基于CC430F6137的工业手柄摇杆优化模型研究

刘伟静，赵超泽，王 东，徐文丽，姚 宁，王小涛

(1.天津航天机电设备研究所,天津 300458；2.天津市宇航智能装备技术企业重点实验室,天津 300458；3.北京交通大学海滨学院,河北 廊坊 061100)

0 引言

随着现代机械工程的快速发展，工业手柄[1-2]越来越多地应用于无人机、机器人[3]、移动车等。其中，工业手柄的摇杆[4]操作可实现设备移动的灵活性与稳定性。手柄控制方式分为无线和有线两种。无线手柄与有线手柄相比，具有较高的移动灵活性，且安装方便、操作简单、调试维护成本较低。因此，大部分领域使用无线手柄进行远程控制。文献[5]以STC89C52单片机为主控单元，设计了摇杆信号无线传输模块。该模块在模数转换器(analog to digital converter,ADC)模块初始化时读取的三组数据均为无效数据，且在检测数据时需在一定时间内关闭无线传输，因而增加了数据处理时间和设备能耗。文献[6]设计了一种便携式多功能无线游戏手柄。该手柄能准确输出控制命令，但同一时间从缓存区读取的11个字节不一定是同一个数据包中的，导致信道利用不充分甚至丢包。

本文从手柄软件设计入手，采用CC430F6137单片机[7]作为手柄控制器的核心部分，利用ADC采集摇杆偏移量，设置ADC采样参数，确保控制器每次均可采集到一个完整的数据包；通过对比的方式建立摇杆数学优化模型，以提高摇杆操作精度。

1 硬件系统

作为智能设备的上位机系统，无线手柄具有远距离遥控下位机的功能，可实现平移、转向、升降、翻转等动作。无线手柄操控方便，可靠性较高，能较好地满足使用者的要求。

单片机具有集成度高、可靠性高、控制功能强、功耗低的特点，是工业控制领域广泛使用的元件。德州仪器推出的射频芯片CC430延续了MSP430单片机的超低功耗设计，采用了CC1101[8]作为无线内核，成为新一代无线式单片机。因此，本文选用CC430F6137作为手柄控制核心单元。将CC430F6137中的13个I/O连接手柄按键，4个模拟量接口连接手柄摇杆。手柄显示屏采用并行通信模式。其中，手柄摇杆产生的模拟量信号通过ADC中断转换成数字量信号，并存入CC430F6137单片机寄存器内。解析该摇杆信号即可控制下位机的动作。手柄硬件结构如图1所示。

图1 手柄硬件结构框图

2 摇杆优化模型设计

本文设计的手柄采用双轴摇杆模块。该模块由2个滑动变阻器[9]组成。拨动摇杆时滑动变阻器的阻值发生变化，对应的x、y轴电压值随之变化，进而产生x、y轴方向的偏移量。当摇杆不进行任何操作时，单片机ADC采集到的x、y轴的偏移量视为摇杆的原点。然而，由于滑动变阻器的不稳定性，摇杆原点会在一定范围内浮动，易产生手柄无操作但下位机动作的问题。因此，必须将摇杆原点限定在一定范围(即死区[10]范围)内，以防止危害事故的发生。本文以该特性为出发点优化摇杆死区，提高手柄操控性能。摇杆偏移量采集流程如图2所示。

图2 摇杆偏移量采集流程

在保证摇杆正常应用的前提下扩大摇杆死区范围，确定在不进行任何操作时摇杆采集点数始终保持在死区范围内。不同的死区设置方式具有不同的效果。下面解析摇杆死区分别设置为方形和圆形时的特点，并优化设计。

2.1 方形死区模型

方形死区模型如图3所示。

图3 方形死区模型

当不操作摇杆时，设定摇杆x、y轴的实际偏移量分别为s、t(s>0，t>0)。死区范围设为：当x值满足a

摇杆在死区范围外，xvirtual、yvirtual轴正负方向的偏移量分别为1 024，即解析后的摇杆坐标范围为-1 024≤xvirtual≤1 024、-1 024≤yvirtual≤1 024。由此可以得到死区范围之外的角度计算方法，如式(1)所示。

(1)

式中：A为摇杆当前角度值。

当x、y值处于阴影区域2时，满足xvirtual=0或yvirtual=0，表示摇杆向正前、正左、正后、正右四个方向推动。

上述方式可在保证摇杆正常应用的前提下有效扩大死区范围，保证摇杆不会在非操作模式下发出错误信号。

以图3(a)的第一象限为例。当摇杆沿图3(b)中的虚线箭头方向推动时，摇杆角度会出现0°(OA)→90°(AB)→γ(0<γ<45°)的跳变，造成输出方向的突变，极易引起下位机方向突变，甚至死机。同理，在其他3个象限也会出现角度跳变现象。

2.2 圆形死区模型

满足(xvirtual-s)2+(yvirtual-t)2≤r2(r>0)的区域为死区范围。当摇杆处于死区范围内时，坐标设为O(0,0)。

死区范围之外的角度计算如式(1)所示。为判断摇杆向正前、正左、正后、正右四个方向的推动，设定：

(2)

式中：0°<α<45°。

圆形死区模型如图4所示。

图4 圆形死区模型

根据式(1)、式(2)可知，该设置方法扩大了摇杆0°、90°、180°、270°四个方向的范围。圆形死区模型拨动方向如图4(b)中阴影区域2所示。

分析图4(b)中的第一象限可知，直行推动摇杆至死区范围外，不会出现角度跳变，消除了摇杆操作造成的下位机方向突变的问题。

3 基于优化模型的无线传输程序

摇杆采用圆形死区模型。本文采用自定义方式设置无线传输程序，采用6个字节的自由协议：帧头为0xAA；第2个字节为x轴坐标数据；第3个字节为y轴坐标数据；第4个字节为角度；第5个字节为校验位，应用偶校验方式；帧尾0xBB。

手柄发送数据流程如图5所示。

图5 手柄发送数据流程

本文应用CC430F6137单片机中的ADC中断构建程序。具体程序构建流程如下所述。

3.1 ADC中断初始化

首先初始化ADC中断，然后通过配置寄存器，使能该中断。

void ADC_Init(void)

|{|P2SEL=0xCF;//使能ADC 通道输入

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

在中断程序中应用无符号整型数组results[8]配置ADC中的0、1、2、3、6、7号寄存器，将x、y、z三轴坐标分别配置在results数组的1、0、6号寄存器中。具体如下。

results[0] = ADC12MEM0; //y轴坐标

results[1] = ADC12MEM1;

//x轴坐标

results[2] = ADC12MEM2;

//外部电压

results[3] = ADC12MEM3;

//电池电压

results[6] = ADC12MEM6;

//z轴坐标

results[7] = ADC12MEM7;

3.3 设置摇杆死区

x轴和y轴采用二维坐标，设置圆形死区。中心点设置方法为：采集20次x轴和y轴摇杆在起始点的坐标，取其平均值，设为中心点，例如(2 035,2 022)。以中心点为圆点，以Blind_Spot为半径，设置圆形死区。

z轴单独作为一维坐标。采集20次z轴摇杆在起始点的坐标，取其平均值，设为中心，例如2 050。以中心点为起点，上下取100，设置为死区范围，即z轴在(1 950,2 150)范围内的变化忽略不计。

具体程序如下。

if(zeroflag==0)

//原点限制

{

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轴坐标变换

摇杆坐标变化范围为0～4 096，在初始位置时在2 048上下变化。将中心(2 035,2 022)转换为原点(0,0)，将上下1 024设置为摇杆的死区范围，超出1 024的部分记为1 024。其中，x、y轴坐标变换代码如下。

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坐标变换代码如下：

|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 试验验证

本文应用工业手柄无线遥控全向移动转运车的方式，测试摇杆死区优化模型。试验选择周围障碍物较少、地面干净平整的场地，使转运车可全向移动。试验工业手柄发射功率为-10 dBm，最大发射半径为100 m，距离转运车5 m处。x轴和y轴的死区半径设置为100 mm。多次拨动摇杆并将角度值显示于液晶屏(liquid crystal display,LCD)上，观察转运车的移动方向是否与LCD上的角度信息一致。以x、y轴第一象限为例，说明圆形死区模型和方形死区模型的优劣。缓慢推动摇杆，观察x轴和y轴偏移量的变化。

角度数值变化如表1所示。

表1 角度数值变化

由表1可知，当设置圆形死区时，由0°变化到65°，无角度跳变发生；当设置方形死区时，转运车的移动方向由0°变化到90°，再跳变到65°。该跳变会引起转运车的行走角度突然发生变化，造成危险。而设置圆形死区时，无角度跳变的情况发生，消除了上述危险。

5 结论

本文以CC430F6137作为手柄控制核心，根据工业手柄的可靠性建立摇杆数学模型，设定摇杆的死区模型，并分析该模型的优劣。针对摇杆信号的无线传输程序进行了分析设计，编写了主要的功能函数，实现了数据的转换和无线传输功能。该研究为后续的应用奠定了良好的基础。