基于ARM的嵌入式智能人工腿手持控制系统研究与设计

摘要

智能人工腿是20世纪90年代发展起来的具有高性能的新一代假肢，与普通假肢相比，它能根据外界条件变化和工作要求，自动地调整假肢系统的参数，使其运动自如，工作可靠，因而具有更好的仿生性能。开展该课题的研究对于帮助腿部截肢者回归主流社会，减轻社会及其家庭负担具有重要意义。 智能人工腿的控制系统由两部分构成，即手持控制系统和腿上控制系统。腿上控制系统主要用来改变智能人工腿的摆动速度，其中的各种控制参数都是通过手持控制系统来进行设置。以前研制的智能人工腿，在控制方面存在诸多不足，比如，手持控制系统多采用8位单片机作为处理器，速度慢，功耗大且系统开发难度较大，可扩展性差。通信方式采用的是串口有线通信，操作不便且容易出故障。另外，用于控制气缸内针阀开度的腿上控制系统采用的是由步进电机所构成的开环结构，位置精度不高。 针对以上不足，我们在设计智能仿生人工腿CIP-I Leg控制系统时做了如下改进：第一，选用Samsung公司的基于ARM7TDMI体系结构的微处理器S3C44BOX作为手持控制系统的CPU，并结合外扩存储器和必要的电路单元构成系统硬件平台。S3C44BOX高集成度的特点使得系统功耗和体积大大降低，运行也更加可靠。第二，通过向S3C44BOX植入实时操作系统μCLinux和相关应用程序构成完整的嵌入式控制平台，在保证手持控制系统稳定运行的同时也大大提升了其可扩展性能。第三，采用无线红外通信的方式代替传统的串口有线通信，这样既简化操作又确保系统的稳定性。第四，我们将步进电机改为直流伺服电机，设计了一个具有位置、速度和电流反馈的腿上闭环控制系统，用于控制针阀的开度。 本文所做研究主要是针对CIP-I Leg闭环控制方案设计新型的嵌入式手持控制系统。通过实验表明，其运行可靠、功耗低且扩展性强，具有较高的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1项目研究的背景及目的意义

1.2智能人工腿研究和发展概况

1.2.1国外人工腿的研究概况

1.2.2国内人工腿的研究现状

1.3前期智能人工腿的不足之处与改进措施

1.4本文主要研究方向及内容

1.5课题来源

1.6小结

第二章嵌入式CIP-I手持控制系统总体方案设计

2.1引言

2.2 CIP-I Leg介绍

2.2.1伺服电机控制系统

2.2.2 CIP-I Leg步速调整原理

2.2.3气缸内针阀开度值的设置方法

2.3手持控制系统的功能设计

2.4手持控制系统的操作程序与说明

2.5基于ARM的嵌入式手持控制系统的总体方案引入

2.5.1嵌入式系统的应用范围和特点

2.5.2 CIP-I Leg手持控制系统CPU的选择

2.5.3嵌入式操作系统的选择

2.6小结

第三章嵌入式CIP-I手持控制系统的硬件结构设计

3.1引言

3.2 S3C44B0X微处理器简介

3.2.1 ARM处理器概述

3.2.2 S3C44B0X概述

3.3基于ARM微处理器S3C44B0X的手持控制系统硬件电路设计

3.3.1电源电路设计与接口电压转换

3.3.2系统晶振电路设计

3.3.3外扩存储单元接口电路设计

3.3.4液晶显示模块设计

3.3.5按键输入模块设计

3.3.6通信模块设计

3.4手持控制系统外壳设计

3.5 小结

第四章嵌入式CIP-I手持控制系统的软件设计与分析

4.1引言

4.2 μCLinux开发环境的建立

4.2.1开发工具GNU的使用

4.2.2建立宿主机开发环境

4.3 BootLoader引导加载程序的实现

4.4 μCLinux内核的配置与移植

4.4.1 μCLinux内核的修改

4.4.2 μCLinux内核的配置和编译

4.4.3 μCLinux内核的烧写

4.4.4 μCLinux内核的加载与执行

4.5 μCLinux的文件系统

4.6 μCLinux下设备驱动程序的开发与移植

4.6.1设备驱动程序的概念

4.6.2手持控制系统设备驱动程序的实现机制

4.6.3CIP-I Leg手持控制系统LCD驱动程序设计

4.6.4驱动程序的编译与加载

4.7嵌入式CIP-I手持控制系统应用程序的开发

4.7.1控制系统应用程序分析与设计

4.7.2按键中断处理程序

4.7.3LCD液晶显示子程序

4.7.4通信子程序协议设计和过程解析

4.7.5μCLinux下应用程序的加载与编译

4.8小结

第五章系统软硬件调试

5.1引言

5.2硬件调试

5.2.1电源、晶振、复位电路调试

5.2.2S3C44B0X的JTAG接口调试

5.2.3其他模块接口电路调试

5.2.4印制电路板抗干扰测试

5.3软件调试

5.3.1软件测试手段

5.3.2设备驱动程序中的一些具体问题

5.3.3主程序的调试

5.3.4按键中断程序的调试

5.3.5显示子程序的调试

5.4小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文