基于模塊化的按摩椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】模塊化；按摩椅；ARM；驅(qū)動(dòng)

引言

按摩椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種含有揉捏、敲擊、3D徑向和氣囊等功能的綜合系統(tǒng)，通常由傳感器、電機(jī)、氣泵、氣閥及單片機(jī)組成。單片機(jī)將上位機(jī)發(fā)來(lái)的按摩手法解析成各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能理解的指令并輸入到各模塊的接口函數(shù)中[1]，各個(gè)模塊快速響應(yīng)并成功實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

本文將基于模塊化的按摩椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做一個(gè)詳細(xì)的論述，給出主要模塊的硬件電路圖、軟件方框圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、模塊化設(shè)計(jì)

硬件模塊化：固化現(xiàn)有的成熟電路圖，以及其中的電子元器件的設(shè)計(jì)參數(shù)，固化硬件電路的PCB的布局以及PCB的設(shè)計(jì)要求。

軟件模塊化：將軟件分成數(shù)據(jù)層、邏輯層、硬件層三層[2]。數(shù)據(jù)層接收上位機(jī)的鍵值，然后將鍵值解析成每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作參數(shù)。邏輯層執(zhí)行電機(jī)、氣囊、通訊、傳感器等機(jī)構(gòu)的邏輯運(yùn)算，將它們按照功能分類；硬件層是跟單片機(jī)強(qiáng)相關(guān)的端口配置。

二、按摩椅驅(qū)動(dòng)板硬件系統(tǒng)

（一）電機(jī)驅(qū)動(dòng)

按摩的經(jīng)典動(dòng)作：揉捏、敲擊、頂背、搖擺、搓腳等，這些都離不開(kāi)電機(jī)的控制。所有電機(jī)控制全部用DRV8840芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)，除了端子顏色不一樣外，電路的其他任何元器件要保持一致。在硬件電路圖庫(kù)[3]中通過(guò)端子確認(rèn)電機(jī)功能。

此電路可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向，通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按摩的平穩(wěn)度。

（二）氣囊控制

氣囊可以按摩肩膀、手臂、小腿、大腿、腳、腰等部位。電路如上，通過(guò)SPI方式實(shí)現(xiàn)每一個(gè)氣閥的打開(kāi)或關(guān)閉。

用戶是通過(guò)手控器控制按摩椅運(yùn)行的。手控器與驅(qū)動(dòng)板之間通過(guò)UART串口來(lái)通訊，它們之間波特率是9600，全雙工方式。驅(qū)動(dòng)板每50ms向手控器發(fā)送按摩椅的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，手控器每50ms將按鍵值發(fā)給驅(qū)動(dòng)板。

三、按摩椅驅(qū)動(dòng)板軟件系統(tǒng)

（一）軟件模塊圖

（二）電機(jī)軟件控制

揉捏電機(jī)就是實(shí)現(xiàn)揉捏功能，電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)，每個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)一圈為橢圓。揉捏的運(yùn)動(dòng)由速度、軌跡決定。

揉捏電機(jī)的功能，就是在背部表面上進(jìn)行揉捏動(dòng)作。

1、軟件控制方框圖

2、控制參數(shù)

控制參數(shù)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，里面含有揉捏電機(jī)運(yùn)行所需的速度、軌跡等關(guān)鍵要素?？刂茀?shù)在數(shù)據(jù)層將上位機(jī)命令解析后生成的。

變量Data_Update：

當(dāng)數(shù)據(jù)層有新的揉捏運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，置1；否則揉捏電機(jī)還是按照之前的模式運(yùn)動(dòng)。

變量Control_DEF：

運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)分為三大類：時(shí)間、次數(shù)、不停。 默認(rèn)以時(shí)間來(lái)運(yùn)行。

變量Run_Data：

當(dāng)運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)為時(shí)間時(shí)，此變量代表時(shí)間；當(dāng)基準(zhǔn)為次數(shù)時(shí)，它代表次數(shù)；當(dāng)基準(zhǔn)為不停運(yùn)動(dòng)時(shí)，它沒(méi)有意義。

變量Work_State：

揉捏電機(jī)一共分為9種狀態(tài)，停在任意位置、逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)、順時(shí)針運(yùn)動(dòng)、停在寬、停在窄、停在中，寬窄來(lái)回運(yùn)動(dòng)、窄中來(lái)回運(yùn)動(dòng)，中窄來(lái)回運(yùn)動(dòng)。寬中窄是三個(gè)位置信號(hào)，主要用來(lái)記錄次數(shù)及搓背用的。默認(rèn)停在任意位置。

變量Run_Speed：

控制揉捏電機(jī)的速度大小，一共7檔，默認(rèn)0檔，0檔即沒(méi)有速度，電機(jī)停止。

3、定時(shí)器

模塊在運(yùn)行時(shí)需要用到時(shí)間，由于是模塊化設(shè)計(jì)，不可能專門(mén)給此模塊弄一個(gè)特有的硬件定時(shí)器來(lái)做時(shí)間統(tǒng)計(jì)。由于SysTick是ARM內(nèi)核里的一個(gè)功能單元，因此使用SysTick產(chǎn)生一個(gè)1ms的中斷來(lái)調(diào)用每個(gè)模塊的“1ms中斷”函數(shù)，每一個(gè)模塊既實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)功能，也滿足了代碼在不同單片機(jī)之間能夠快速移植。

4、外部信號(hào)

揉捏電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要知道直流24V電壓大小、寬中窄傳感器信號(hào)，但這些數(shù)據(jù)不是模塊特有的。直流24V電壓，其他電機(jī)也需要用到；寬中窄信號(hào)是信號(hào)小板采集的一部分，通過(guò)UART方式傳送給主驅(qū)動(dòng)板。軟件模塊化的核心思想是保持模塊的獨(dú)立性，所以這些只能以形參的方式傳遞進(jìn)來(lái)。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）以時(shí)間為基準(zhǔn)，讓揉捏電機(jī)以順時(shí)針?lè)绞竭\(yùn)行6000秒，結(jié)果正確。

（2）以時(shí)間為基準(zhǔn)，讓揉捏電機(jī)以窄中來(lái)回運(yùn)行6000秒，結(jié)果正確。

（3）以次數(shù)為基準(zhǔn)，讓揉捏電機(jī)以逆時(shí)針?lè)绞竭\(yùn)行50000次，結(jié)果正確。

（4）以次數(shù)為基準(zhǔn)，讓揉捏電機(jī)以窄寬來(lái)回運(yùn)行500000次，結(jié)果正確。

（三）脈沖計(jì)數(shù)數(shù)字濾波

當(dāng)行走機(jī)芯上行或下行時(shí)，通過(guò)電平的變化來(lái)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)，往上走脈沖加，往下走脈沖減。

當(dāng)脈沖電平發(fā)生變化時(shí)，就直接進(jìn)行脈沖數(shù)增減。對(duì)于正常的方波信號(hào)是沒(méi)有問(wèn)題的。但是電子產(chǎn)品不可能做到100%不受到外界的一絲干擾，進(jìn)入單片機(jī)的脈沖信號(hào)不可能非常的完美。

即使同一類型的機(jī)臺(tái)，行車機(jī)芯從最底端跑到最頂端，脈沖數(shù)也不可能一模一樣，由于安裝存在差異，最大脈沖數(shù)相差30都有可能。假設(shè)一臺(tái)按摩椅實(shí)際最大脈沖數(shù)是842，跑到頂點(diǎn)卻強(qiáng)行設(shè)置成832；本來(lái)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)就不準(zhǔn)，再加上人為制造一個(gè)誤差，雙重誤差下導(dǎo)致行車機(jī)芯運(yùn)動(dòng)就很不準(zhǔn)。

當(dāng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)收集過(guò)去按摩椅發(fā)生的各種不良現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)避免相同問(wèn)題的發(fā)生。

增加數(shù)字濾波，在電平發(fā)生反轉(zhuǎn)后10毫秒內(nèi)電平未發(fā)生變化（每1ms檢查一次，連續(xù)10次）才確認(rèn)電平真發(fā)生了反轉(zhuǎn)，否則認(rèn)為是干擾波。

當(dāng)行走機(jī)芯上電后第一次運(yùn)行時(shí)，首先要做歸零動(dòng)作，即先運(yùn)行到下限位，將脈沖數(shù)置0。當(dāng)運(yùn)行到上限位，不管脈沖數(shù)是多少，都不能人為地進(jìn)行修正。

（四）通信

1、通信小板

通信小板與主驅(qū)動(dòng)板之間通過(guò)UART通訊，主驅(qū)動(dòng)只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，不對(duì)通信小板發(fā)送數(shù)據(jù)。通信小板負(fù)責(zé)靠背電機(jī)上下極限、行走電機(jī)上下極限、小腿升降上下極限、揉捏寬中窄、肩膀、前滑電機(jī)前后極限、腳底、小腿角度、小腿伸縮極限等信號(hào)的采集。

2、3D電機(jī)信號(hào)小板

3D電機(jī)信號(hào)小板負(fù)責(zé)采集3D電機(jī)的前后極限、3D電機(jī)脈沖數(shù)等信號(hào)。

3D電機(jī)信號(hào)是通過(guò)485方式和主驅(qū)動(dòng)板通信。主驅(qū)動(dòng)板是主，其他連接上485總線上的都是從設(shè)備。主驅(qū)動(dòng)板每50ms輪流給不同的從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備收到正確的命令后，將相應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)反饋至主驅(qū)動(dòng)板。

3、快捷按鍵小板

快捷按鍵安裝在扶手上方便用戶操作，它也是通過(guò)485方式與主驅(qū)動(dòng)板通信的。為了方便用戶操控快捷鍵，當(dāng)用戶按下某個(gè)按鍵時(shí)，主驅(qū)動(dòng)板根據(jù)查詢到的按鍵值通過(guò)喇叭播報(bào)。

4、手控器

手控器與主驅(qū)動(dòng)板通過(guò)UART通信，它們之間是全雙工。主驅(qū)動(dòng)板每50ms將主驅(qū)動(dòng)板每個(gè)模塊的狀態(tài)發(fā)送給手控器；手控器每50ms將鍵值發(fā)送給主驅(qū)動(dòng)板，無(wú)鍵按下時(shí)發(fā)無(wú)鍵值。手控器是TFT屏，屏幕上顯示按摩椅自動(dòng)按摩的程式及手動(dòng)按摩的選擇，畫(huà)面簡(jiǎn)單明了。

5、藍(lán)牙模塊

主驅(qū)動(dòng)板與APP通訊時(shí)，其實(shí)是與主驅(qū)動(dòng)上的藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。通信也是UART方式，與手控器通訊協(xié)議內(nèi)容一致。APP上的顯示內(nèi)容也和手控器一致。

APP可以理解成第二個(gè)手控器，無(wú)論手控器或APP按下某個(gè)按鍵后，主驅(qū)動(dòng)板將更新后的狀態(tài)發(fā)給所有手控器，它們的狀態(tài)也會(huì)同時(shí)更新，這樣就解決了多設(shè)備操作按摩椅顯示不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

（五）錯(cuò)誤代碼

原先的按摩椅沒(méi)有“錯(cuò)誤代碼”功能。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題后，工程師無(wú)法快速知道問(wèn)題的源頭來(lái)自哪里，只能通過(guò)更換各個(gè)電路板來(lái)慢慢鎖定。這樣做既費(fèi)時(shí)也費(fèi)力，而且增加企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。如果通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，就能將問(wèn)題解決在產(chǎn)品出廠或入庫(kù)之前。

編寫(xiě)每一個(gè)獨(dú)立模塊代碼時(shí)，事先要考慮好它可能會(huì)產(chǎn)生哪些錯(cuò)誤，并添加偵測(cè)這些錯(cuò)誤的代碼。

錯(cuò)誤代碼模塊收集每個(gè)模塊的錯(cuò)誤，將之轉(zhuǎn)化成錯(cuò)誤代碼和LED報(bào)警。工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)觀察LED閃爍次數(shù)或者在手控器上查詢最近產(chǎn)生的錯(cuò)誤代碼，能在極短的時(shí)間知曉錯(cuò)誤來(lái)源，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升起到一個(gè)非常好的促進(jìn)作用。

總結(jié)

以往的按摩椅沒(méi)有以模塊化方式來(lái)設(shè)計(jì)，從硬件到軟件都是由一個(gè)工程師全權(quán)封閉式負(fù)責(zé)，由于工程師們急于完成設(shè)計(jì)，很多地方繞過(guò)規(guī)范來(lái)做。這樣做的后果是電路圖存在缺陷，代碼非常難懂，且同樣的問(wèn)題一錯(cuò)再錯(cuò)。對(duì)于企業(yè)及個(gè)人來(lái)說(shuō)，浪費(fèi)了極大的時(shí)間成本。

模塊化設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕隱患發(fā)生，同時(shí)也大大降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本。