摘 要：本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6微控制器為核心，采用可靠性高、實時性強和靈活性高的CAN總線數(shù)據(jù)采集方案。主要采集智能康復輪椅上超聲波傳感器、激光傳感器、MPU6050六軸傳感器、壓力傳感器及電池電壓的實時數(shù)據(jù)。并對采集到的實時數(shù)據(jù)進行算法優(yōu)化處理，由串口轉(zhuǎn)CAN通信模塊上傳至CAN總線。上位機可根據(jù)CAN總線上實時環(huán)境數(shù)據(jù)對康復輪椅進行智能控制。與目前智能輪椅相比，主要特點是增加了頸椎智能牽引技術(shù)，多傳感器、多CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能。每個傳感器模塊單獨采用一個CAN節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、安全性。并采用串口轉(zhuǎn)CAN模塊方便了系統(tǒng)的優(yōu)化、維護和輪椅功能的升級。

　　關(guān)鍵詞：CAN總線 智能輪椅 STM32F407ZGT6

　　隨著現(xiàn)代智能控制技術(shù)的發(fā)展和應用研究，現(xiàn)代智能康復輪椅已經(jīng)具備監(jiān)測、輔助治療、遠程監(jiān)控、導航、避障等多種功能。如通過對聲音、圖像、動作、環(huán)境參數(shù)等要素進行信息的提取和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡監(jiān)控;應用智能算法控制輪椅運動實現(xiàn)避障;利用傳感技術(shù)及智能控制技術(shù)實現(xiàn)康復輔助治療等。同時，輪椅產(chǎn)品功能多樣化，也大幅降低了介護人員的工作量。

　　目前的智能輪椅主要采用ARM核心，通過USART串口或485通信方式，對多種傳感器進行數(shù)據(jù)采集。雖然也可以完成智能輪椅數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集，但是隨著智能輪椅的功能不斷提升，傳感器的數(shù)量增加，實時性、可靠性不足的問題會越來越明顯。

　　針對上述問題，我們采用了CAN總線技術(shù)，多CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能。CAN總線實時性高，非破壞總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點無延時。出錯的CAN節(jié)點會自動關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊。報文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低。每個傳感器模塊單獨采用一個CAN節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、安全性。

　　與現(xiàn)有的智能輪椅相比，我們還增加了頸椎智能牽引技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方案，并采用串口轉(zhuǎn)CAN模塊方便了智能輪椅維護和功能擴展、升級。

　　1 系統(tǒng)整體設計

　　本系統(tǒng)如圖1所示，由STM32F407核心控制器和超聲波避障[1]、頸椎牽引、姿態(tài)平衡、激光越障、電池電量檢測等幾個模塊組成。各個功能的傳感器數(shù)據(jù)采集在物理上獨立，采用單獨的串口傳輸通道，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，避免了信號的相互干擾[2]。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 超聲波避障模塊

　　為了提升環(huán)境數(shù)據(jù)采用的可靠性，配置了2個前置超聲波傳感器，2個左側(cè)超聲波傳感器，2個右側(cè)超聲波傳感器采集輪椅周圍障礙物信息[3]。利用STM32F407內(nèi)部自帶定時器功能，TIM5和TIM3多通道捕獲功能捕獲時間轉(zhuǎn)換成輪椅與障礙物的距離數(shù)據(jù)[4]，并通過USART1串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊上傳至CAN總線。各個傳感器協(xié)同工作，配合上位機對環(huán)境的影像識別，讓避障功能得到了進一步的優(yōu)化。

　　STM32F407 六通道捕獲配置如表1所示。

　　2.2 頸椎牽引模塊

　　頸椎牽引模塊采用壓力傳感器檢測頸椎壓力，將黃色的應變片固定在頸椎牽引桿上。電阻應變片的工作原理是基于應變效應，使其隨著被測定物的應變相應彎曲，根據(jù)電阻應變片彎曲度的變化即可改變輸出電壓值[5]。OUT管腳輸出模擬電壓通過MCU自帶A/D轉(zhuǎn)換功能將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。并由USART3串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊上傳至CAN總線。

　　2.3 越障模塊

　　越障模塊采用激光傳感器。安裝在輪椅離地10cm高度，檢測距離設置成2m，如果有近距離的數(shù)據(jù)反饋，說明障礙物超過10cm，不可越障。距離數(shù)據(jù)從4腳TXD輸出，USART2串口RXD輸入，后由串口轉(zhuǎn)CAN模塊上傳至CAN總線。該模塊可配合攝像頭確保越障功能的可靠性。

　　2.4 電池電量檢測模塊

　　電池電量檢測模塊通過電阻分壓間接獲取電池電壓值，由于STM32F407內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓是3.3V，所以電阻分壓獲取的電壓需小于3.3V。該電壓通過A/D轉(zhuǎn)換功能將電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由USART4串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊上傳至CAN總線。

　　2.5 姿態(tài)平衡模塊

　　姿態(tài)平衡功能采用MPU6050傳感器模塊[6]。電源電壓VCC 為3.3V，RX串行數(shù)據(jù)輸入，TX串行數(shù)據(jù)輸出，利用模塊TTL串口通信模式，通過C程序數(shù)據(jù)格式處理，可獲取輪椅坐姿X和Y軸的4個字節(jié)的角度數(shù)據(jù)，并由USART4串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊上傳至CAN總線。

　　2.6 串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊

　　模塊如圖2所示。采用ARM作為處理器，處理速度快。波特率、數(shù)據(jù)幀ID、濾波器等設置軟件使用方便，波特率可在3kbps-1Mbps的范圍內(nèi)任意的設定，適應能力更強。模塊上的TTL接口讓與嵌入式系統(tǒng)對接更方便。

　　該模塊有一個TTL接口及一個CAN接口，可作為一個標準的CAN節(jié)點。可直接與任意具有TTL接口的嵌入式系統(tǒng)對接，實現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)收、發(fā)雙向傳輸。管腳功能見表2。

　　利用串口轉(zhuǎn)CAN透傳模塊不僅節(jié)省了智能康復輪椅的開發(fā)時間，而且方便了智能輪椅功能的提升和傳感器擴展[7]。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 智能康復輪椅數(shù)據(jù)采集CAN通信數(shù)據(jù)格式

　　如表3所示。

　　3.2 程序簡介

　　主程序各模塊初始化函數(shù)：

　　NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級分組2

　　delay_init(168); //初始化延時函數(shù)

　　uart_init(115200); //初始化串口1波特率為115200

　　usart2_Init(9600); //初始化串口2波特率為9600

　　usart3_Init(115200); //初始化串口3波特率為115200

　　uart4_Init(115200); //初始化串口4波特率為115200

　　usart6_Init(115200); //初始化串口6波特率為115200

　　sr04_Init( ); //初始化前置超聲波傳感器使能端口

　　sr04_2Init( ); //初始化左側(cè)超聲波傳感器使能端口

　　sr04_3Init( ); //初始化右側(cè)超聲波傳感器使能端口

　　推薦閱讀：社區(qū)智能快遞柜柜格設計及使用情況調(diào)研報告