摘 要：本系統以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總線數據采集方案。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據。并對采集到的實時數據進行算法優化處理，由串口轉CAN通信模塊上傳至CAN總線。上位機可根據CAN總線上實時環境數據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，多傳感器、多CAN節點的數據采集功能。每個傳感器模塊單獨采用一個CAN節點進行數據采集，提高了數據傳輸實時性、可靠性、安全性。并采用串口轉CAN模塊方便了系統的優化、維護和輪椅功能的升級。
關鍵詞：CAN總線 智能輪椅 STM32F407ZGT6
隨著現代智能控制技術的發展和應用研究，現代智能康復輪椅已經具備監測、輔助治療、遠程監控、導航、避障等多種功能。如通過對聲音、圖像、動作、環境參數等要素進行信息的提取和數據處理，實現遠程網絡監控;應用智能算法控制輪椅運動實現避障;利用傳感技術及智能控制技術實現康復輔助治療等。同時，輪椅產品功能多樣化，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據采集。雖然也可以完成智能輪椅數據系統的采集，但是隨著智能輪椅的功能不斷提升，傳感器的數量增加，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，多CAN節點的數據采集功能。CAN總線實時性高，非破壞總線仲裁技術，優先級高的節點無延時。出錯的CAN節點會自動關閉并切斷和總線的聯系，不影響總線的通訊。報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低。每個傳感器模塊單獨采用一個CAN節點進行數據采集，提高了數據傳輸實時性、可靠性、安全性。
與現有的智能輪椅相比，我們還增加了頸椎智能牽引技術的數據采集方案，并采用串口轉CAN模塊方便了智能輪椅維護和功能擴展、升級。
1 系統整體設計
本系統如圖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據采集在物理上獨立，采用單獨的串口傳輸通道，極大地提高了數據傳輸的實時性、可靠性，避免了信號的相互干擾[2]。
2 系統硬件設計
2.1 超聲波避障模塊
為了提升環境數據采用的可靠性，配置了2個前置超聲波傳感器，2個左側超聲波傳感器，2個右側超聲波傳感器采集輪椅周圍障礙物信息[3]。利用STM32F407內部自帶定時器功能，TIM5和TIM3多通道捕獲功能捕獲時間轉換成輪椅與障礙物的距離數據[4]，并通過USART1串口轉CAN透傳模塊上傳至CAN總線。各個傳感器協同工作，配合上位機對環境的影像識別，讓避障功能得到了進一步的優化。
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轉換功能將電壓模擬量轉換成數字量。并由USART3串口轉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，如果有近距離的數據反饋，說明障礙物超過10cm，不可越障。距離數據從4腳TXD輸出，USART2串口RXD輸入，后由串口轉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內部 A/D轉換的參考電壓是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轉換功能將電壓模擬量轉換成數字量，并由USART4串口轉CAN透傳模塊上傳至CAN總線。
2.5 姿態平衡模塊
姿態平衡功能采用MPU6050傳感器模塊[6]。電源電壓VCC 為3.3V，RX串行數據輸入，TX串行數據輸出，利用模塊TTL串口通信模式，通過C程序數據格式處理，可獲取輪椅坐姿X和Y軸的4個字節的角度數據，并由USART4串口轉CAN透傳模塊上傳至CAN總線。
2.6 串口轉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、數據幀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節點。可直接與任意具有TTL接口的嵌入式系統對接，實現CAN總線的數據收、發雙向傳輸。管腳功能見表2。
利用串口轉CAN透傳模塊不僅節省了智能康復輪椅的開發時間，而且方便了智能輪椅功能的提升和傳感器擴展[7]。
3 系統軟件設計
3.1 智能康復輪椅數據采集CAN通信數據格式
如表3所示。
3.2 程序簡介
主程序各模塊初始化函數：
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設置系統中斷優先級分組2
delay_init(168); //初始化延時函數
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( ); //初始化左側超聲波傳感器使能端口
sr04_3Init( ); //初始化右側超聲波傳感器使能端口
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