如圖5所示。

圖5 手柄發送數據流程

本文應用CC430F6137單片機中的ADC中斷構建程序。具體程序構建流程如下所述。

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

在中斷程序中應用無符號整型數組results[8]配置ADC中的0、1、2、3、6、7號寄存器，將x、y、z三軸坐標分別配置在results數組的1、0、6號寄存器中。具體如下。

results[0] = ADC12MEM0; //y軸坐標

results[1] = ADC12MEM1;

//x軸坐標

results[2] = ADC12MEM2;

//外部電壓

results[3] = ADC12MEM3;

//電池電壓

results[6] = ADC12MEM6;

//z軸坐標

results[7] = ADC12MEM7;

3.3 設置搖桿死區

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

z軸單獨作為一維坐標。采集20次z軸搖桿在起始點的坐標，取其平均值，設為中心，例如2 050。以中心點為起點，上下取100，設置為死區范圍，即z軸在(1 950,2 150)范圍內的變化忽略不計。

具體程序如下。

if(zeroflag==0)

//原點限制

{

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軸坐標變換

搖桿坐標變化范圍為0～4 096，在初始位置時在2 048上下變化。將中心(2 035,2 022)轉換為原點(0,0)，將上下1 024設置為搖桿的死區范圍，超出1 024的部分記為1 024。其中，x、y軸坐標變換代碼如下。

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 試驗驗證

本文應用工業手柄無線遙控全向移動轉運車的方式，測試搖桿死區優化模型。試驗選擇周圍障礙物較少、地面干凈平整的場地，使轉運車可全向移動。試驗工業手柄發射功率為-10 dBm，最大發射半徑為100 m，距離轉運車5 m處。x軸和y軸的死區半徑設置為100 mm。多次撥動搖桿并將角度值顯示于液晶屏(liquid crystal display,LCD)上，觀察轉運車的移動方向是否與LCD上的角度信息一致。以x、y軸第一象限為例，說明圓形死區模型和方形死區模型的優劣。緩慢推動搖桿，觀察x軸和y軸偏移量的變化。

角度數值變化如表1所示。

表1 角度數值變化

由表1可知，當設置圓形死區時，由0°變化到65°，無角度跳變發生；當設置方形死區時，轉運車的移動方向由0°變化到90°，再跳變到65°。該跳變會引起轉運車的行走角度突然發生變化，造成危險。而設置圓形死區時，無角度跳變的情況發生，消除了上述危險。

5 結論

本文以CC430F6137作為手柄控制核心，根據工業手柄的可靠性建立搖桿數學模型，設定搖桿的死區模型，并分析該模型的優劣。針對搖桿信號的無線傳輸程序進行了分析設計，編寫了主要的功能函數，實現了數據的轉換和無線傳輸功能。該研究為后續的應用奠定了良好的基礎。