（机械电子工程专业论文）基于PETRI网的按摩椅嵌入式控制系统的研究.pdf

广东工业大学 硕士学位论文 基于petri网的按摩椅嵌入式控制系统的研究 姓名：罗海据 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：吴永明 20070501 摘要 随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，电动按摩椅作为家庭 保健的主要器械越来越受到人们的欢迎。按摩椅是典型的机电一体化的产品，而 且正在向智能化发展，成为家庭保健的“中心”。为了提高国产按摩椅的技术含量 和市场竞争力，论文应用嵌入式系统、p e t r i 网等一些新技术，研发了按摩椅产 品的嵌入式控制系统。论文在控制系统的硬件、软件和按摩手法等方面分别展开 研究： 1 硬件系统采用了m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 与d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 结合的方案，包括了键盘和显示、电源和复位、检测、数据采集、逻 辑控制、总线电压转换、m c u 及其扩展、d s p 及其扩展、双端口r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 和电机驱动等模块，并设计了互锁电路以保证电机驱动模块的 安全： 2 在软件方面，采用嵌入式操作系统p c o s i i 作为控制系统的内核，并 将其移植到m c u 和d s p 芯片上； 3 应用p e t r i 网对电机控制模块进行建模，并分析了该模型的可达性，保 证电机实现的功能不存在死锁和冲突； 4 将速率单调调度算法r m s ( r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g ) 应用到按摩椅 控制系统的任务调度机制之中，把控制系统中非周期任务改造成周期任务，使多 个任务能够并行工作，同时还保证这些任务的实时性要求。通过对p c o s i i 的 改进，增加了任务的运行时间限制功能，提高系统的稳定性； 5 设计了按摩椅的按摩手法学习功能，增加用户的满意度。 本文的研究是在与相关企业的实际产品的开发过程中进行的，研究成果直 接获得应用和验证。实践表明，本文研究的嵌入式控制系统平台，有利于缩短产 品开发周期、降低产品研发成本、提高企业的技术水平和国产按摩椅的市场竞争 力。 关键词：控制系统；嵌入式系统；电动按摩椅；p e t r i 网 a b s t r a c t a se c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dp e o p l el i v i n g se l e v a t i o ni n0 1 1 1 c o u n t r y , e l e c t r i c m a s s a g ec h a i r s , b e i i l gm a i nh e a l t h - c a r ea p p a r a t u si nf a m i l y , a r em o r ea n dm o r e f a v o r a b l e e l e c t r i cn l a s s a g ec h a i r sa r ct y p i c a le l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t sw h i c ha r e b e i n gd e v e l o p e dt oi n t e l l i g e n tp r o d u c t sa n dh o u s e h o l dh e a l t h - c a r ec e n t e r s i no r d e rt o i m p r o v et e c h n i c a ll e v e la n de n h a n c em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fh o m e m a d em a s s a g e c h a i r s , t h i sd i s s e r t a t i o nd o e sr e s e a r c h e so nt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mf o rm a s s a g e c h a i r sb ya p p l y i n gt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m , p e t r i - n e ta n do t h e rn e w t e c h n o l o g i e s a c c o r d i n gt ot h ea s p e c t so fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dm a s s a g e m a n i p u l a t i o n s ，t h ef o l l o w i n gm a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ed o n e 1 t h ec o m b i n a t i o no fm c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) a n dd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) i su s e da st h ec o n t r o lu n i ti nh a r d w a r e a n dt h em o d u l e sc o m p l e t e di n c l u d e ： k e y b o a r da n dd i s p l a y , p o w e ra n dr e s e t , m o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t i n g , l o g i cc o n t r o l ， c o n v e r t e ro f b u sv o l t a g e ，m c ua n di t se x p a n s i o n s ，d s pa n di t se x p a n s i o n s ，d u a lp o r t r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) a n dm o t o rd r i v e r a l s o ，t h ei n t e r - l o c k e dc i r c u i ti s d e s i g n e d t o e n s u r e t h e s a f e t y o f m o t o r d r i v e r m o d u e 2 p c o s i ii su e s e d a st h ec o r eo f c o n t r o ls y s t e mi ns o f t w a r e a n di si m p l a n t e di i l m c u a n d d s p 3 p e t r i - n e ti sa p p l i e dt om o d e lt h em o t o rc o n t r o lm o d u l e ，a n dr e a c h a b i l i t yo f t h i sm o d e li sa n a l y z e dt om a k es u n od e a d l o c k sa n dc o n f l i c t sa m o n gi t sf u n c t i o n s 4 a l g o r i t h mr m s ( r a t em o n o t o n i cs c h e d u l i n g ) i sa p p l i e di ni _ t c o s i i st a s k s c h e d u l i n gm e c h a n i s m , t om a k et h et a s k sw o r kc o n c u r r e n t l yb yc o n v e r t i n gt h e a p e r i o d i ct a s k si n t op e r i o d i ct a s k s ，a n de r b x l r et h eg o o dr e s p o n s i v e n e s so ft a s k s t h e l i m i t e d - s p a no ft a s kf u n c t i o ni sa d d e dt o “c o s i it oi m p r o v et h es t a b l e n e s so f s y s t e m 5 m a s s a g em a n i p u l a t i o n sl e a r n i n ga b i l i t yi sd e s i g n e dt os a t i s f yt h ec o n s u m e r t h er e s e a r c hi n t h i sp a p e ri sd o n ei nt h em a s s a g ee m i r sd e s i g np r o c e s si na r e l e v a n tc o m p a n y ，a n di t sr e s u l ti ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oam a s s a g ec h a i rp r o d u c t i l l t h ep r a c t i c es h o w st h a tt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mc o u l ds h o r t e np r o d u c td e s i g n t i m e ，r e d u c ep r o d u c td e v e l o p i n gc o s t , e l e v a t ee n t e r p r i s et e c h n o l o g yl e v e la n de n h a n c e m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so f h o m e m a d em a s s a g ec h a i r s k e yw o r d ：c o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；e l e c t r i cm a s s a g ec h a i r s ；p e t r i - n e t i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 缈7 年广月尹日 纺仁触狮 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人们对医疗保健越来 越重视，针灸、推拿、按摩成为人们首选的保健方式，除了大量的按摩机构出现 外各种各样的按摩器材应运而生，例如按摩棒、按摩垫、按摩椅、按摩床等。而 作为家庭用的按摩器械，电动按摩椅逐渐成为家庭的保健“中心”。目前，在 电动按摩椅市场上，进口、合资以及国产产品并存。相对而言，进口产品功能强 大、按摩方式丰富、外观优美，但同时其价格也非常昂贵“。而国内产品功能较 简单，产品知名度也相对较低，但是其价格比较低廉。 按摩椅是典型的机电一体化产品，低性能按摩椅的控制系统一般用单片机 来完成控制功能，该方案成本比较低，而且容易实现。目前按摩椅产品已经从简 单的动作按摩功能发展到了具有智能保健功能的按摩椅。许多知名公司已经开发 出功能强大的按摩椅，包括具有检测心跳、流汗、肌肉松紧度等参数的功能，根 据这些参数来定制用户的按摩方式。无疑，这是按摩椅以后的发展趋势。 在现代产品开发的理念里，模块化、绿色设计、绿色制造已经备受重视， 产品更新换代更加频繁。如何能够缩短产品设计周期，降低产品的设计成本、生 产成本、维护成本等是产品在设计的阶段必须要考虑的事情m 。就按摩椅的控制 系统而言，对于其所完成的功能是类似的。所以一套能够兼容企业内，或者行业 内的产品族或产品代的控制系统是占领市场的必胜筹码。 回顾计算机在控制领域的发展历史，从简单的分立元件，到集成电路，然 后发展到控制芯片，现在到软件硬件结合的嵌入式控制系统。可以说，嵌入式系 统是计算机技术与自动化技术相结合的发展产物，它将软件嵌入到硬件环境中 去，由封装好的软件控制相关硬件，直接面向产品、面向应用。嵌入式系统具有 的典型特性有【卅： 1 内外部环境交互：由事件驱动，必须对外界事件作出响应。即从外部接 收数据，做出控制决策，然后输出命令控制外部环境； 2 多任务处理：嵌入式系统通常有很多事件同时发生，一个任务描述一个 广东t 业大学硕l 论文 事件，整个系统的功能就是多个任务并行运行而实现的。 一个高性能的嵌入式系统是完成特定应用和特殊功能的最小系统，其中嵌 入式软件是实现系统功能的关键。简单的过程控制应用一个无限循环程序来实现 控制。但随着技术的进步，应用复杂性的增加，比较通用的解决办法是在一些嵌 入式系统内核上进行改造，如i t c o s i i 、 t c l i n u x 、v x w o r k s 等。除y g c o s i i 和i j t c l i n u x 之外，其他的嵌入式操作系统都要支付商业上的版权费。改造后的系 统充分利用操作系统的特性，使应用程序结构性更好、效率更高、更易于维护， 并提供了实现硬件控制功能所需要的必要接口，使后继产品的更新、设计变得容 易。 嵌入式系统目前被广泛应用于各个领域，国外对“嵌入式软件开发平台” 越来越重视。嵌入式软件开发平台化的趋势正在逐渐被业界所接受，商业化的 嵌入式软件开发平台正在迅速取代企业的自有开发工具，面向各个行业的嵌入式 软件开发平台将成为嵌入式开发中不可缺少的一部分。因此，从嵌入式软件技术 的发展的趋势、提升嵌入式软件技术的水平和开发效率、提高市场的竞争力三个 方面来说，建立某一领域中通用的“嵌入式软件开发平台”是当务之急m 。 然而，目前针对于按摩椅产品的专用嵌入式系统的研究和设计并不多，因 此，论文研究了面向按摩椅产品的嵌入式控制系统( 以下简称“控制系统”) ，该 控制系统具有普通嵌入式系统的功能和特点之外，还应具有面向按摩椅产品的一 些特定功能，例如：电机驱动与监控、按摩椅状态的监控、按摩方式的选择和驱 动、人体物理参数的收集和处理等。控制系统集成了按摩椅产品的通用功能，在 后继的开发中就可以直接使用这些功能库，大大减轻开发人员的负担，缩短开发 周期。如图1 一l 所示，控制系统包含了硬件系统和软件系统两部分，其中软件系 统由内核、硬件驱动层、系统功能接口驱动层和应用层构成，图中的箭头线条代 表命令或者数据流。然而，功能的增加使整个系统的复杂性也随之增加，功能模 块之间可能会存在死锁和冲突等问题。为了避免死锁和冲突问题，本文应用 p e l r i 网建立控制系统模型。 2 第一章绪论 图1 1 控制系统结构图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m 实时系统的正确性不仅仅取决于系统任务的正确执行，而且还要依赖任务 的响应时间，执行时间等。一般来说，在实时系统中某些任务是实时任务，它们 具有一定的紧急程度。这类任务试图控制外部世界发生的事件，或者对这些事件 作出反应。由于这些事件是“实时”发生的，因而实时任务必须能够满足它所关 心的事件“”，。对于一个嵌入式操作系统而言，如果系统中有多个并行的实时任 务，如何安排和协调这些实时任务就显得非常重要，因而系统的任务调度功能可 能是嵌入式系统中最重要的功能。 按摩椅产品要实现一定的按摩手法时经常需要揉捏、捶打和行走等电机并 行工作，而且要求能快速相应用户的指令，如果控制系统对电机的控制达不到这 些要求，虽然不会导致很坏的结果却也使按摩手法的按摩效果下降，对于按摩椅 这种产品而言是不允许的。为了提高控制系统的实时性，本文应用了速率单调调 度r m s 算法对控制系统中的任务进行调度。 论文研究面向按摩椅产品的嵌入式控制系统，改变了传统按摩椅控制系统 的控制方法，它能够增加产品功能的同时也能够提高产品的安全性。在软件方面， 控制系统既有通用嵌入式系统的也提供了面向按摩椅控制的功能，为将来高层次 按摩椅产品的开发提供了一个开发平台；在硬件方面，模块化的设计缩短开发周 期，不同性能模块高低档次的组合，满足不同档次按摩椅的要求以适应市场的需 求，提高产品的市场竞争力。 广东工业大学硕卜论文 1 2 国内外相关研究 在嵌入式微处理器的应用开发中，嵌入式实时操作系统或r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i o n s y g e m ) 是核心软件。就像日常所用计算机的桌面系统中，微软公司 的视窗操作系统一样重要。 从一九八一年r e f ls y g e m 发展了世界上第一个商业嵌入式实时内核，到今天 已经有二十多年的历史。二十世纪八十年代的产品还只支持一些1 6 位的微处理 器，如6 8 k ，8 0 8 6 等。这时候的r t o s 只有内核，以销售二进制代码为主。产品主 要用于军事和电信设备。进入二十世纪九十年代，微内核设计技术和模块化设计 思想开始渗入r t o s 领域。二十世纪九十年代中期，互联网之风在北美日渐风行， 网络设备制造商、终端产品制造商都要求r t o s 有网络和图形界面的功能。这个 时期代表性的产品有v x w o a 、q n x 、l y n x 和w i n c e 等“一。 进入二十世纪九十年代后期，开放源码之风已波及r t o s 厂家，并且新的处 理器越来越多，r 1 d s 自身结构的设计更易于移植，r t o s 在嵌入式系统设计中的 主导地位已经确定。后p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 时代更多的产品使用r t o s ，它们 对实时性要求并不高，如手持设备等。微软公司的w i n c e 、p f l mo s 、j a v ao s 等r t o s 产品就是顺应这些应用而开发出来的“一。嵌入式l i n u x 已经在消费电子 设备中的到应用，韩国和日本的一些企业都推出了基于嵌入式l i n u x 的手持设备。 嵌入式l i n u x 也得到了相当广泛的半导体厂商的支持和投资，如h t e l 和m o t o m l a 。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统己进入我国市场的有w i n d 黜v c r 、 m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 等产品n “。在过去的几年中，中国的一些国家研究机构 和企业已经在开发自有知识产权的r t o s ，或在开放源码的l i n u x 基础上发展自己 的嵌入l m u x 版本。国产r t o s 的市场主要集中在消费电子产品方面，因为这里有 许多国外r 1 0 s 不能适应的部分，如中文处理。目前主要产品有：中科院系统的 “女蜗”，英文是“h o p e n ”，中科院红旗l m u x ，深圳蓝点l i n u x ，目前这些r t o s 市场占有率还很低n ”。 1 2 1p e t r i 网在嵌入式系统中应用的研究 目前应用比较广泛的系统建模工具，如统一建模语言、面向对象的设计和编 4 第一章绪论 程技术、p e t r i 网等都纷纷引入到对嵌入式系统的分析与设计过程之中“1 。从 嵌入式系统的协同设计、整体架构、到规范说明、再到局部实现都已经被广泛研 究一。 p e t r i 网最早由c a r la p e t r i 博士于1 9 6 2 年在他的博士论文中提出，用来 描述计算机系统事件之间的因果关系。从1 9 8 0 年召开第一次p e t r i 网理论和应 用的国际研讨会以来，每年一次的国际研讨会连续不断，p e t r i 网理论和应用在 不断的充实和完善。 p e t r i 网研究的系统模型行为特性包括：状态的可达性( r e a c h a b i l i t y ) ，位置 的有界性( b o u n d e d n e s s ) ，变迁的活性( l i v e n e s s ) ，初始状态的可逆达 ( r e v e r s i b i l i t y ) ，标识之间的可达( r e a c h a b i l i t y ) ，变迁之间的坚挺( p e r s i s t e n c e ) ，事 件之间的同步距离( s y n c h r o n i cd i s t a n c e ) 和公平性( f a i m e s s ) 等。 p e t r i 网模型的主要分析方法依赖于：可达树，关联矩阵和状态方程，不变 量和分析化简规则。它的纵向发展表现为：从基本的条件事件网，经过位置变 迁网，发展到高级网。它的横向发展表现为：从没有参数的网，发展到时间p e t r i 网和随机p e t r i 网；从一般有向弧发展到禁止弧和可变弧；从自然数标记个数到 概率标记个数；从原子变迁发展到谓词变迁和子网变迁。 最早p e t r i 网主要应用于计算机与信息处理领域，后来具有工程背景的研究 人员将p e t r i 网方法用于工程系统尤其是自动制造系统的研究。4 0 年来，p e t r i 网不断地充实和发展，日臻完善，在计算机、自动化、通信、交通、电力与电子、 服务以及制造等领域得到广泛的应用。 b e n d e r s 和s t e v e n t s 在9 2 年率先提出了基于p e t r i 网的嵌入式系统建模方法， 它可以很好的处理同步并在编码前检测出一些问题。但是，p e t r i 网模型也存在 一个问题：状态空间随着状态元素的增加呈指数增长，所以它只能运用用于比较 小的系统，对于大系统建模显得不适合。此外，这样的p e t r i 网模型是一种与系 统高度相关的模型，缺乏模块性、可重用性、可维护性。针对这些问题，e s s e r 提出了一种用于嵌入式系统设计的面向对象的p e t r i 网( o o p n ) ，但e s s e r 的方法 并不是针对软硬件协同设计的。最近这些年，还有一些学者在嵌入式系统软硬件 协同设计中使用o o p n 。虽然在不牺牲模型的分析和验证性能的情况下，将面向 对象的概念引入到p e t r j 网解决了很多问题，但由于自身的原因，p e t r i 网在捕 广东t 业大学硕十论文 获用户的需求、实现细节与需求分开、用于交流等方面有难以克服的弱点。同时 p e t r i 网只是一种用来描述和分析要开发的系统模型的工具，不是计算机的实现 工具，必须要通过一定的方法才能将p e t r i 网用软件来实现。 由于p e t r i 网它是基于信息流模型的，特别适合描述异步、并发、冲突、 资源共享等现象。它不仅有严格的数学基础，有各种分析方法，对系统性能进行 分析和形式化验证：而且有直观的图形表示，易于理解，是不同知识背景工程技 术人员问的一种“共同语言”。p e t r i 网有许多子类，是一种层次化的模型，可 以在系统的行为级、算法级、逻辑级等不同层次上进行建模，支持“自顶向下” 和“自底向上”的设计方法。因而p e t r i 网在嵌入式系统中得到广泛的应用m “。 1 2 2 实时系统中任务调度算法的研究 由于实时系统的应用面非常广，所以实时系统的分类方法很多，各种分类法 的侧重点不同。通常按照系统中任务的周期性或者任务对截止期限的要求进行划 分。实时任务按照周期性划分可以分为周期实时任务( p e r i o d i ct a s k ) 和非周 期实时任务。 周期任务在固定的周期之后到来，周期是它最重要的特征。与周期任务不同， 非周期任务则不在固定的时间段之后到来，缺乏规律性。随着实时理论的发展人 们又将非周期任务进行了细化，分为一般非周期任务和零星任务( s p o r a d i ct a s k ) 。 零星任务是非周期任务的极端情况，它的出现更加稀少，且出现的规律更加难以 预测。由于周期任务的到来比较规律所以在实时系统中周期任务的执行比较容 易保障。而非周期任务和零星任务则由于到来得不规律，通常被放在后台执行， 所以不容易保障。因此，如何保障非周期任务和零星任务的正确执行是实时研究 领域的一个重要话题。 截止期限是一个时间点，任务的执行如果越过该时间点将被视为错误。将实 时任务按照对截止期限的要求分为硬实时任务和软实时任务是最常用的实时分 类法。硬实时任务必须在规定的时间内得到响应和处理，否则将造成严重的错误， 甚至造成系统崩溃。在工业控制和军事领域，硬实时任务比较常见，如果硬实时 任务不能得到及时的响应和处理将会给人们的生产和生活造成极大的影响。软实 时任务在错过截止期限后不会造成致命的错误，而是会降低系统的可靠性，影响 6 第一章绪论 系统的实时性能。软实时任务的概念也可以被进一步分化如分化出坚强实时任务 的概念w 。坚强实时任务也可以错过截止期限；不同的是错过截止期限后任务计 算结果的价值变为0 。而通常意义上的软实时任务在错过截止期限后，其计算结 果的价值是降低而不是变为0 。 随着实时应用的发展，实时概念也在不断地发展变化。传统意义上的软实时 任务概念已经不能满足实时应用发展的需要，不能够准确地描述一些新出现的软 实时系统，如：硬实时系统m ，、坚强实时系统m 、弱硬实时系统m 等。单从名称 上看，硬实时系统、坚强实时系统、弱硬实时系统似乎与软实时系统没有关系， 但这些系统都满足软实时系统的定义，即实时任务可以错过截止期限，同时也存 在差别m 一，。这些实时系统在软实时系统定义的基础上增加了一些限制，用于描 述具有不同实时特性的软实时系统。实时系统中的限制是对任务实时特性的一种 约束。实时限制不仅仅是对软实时任务单个周期的约束，更多的情况下是对软实 时任务在连续周期中实时特性的约束。这种连续的周期通常被称为任务窗口，往 往应用在实时网络传输、多媒体处理等领域m ，。 实时调度模型是随着人们对实时系统认识的加深而不断发展变化着。硬实时 周期任务的调度模型由l i u 在1 9 7 3 年提出的n ”。l i u 提出的硬实时周期任务调度模 型基于严密的形式化方法，能够准确分析及预测实时任务的调度特性，是对实时 系统进行分析的经典模型。基于该硬实时周期任务模型提出的速率单调调度算 法、最后期限驱动调度算法( d e a d l i n ed r i v e n ，d d ) 则被广泛应用于工业控制 军事等领域。l i u 最大贡献在于利用硬实时周期任务模型计算出了不同调度算法 的可调度性条件例m ，。例如，使用r m s 算法时，周期任务集的可调度性条件是任 务集负载“不大于n ( 2 “一1 1 ，n 是任务个数；而使用d d 算法时，任务集的负载可 以达到1n “。 由于硬实时周期任务的特征明显，相应的研究己进行得很透彻相比之下非周 期软实时任务由于种类繁多，不易进行分类研究，所以相应的调度模型直至今天 仍然是实时调度研究中的热门话题。 7 广东下业大学硕十论文 1 3 本论文研究内容 本课题是和东莞新力健康产品有限公司合作的研究按摩椅的项目，该项目的 目标是要完成一套控制系统，这套控制系统能够满足公司所有的按摩椅产品的控 制要求。根据该按摩椅产品的嵌入式控制系统的控制要求，论文主要在以下几个 方面开展研究： 1 硬件模块设计研究m c u + d s p 为中央控制单元的硬件方案，包括了以 下的模块，例如：键盘和显示模块、电源及复位模块、检测模块、数据采集模块、 逻辑控制模块、总线电压转换模块、m c u 与d s p 的扩展模块、双端口r a m 模 块、电机驱动模块等； 2 p e t r i 网在控制系统的应用研究如何根据电机运行时的状态和控制要 求建立了基于p e t r i 网的电机控制模型，并利用p e t r i 网的基本性质对此模型 进行分析以判断电机实现的功能是否存在死锁和冲突问题； 3 r m s 在p c o s i i 上的应用研究如何将控制系统的任务改造成满足 r m s 条件的任务，改进p c o s i i 的任务调度功能，保证多个任务能够并行工作 和及时响应用户要求： 4 系统稳定性的改进研究i _ t c o s i i 内核的工作过程，在不影响原来系统 的稳定性的情况下，增加系统的故障恢复措施； 5 按摩椅按摩手法的研究研究如何利用控制系统提供的按摩手法的功能 接口，对按摩椅的按摩手法进行改进以增加用户的满意度。 1 4 论文的组织结构 全文分为五章，分别从控制系统的硬件系统和软件系统分别展开说明，对 于控制系统中比较关键的部分作了比较详细的研究，论文的组织结构见图1 2 。 第一章介绍了论文的研究背景，其中包括了国内外嵌入式系统的发展概况 及其研究，提出了按摩椅嵌入式控制系统的概念和论文研究的重点。 第二章介绍了按摩椅产品的工作原理和技术要求，完成控制系统的硬件系 统设计。 第三章介绍了控制系统的软件架构，把肛c o s i i 移植到m c u 和d s p 上。 8 第一章绪论 第四章利用p e t r i 网对电机控制模块进行建模，并用表格的方式将p e t r i 网模型转化成伪代码。 第五章将r m s 算法应用到控制系统的任务调度上并增加了任务运行时间限 制功能，给出任务调度的试验结果。本章还实现按摩椅按摩手法的学习功能。 介绍嵌藉；i 鬈芽内外的i 一硬件系统的设计 ll 电机簇掣募崭的建 提出了面向按摩椅产品嵌 入式控制系统的概念 1 5 本章小结 软件系统的设计 图1 2 论文的组织结构 f i g i - 2o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo f p a p e r 系统任务调度的分 析和改进 随着嵌入式系统广泛应用到各个领域，对嵌入式系统的研究受到了国内外研 究人员的关注。作为嵌入式系统关键技术之一的任务调度机制更是成为热门的课 题，而各种系统建模工具也纷纷应用到对嵌入式系统的分析和建模。 按摩椅逐渐成为人们的新宠，国内的产品只占领了低端市场，面对国外高 性能按摩椅产品的竞争，如何提高按摩椅的性能无疑是国内生产厂商需要考虑的 问题。论文将嵌入式系统运用到按摩椅控制系统上，对控制系统的硬件部分、软 件系统和按摩手法等展开研究，以求提高国内按摩椅产品的性能。 9 丝三耋堡璧丝丝竺至竺璧丝墼兰盐 第二章按摩椅控制系统硬件的设计 本章摘要：为了便于说明的按摩椅工作过程，本章简单介绍了按摩椅的机 械结构及工作原理，并阐明了控制系统的主要控制对象。然后介绍了按摩椅产品 的功能和技术要求，把这些作为控制系统需求，展开对控制系统的设计。在余下 的小节里分别对硬件系统的各个模块展开设计，特别讨论了电机驱动模块的安全 性。 2 1 按摩椅产品的机械结构及工作原理 对于一般的按摩椅产品来讲，整个系统主要分为两个部分，即背部按摩区 域和臀部、下肢按摩区域。 背部按摩区域的机构主要有：系统控制电路板、电动机、丝杆及其润滑装置、 s 形滑动槽、按摩功能盒等。同时根据人体结构又将背部整个区域划分为颈部、 中部、腰部以及尾椎四个按摩区间。而臀部、下肢按摩区域的机构有按摩气囊及 其实现机构。此外系统主要还有手控面板，红外线探测系统，靠背、小腿支架处 的电动推杆等。 如图2 1 背部机械结构图所示，电机通过带传动带动螺杆转动，再由螺杆一 螺母运动副带动功能盒上下运动，功能盒的径向受力由导轨承受。功能盒的上下 运动，实现按摩椅的推拿动作；揉捏电机带动功能盒里的涡轮蜗杆运动副实现 揉捏动作；而捶打电机带动功能盒里的捶打机构实现捶打动作。背部这三个电机 为2 4 v 3 a 的有刷直流电机，在实际试验中完全满足按摩椅的输出功率。 广东t 业大学硕 + 论文 功能盒 揉捏电机 图2 - 1 按摩椅背部机械结构 f i g 2 - 1m a c h i n ec o n s t r u c t i o no f m a s s a g ec h a i r sb a c k 2 2 按摩椅产品的功能要求 对于市面上的按摩椅产品，基本上都具有自动和手动两种运行模式。在自 动模式下，按摩模式主要有：快速消除疲劳模式、休闲模式、睡眠模式以及适合 于老人使用的轻柔模式等。而在手动方式下，可以启停任意电机和按摩气囊。并 可根据实际情况，选择需要的按摩力度、宽窄和气囊按摩压力。 其背部机构的主要功能有：推拿、揉捏、捶打及指压。其中推拿、揉捏、捶 打及指压功能分别由三台电机独立驱动实现。按摩头功能盒可以上下运行，并可 选择全程、局部以及定点进行按摩。而在臀部和下肢区域，可以通过控制气囊的 收放起伏律动以及气囊的强度来实现按摩。 此外还可以根据个人的喜好控制靠背、小腿架的电动推杆，调整靠背和小腿 架的倾斜角度，从而提高按摩舒适度。 第二章按摩椅控制系统硬件的设计 2 3 按摩椅产品的技术要求 按摩椅产品实现的按摩功能实际上是对这几个电机的起停、加速、点动、变 速、换向等控制功能的组合。所以电机的硬件驱动和软件控制模式就显得特别重 要了，也是论文需要详细讨论的问题。 由于用户使用按摩手法时，特别有倒立按摩功能时，背部的揉捏机构和上下 行走机构的电机有可能产生堵转，而烧毁电机或者发生危险的情况，在设计电机 电路驱动的时候要注意其安全性。在按摩椅使用的方便和舒适程度上，系统要能 够迅速相应用户对电机速度和方向的设置，满足用户的按摩功能手法的要求。在 产品性能的更新上，控制系统应该具有良好的升级性能，在未来的产品设计中， 能够支持多种功能，例如采集用户的各种生理参数如体重、心跳、血压、接受用 户的健康状况设置，甚至联网到服务器将数据给专家参考，并制定一系列的按摩 手法改善用户的身体机能。 2 4 硬件系统的设计 按摩椅控制硬件系统主要包括两大部分，手控面板和中心控制板，如图2 - 2 。 两者用串口通信，采用全双工的通信方式。手控面板接收用户的按键，然后把消 息传递给中心控制板，中心控制板把按摩椅运行的状态返回给手控面板显示，方 便简单。 2 4 1 键盘和显示模块 手控面板用单片机8 9 c 2 0 5 1 控制。手控面板完成按键扫描和液晶显示功能。 液晶面板显示了按摩椅的工作状态、按摩手法、和运行时间，用户可以通过上面 的显示了解按摩椅的情况。 广东t 业大学硕 。论文 图2 2 手控面板和中心控制板 f i g 2 - 2i n p u tp a n e la n dc e n t r a lc o n t r o lb o a r d 2 4 2 电源及复位模块 系统采用2 2 0 v 交流电供电，通过变压器提供2 4 v 1 5 a 和1 2 v 3 a 两组电源。 2 4 v 1 5 a 按摩椅的直流电机供电。1 2 v 3 a 给控制电路供电，它通过7 8 系列电源 模块芯片分别提供5 v 、3 3 v 和1 8 v 的电压给m c u 系统和d s p 系统供电。 m c u 和d s p 的复位电路采用c a t a l y s t 公司的一款带t 2 c 存储器的监控 芯片c a t l1 6 1 ，它集成了1 6 k 位带硬件存储写保护的串行e 2 p r o m 存储器、节能 型系统电源监控电路和一个看门狗定时器m 。当系统非正常暂停或“挂起”时间 达1 6 s 时，看门狗电路将使系统重新启动，清看门狗定时器是通过改变s d a 的 电平实现，节省了处理器的i o 资源，电源监控和复位电路可在电源电压上升 下降时禁止访问e 2 p r o m ，确保数据安全。它具有5 个门槛电压，支持5 v 、3 3 v 和3 v 的系统，一旦电源电压超出允许范围，复位信号立即有效，从而防止系统 微控制器或外围器件继续工作，在电源电压超出复位门槛电压2 0 0 m s 之后复位 信号撤除，由于带有高电平和低电平复位信号因此可以很方便地连接到微控制器 和其它i c ，另外芯片的复位管脚用作手动复位按钮的去抖输入。 1 4 第二章按摩椅拧制系统硬件的设计 2 4 3 检测模块 检测模块包括了揉捏电机，行走电机运转的检测，使用的主要器件是霍尔元 件，它是一个常开开关器件，当靠近磁铁石时，霍尔开关闭合，通过电路转换变 成单片机可以检测的信号。 揉捏电机带动的皮带轮上装有3 颗磁珠，霍尔元件安装在铁架上，当磁珠随 皮带轮转动到霍尔元件的正上方时，使霍尔元件闭合。这三个开关信号一方面可 以确定揉捏手的位置，完成对人体部位的准确按摩；另一方面也是检测电机保护 信号，当m c u 驱动电机转动时，如果m c u 在一定的时间范围内没检测到电机 的脉冲信号，这时候m c u 可能会先增加输出功率一段时间，如果还是没有接收 到信号，就停止输出功率并认为电机的负荷太大导致堵转而发出警告显示。 行走电机安装的硬件保护电路是在行程的首尾安装有霍尔限位开关和在丝 杆的转动轮上装磁珠和霍尔开关。当丝杆带动功能合功能盒接近限位开关后，由 行程开关切断行程电机的供电，防止电机继续向同一方向运行，直到顶死在丝杆 的极限位置，并且m c u 可以检测到这个信号来控制电机的换向。对其他电机的 监控也采用上面检测脉冲的方法防止电机堵转。 另外，当行走电机启动后m c u 便开始通过丝杆的转动轮的霍尔开关进行脉 冲计数，上下极限位置作为起始值和最大值。并在上下行方向分别采用增减计数 值的方法，当行程计数值达到设定的极限值时便进行换向。而当功能盒每次重新 到达起始点时再对计数值进行清零。这计数值用来确定功能盒的位置，也就是人 体的按摩位置。 2 4 4 数据采集模块 数据采集模块采用t l c 2 5 4 3 模数转换芯片，它使用开关电容逐次逼近技术 完成a d 转换，具有1 1 个通道模拟输入，1 2 位串行接口，采样率为6 6 k b p s “1 。 另外，此模块采用单5 v 供电，为了适应不同的输入阻抗，在每路模拟输入前加 了电压跟随电路。由于它的输出是s p i 输出，故m c u 需要软件模拟s p i 输出。 由于模拟i c 对噪声比较敏感，如果在布线的时候如果走线或者器件的位置 安排不合理，往往影响它的精度。因而在设计p c b 时要注意如下三个问题： 广东下业大学硕 ：论文 1 电源去耦在t l c 2 5 4 3 电源端用一个o 1uf 的陶瓷电容连接到地，用作 去耦电容。如果在噪声影响较大的环境中，每个电源和陶瓷电容端还要并一个 l o “f 的钽电容，这样能够减小噪声的影响。 2 接地对模拟器件和数字器件，电源的地线回路分开走线，以防止数字 部分的噪声电流通过模拟地回路引入，产生噪声电压，从而对模拟信号产生干扰。 由于所有的地线回路都有一定的阻抗，因此地线要尽可能宽或用地线平面，以减 小阻抗，连线应当尽可能短。另外，模拟器件的数字地和m c u 的数字地最后单 点接地。 3 电路板布线使用t l c 2 5 4 3 时一定要注意电路板的布线，电路板的布线 要确保数字信号和模拟信号隔开，模拟线和数字线特别是时钟信号线不能互相平 行，也不能在t l c 2 5 4 3 芯片下面布数字信号线。 2 4 5 逻辑控制模块 在本系统中，利用e p m 7 0 6 4 s 完成了5 v 系统和3 3 v 的d s p 系统的组合逻 辑功能。它属m a x 7 0 0 0 系列是a l t e r a 公司的基于第二代m a x 结构的c p l d ， 可提供多达5 0 0 0 个可用门和在系统编程。其引脚到引脚延时快达5 n s 。可以容 纳各种各样的独立的组合逻辑和时序逻辑功能。所有的驱动器均能配置在3 3 v 和5 5 v 电压下工作，允许用于混合电压系统中m i 。 2 4 6 总线电压转换模块 由于m c u 的电源系统为5 v 的系统，要求c m o s 的输入高电平电压不小于 3 8 5 v ，输入低电平电压不大于1 3 5 v ，显然3 3 v 的器件达不到，当m c u 和3 3 v 的s r a m 通讯时，必须通过门电路进行电平转换。7 4 a l v c l 6 2 4 5 是十六位三态 门双向总线收发器，数据传输的条件是：引脚g = l o w ，d i r _ l o w 时，b 数据 传向a ；引脚g = h i g h ，d i r = l o w 时，b 数据传向a ，除此外则为高阻态。它 也是一种双电源电平移位器，5 v 端用5 v 电源作为v c c ，3 3 v 端用3 3 v 电源 作为v c c ，7 4 a l v c l 6 2 4 5 的电平移位在其内部完成m 。 1 6 第二章按摩椅控制系统硬件的设计 2 4 7m c u 及其扩展模块 m c u 采用p h i l i p s 公司的8 9 c 5 1 r x + 系列单片机，这种单片机具有成本低， 功能丰富，具有5 个脉宽调制模块( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 输出，很 适合用于电动机控制系统m 。 由于8 9 c 5 1 r x + 系列单片机内部具有3 2 k 到6 4 k 的程序存储器，这里不对单 片机的程序存储器进行扩展。对于r a m 、共享r a m ( 以下简称“s r a m ”) 、f l a s h r a m ( 以下简称“f r a m ”) 、f o 等的扩展如表2 - 1 ： 表2 1 m c u 的扩展 t a b 2 - le x p a n s i o no f m c u r a m0 0 0