板球系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案研究

陳芷琳，溫曉靜，劉 鑫，王 翔，丁肇紅

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418)

自從20世紀(jì)80年代末板球系統(tǒng)開始被國(guó)內(nèi)外學(xué)者當(dāng)作研究對(duì)象來驗(yàn)證各種控制算法，板球系統(tǒng)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了從simulink模型仿真驗(yàn)證到實(shí)物平臺(tái)實(shí)時(shí)控制的過渡[1-2]，陸續(xù)有各個(gè)課題組實(shí)驗(yàn)室以及企業(yè)生產(chǎn)制造出各類板球系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)，其中國(guó)內(nèi)比較常用的是由固高科技公司生產(chǎn)的GPB2001板球系統(tǒng)，其平臺(tái)實(shí)物和上位機(jī)界面如圖1所示。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步和深入研究板球系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為各高校自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前市場(chǎng)所售板球系統(tǒng)未進(jìn)行技術(shù)升級(jí)換代，上位機(jī)軟件還只能運(yùn)行在windows xp系統(tǒng)環(huán)境下，技術(shù)相對(duì)來說已經(jīng)落后，不能滿足當(dāng)前教學(xué)和研究所需。而且板球系統(tǒng)平臺(tái)自身即是一個(gè)集合機(jī)械、電子、自動(dòng)化以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉綜合的系統(tǒng)，因此對(duì)研究板球系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究有非常實(shí)用的價(jià)值和重要意義。本文就板球系統(tǒng)提出了一套完整的設(shè)計(jì)思路和可執(zhí)行方案，實(shí)現(xiàn)成本較低，而且采用技術(shù)手段均為當(dāng)前最新技術(shù)，有較高的推廣價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的板球系統(tǒng)平臺(tái)主要有機(jī)械部分、硬件部分(包括硬件和嵌入式軟件)和上位機(jī)三大部分組成[3-4]。板球本體利用鋁合金搭建主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用2個(gè)0°～180°伺服舵機(jī)為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，電阻屏作為小球位置傳感器，以STM32F103單片機(jī)為控制核心，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行連接通訊，上位機(jī)設(shè)計(jì)采用python為編程語(yǔ)言，PyQt5為GUI框架進(jìn)行搭建。下面對(duì)各個(gè)部分詳細(xì)展開闡述。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁合金為主要材質(zhì)，CNC加工切割成設(shè)計(jì)好的形狀，舵機(jī)臂與平板之間通過鉸鏈結(jié)構(gòu)相連，為了保證平板在2個(gè)舵機(jī)推動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中維持圍繞中心運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，采用萬(wàn)向節(jié)將平板的幾何中心與底座固定部分相連。同時(shí)底座固定部分設(shè)計(jì)了4個(gè)彈簧減震來減少在運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的干擾。本設(shè)計(jì)中舵機(jī)采用的是Futaba3010模擬舵機(jī)，非常關(guān)鍵的是，舵機(jī)的選擇非常重要，其性能的好壞直接影響整體系統(tǒng)的使用體驗(yàn)，本研究方案所選用的舵機(jī)參數(shù)如表1。

在上述關(guān)鍵參數(shù)中，舵機(jī)的扭矩要與電阻屏質(zhì)量小球質(zhì)量等整體系統(tǒng)相匹配，以保證有足夠的動(dòng)力輸出，舵機(jī)的響應(yīng)速度應(yīng)盡可能的快，一般情況下舵機(jī)的響應(yīng)也與供電電壓所相關(guān)，需要機(jī)械和電子共同協(xié)調(diào)。

表1 Futaba3010舵機(jī)參數(shù)Tab.1 The parameters of Futaba3010 servo

圖2 板球系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure of Ball&Plate system

由于舵機(jī)本身已經(jīng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)伺服電機(jī)需額外加裝編碼器等工作，因此本方案中執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用舵機(jī)極大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制電路、電源電路、觸摸板電路、OLED顯示屏電路、按鍵電路，串口電路等，整體框架如圖3所示。

3.1.1 電源電路

電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電能，是整個(gè)系統(tǒng)最基本的組成部分[5]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)外接供電為直流12 V供電。舵機(jī)是系統(tǒng)中的大功率用電設(shè)備，結(jié)合舵機(jī)參數(shù)本文采用的是5 V舵機(jī)供電。單片機(jī)觸摸板顯示屏等其余用外設(shè)模塊供電電壓均為3.3 V。由于2種電壓的存在，為了兼顧效率和性能，采用開關(guān)穩(wěn)壓和線性穩(wěn)壓相結(jié)合的方案。12 V轉(zhuǎn)5 V通過開關(guān)DC-DC的方案實(shí)現(xiàn)，由于3.3 V采用的是線性穩(wěn)壓，為了減小其功耗降低線性DC-DC的壓差[6]，3.3 V輸入由開關(guān)穩(wěn)壓所產(chǎn)生的5 V提供，電源部分電路圖見圖4。

圖3 板球系統(tǒng)硬件框架圖Fig.3 Hardware framework of Ball&Plate system

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

圖5 單片機(jī)主控電路Fig.5 MCU control circuit

3.1.2 主控電路

如圖5單片機(jī)引腳圖所示，主控電路選擇的芯片是STM32F103單片機(jī)，該款單片機(jī)采用ARM的Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，兼?zhèn)涓咝阅?、低成本、低功耗、存?chǔ)速度快等優(yōu)勢(shì)[7]。結(jié)合本研究方案需求，該款單片機(jī)所具備的外設(shè)端口以及運(yùn)行速度等均可達(dá)到要求，而且作為一款在民用領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用的單片機(jī)，供貨穩(wěn)定，成本較低。

主控電路定義了單片機(jī)各個(gè)引腳的功能和設(shè)計(jì)制作了與單片機(jī)引腳相連的電路，包括了與單片機(jī)引腳直接相連的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、下載電路等；外圍電路還包括了OLED顯示屏電路、電阻屏驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路等[8]。

3.1.3 電阻屏電路

電阻屏作為本研究設(shè)計(jì)方案中的小球位置傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的部分，設(shè)計(jì)采用的是一個(gè) 0.304 8 m(12 in)的電阻觸摸屏，其電路圖如圖6所示，驅(qū)動(dòng)電路采用2對(duì)PNP-NPN三極管來分時(shí)控制其通斷狀態(tài)利用單片機(jī)的ADC功能來讀取觸點(diǎn)的位置。

3.1.4 串口電路

串口電路如圖7所示，單片機(jī)串口與上位機(jī)USB之間的通信轉(zhuǎn)換由此電路來完成，同時(shí)該電路具備給單片機(jī)一鍵下載程序的功能，為系統(tǒng)后續(xù)通過上位機(jī)升級(jí)程序提供了可能。

圖6 電阻屏電路Fig.6 Resistance screen circuit

圖7 串口轉(zhuǎn)USB電路Fig.7 Serial to USB circuit

3.1.5 顯示屏電路

考慮到人機(jī)交互的便捷性，設(shè)計(jì)方案在硬件設(shè)計(jì)中加入了顯示屏按鍵等人機(jī)交互方式，下位機(jī)采用的是一塊2.88 cm的OLED屏幕，可以顯示基本運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等。該顯示屏支持多種協(xié)議，本次采用的I2C通信協(xié)議完成單片機(jī)對(duì)顯示屏的控制，其電路圖如圖8所示。

圖8 OLED顯示屏電路Fig.8 OLED driver circuit

3.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

板球系統(tǒng)的功能較為復(fù)雜，從運(yùn)行模式上區(qū)分，分為離線模式和在線模式，離線模式即下位機(jī)自己根據(jù)內(nèi)置算法進(jìn)行控制[8-9]，在線模式為與上位機(jī)連接，控制指令來自上位機(jī)，下位機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行。此外還有一些輔助模式，比如儀器校準(zhǔn)模式。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 嵌入式軟件主程序流程圖Fig.9 Main program flow chart of embedded software

在嵌入式軟件設(shè)計(jì)還充分利用了定時(shí)器和中斷這2個(gè)單片機(jī)資源作為后端運(yùn)行程序，定時(shí)器用來控制程序運(yùn)行節(jié)奏，中斷用來接收外部輸入，比如按鍵串口接收數(shù)據(jù)，電阻屏小球讀取等。前后端結(jié)合的方式有效地提高了程序的運(yùn)行效率[10-11]。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)作為一種非常便捷的調(diào)試手段和下位機(jī)監(jiān)控手段在實(shí)際應(yīng)用中是非常常用的，本文采用python為編程語(yǔ)言，PyQt5為GUI框架為板球系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)了相配套對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件，其框架如圖10所示。

圖10 板球系統(tǒng)上位機(jī)框架圖Fig.10 Host computer frame of Ball&Plate system

4.1 數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)

下位機(jī)與上位機(jī)可進(jìn)行通信連接的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)協(xié)議，即收發(fā)雙方互相可以正確解析所接收的消息，板球系統(tǒng)與上位機(jī)之間交互的信息比較單一，數(shù)據(jù)量適中，本次方案采用的是字符串?dāng)?shù)據(jù)協(xié)議，每一條字符串消息幀的字段與字段之間采用逗號(hào)分隔，數(shù)據(jù)協(xié)議格式如下：

〈起始符〉，〈消息類型〉，〈數(shù)據(jù)包〉，〈數(shù)據(jù)校驗(yàn)〉

其中數(shù)據(jù)包所包含的內(nèi)容根據(jù)消息類型來對(duì)應(yīng)解析。在本研究中所設(shè)計(jì)的消息類型有：心跳包、下位機(jī)硬件消息、系統(tǒng)狀態(tài)消息、小球?qū)崟r(shí)狀態(tài)消息、小球參數(shù)消息、控制指令消息以及設(shè)置指令消息等

4.2 程序設(shè)計(jì)

本研究中上位機(jī)編程采用的是python語(yǔ)言，上位機(jī)作為一個(gè)人-機(jī)交互，機(jī)-機(jī)通信的一個(gè)終端，更多的是處理交互邏輯，其本身不具備運(yùn)算密集型的特點(diǎn)，對(duì)編程語(yǔ)言運(yùn)算性能要求并不高，python語(yǔ)言具備高效簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，而且python是一種很好的“膠水語(yǔ)言”，可以將各種編程語(yǔ)言進(jìn)行很容易地結(jié)合，因此選用python語(yǔ)言來做上位機(jī)既可滿足系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯編程所需，也可提高上位機(jī)開發(fā)效率和降低后期維護(hù)成本，其“膠水語(yǔ)言”特性為二次開發(fā)留了很大的空間。

綜上，在上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)充分利用python語(yǔ)言的高效性，遵循面向?qū)ο缶幊痰乃枷雽⒄w程序分為多個(gè)模塊逐個(gè)解耦設(shè)計(jì)對(duì)象，在上位機(jī)界面控件渲染顯示中利用了PyQt中信號(hào)和槽機(jī)制的手段，進(jìn)一步降低程序的耦合度。本研究的上位機(jī)程序設(shè)計(jì)中分為了串口程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)、圖像繪制程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄程序設(shè)計(jì)以及算法導(dǎo)入程序設(shè)計(jì)。

采用多線程的方式，提高了上位機(jī)的使用體驗(yàn)，特別在圖像繪制和串口數(shù)據(jù)處理上[12]。在小球控制算法導(dǎo)入中，不管何種算法最終都是輸出在2個(gè)舵機(jī)上進(jìn)而控制小球，利用這一特點(diǎn)結(jié)合python對(duì)象方法的重寫實(shí)現(xiàn)了算法導(dǎo)入功能，只要遵循相應(yīng)的代碼構(gòu)造方法即可實(shí)現(xiàn)不同控制算法的導(dǎo)入。

本次方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證上位機(jī)所運(yùn)行的硬件環(huán)境為普通筆記本(Intel三代i5處理器)，Windows10操作系統(tǒng)，4GB內(nèi)存，由于上位機(jī)編程所采用的是有著跨平臺(tái)特性的python和pyqt，因此在其他操作系統(tǒng)的電腦上也是可以運(yùn)行的，最終完成的上位機(jī)界面如圖11所示。

圖11 板球系統(tǒng)上位機(jī)界面圖Fig.11 Host computer interface of Ball&Plate system

圖12 板球系統(tǒng)聯(lián)調(diào)界面圖Fig.12 Interface diagram of combined debugging of Ball&Plate system

5 結(jié)果分析

5.1 方案測(cè)試驗(yàn)證

最后下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，進(jìn)行了上位機(jī)監(jiān)測(cè)板球系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)調(diào)整，控制指令驗(yàn)證，基本PID實(shí)時(shí)控制等測(cè)試[13]，實(shí)驗(yàn)過程如圖12所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下位機(jī)滿足板球系統(tǒng)的功能，上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示板球系統(tǒng)的狀態(tài)，并可以完成一些人機(jī)交互，對(duì)現(xiàn)有的板球系統(tǒng)是一個(gè)很好替代，但本研究的不足之處是沒有將matlab中的simulink硬件在環(huán)仿真所聯(lián)系起來，在算法調(diào)試有一定的局限，但通過后續(xù)的開發(fā)，該部分功能可以實(shí)現(xiàn)。

由于本系統(tǒng)上位機(jī)開發(fā)采用的是python編程語(yǔ)言，采用的PyQt的GUI框架，兩者均有著非常好的跨平臺(tái)表現(xiàn)，即相同的程序可運(yùn)行在windows、linux、mac等主流操作系統(tǒng)環(huán)境下，這將給相關(guān)科研工作帶來了極大的便利，可以非常容易的實(shí)現(xiàn)與其他項(xiàng)目進(jìn)行銜接。

5.2 方案對(duì)比分析與成本分析

下面以固高GPB2001為對(duì)比對(duì)象，從5個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

(1) 在機(jī)械結(jié)構(gòu)上:GPB2001與本方案大體相同，不同的是GPB2001平板為圓形盤面，本方案為矩形盤面。

(2) 在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面：GPB2001采用伺服電機(jī)，需要安裝編碼器等，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制復(fù)雜。本次方案采用的舵機(jī)自身已是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

(3) 在傳感器方面：GPB2001采用攝像頭采集小球位置，攝像頭造價(jià)高昂，程序復(fù)雜，且在運(yùn)行過程中收光線干擾嚴(yán)重，本研究方案采用的電阻屏成本低廉，使用簡(jiǎn)單可靠。

(4) 在數(shù)據(jù)協(xié)議方面：GPB2001出于商業(yè)考量數(shù)據(jù)協(xié)議為私有協(xié)議，在二次開發(fā)上有很大的局限性，本研究方案數(shù)據(jù)協(xié)議采用常用的消息幀結(jié)構(gòu)協(xié)議，解碼簡(jiǎn)單，方便二次開發(fā)接入其他系統(tǒng)。

(5) 在上位機(jī)軟件方面：GPB2001上位機(jī)軟件運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境為windows xp，而且沒有l(wèi)inux以及mac等系統(tǒng)下的軟件。本研究方案上位機(jī)軟件由于編程語(yǔ)言和框架所決定有良好的跨平臺(tái)性能。

最后對(duì)本方案所設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)物料成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，BOM表如表2所示，總價(jià)千元以內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足大部分需求的板球系統(tǒng)平臺(tái)，由于本次設(shè)計(jì)驗(yàn)證是按照制作一個(gè)樣機(jī)來采購(gòu)物料的，部分零件如電容電阻螺絲螺母等有數(shù)量起售限制，實(shí)際成本要比BOM中所列出低，如果量產(chǎn)，成本還可以進(jìn)一步降低。另外由于上位機(jī)等軟件所采用的語(yǔ)言為開源語(yǔ)言，所用的IDE等均免費(fèi)，因此在軟件方面可以進(jìn)一步控制成本。

表2 板球系統(tǒng)物料表Tab.2 Ball&Plate bill of materials

綜上分析，在吸取了同類產(chǎn)品方案優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前較前沿的技術(shù)使得本研究方案更加有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新性。而且在成本控制上有著更親民的價(jià)格，使其在自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室或其他領(lǐng)域有著更好的推廣價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有板球系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)迭代升級(jí)較慢的問題，自行研究設(shè)計(jì)了一整套的完整的板球系統(tǒng)平臺(tái)，并驗(yàn)證了方案的可行性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本研究所提方案達(dá)到了課題的設(shè)計(jì)預(yù)期，證明了本課題的可行性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)成本較低，而且提供了二次開發(fā)的接口，比傳統(tǒng)板球系統(tǒng)更加靈活，也為其他儀器開發(fā)設(shè)計(jì)提供了整套系統(tǒng)的解決思路，有較高的推廣價(jià)值和實(shí)用意義。