【文章內(nèi)容簡介】 提供了方便，也大大提高了程序的正確性和可靠性。 基于以上的優(yōu)點， MFC 在 Windows 應(yīng)用程序開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。 霍爾 1 霍爾 2 霍爾 3 軌跡 磁鐵 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 MFC 測試程序設(shè)計 運用 C++的 MFC編寫上位機測試程序，其基本過程如下： MFC的可執(zhí)行程序，輸入文件標(biāo)題，確立該工程的基本屬性問題。 、基類名和文件名。 ，選擇你需要的各種控件并排列，使界面整潔美觀。 。首先完成函數(shù)類以及成員變量的命名及初始化，其次需要建立消息映射機 制并在函數(shù)中添加相應(yīng)的代碼。這樣處理以后，串口調(diào)試程序就做好了，下一步進行編譯運行就可以了。 編好的程序調(diào)試界面如圖 10 所示。部分程序參見附錄。 圖 10 MFC測試程序 在上圖界面中，首先打開串口，以啟用串口通信功能。然后選擇測試對象，可選膝關(guān)節(jié)還是踝關(guān)節(jié)。然后選中顯示當(dāng)前值，在對話框中就會顯示出快、中、慢三種情況下的針閥開度。“發(fā)送”按鈕是將設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器中，并帶有保存功能，即把調(diào)整好的數(shù)據(jù)寫入到 MSP430 單片機的 flash 存儲區(qū)中，與此同時，發(fā)送的數(shù)據(jù)會在 對話框中顯示出來，說明發(fā)送成功。 實物連接圖如圖 11所示，整個設(shè)備由控制器、 mini USB 連接線、調(diào)試器、 USB 轉(zhuǎn)串口線組成，將每一部分連接起來，并將 USB 轉(zhuǎn)串口線的 USB 端與 PC 的 USB 端連接，就可以進行測試測試了。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 圖 11 設(shè)備實物連接圖 測試結(jié)果曲線 根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，用 Matlab 畫圖功能分別得到膝、踝在一個步態(tài)周期內(nèi)的針閥開度曲線如圖 12和圖 13 所示 。 圖 12 膝關(guān)節(jié)針閥開度曲線 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 圖 13 踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線 Matlab 程序（膝關(guān)節(jié)的）如下： x=[ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 1 .6 ， ， ， ， ]。 y=[， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ]。 plot(x,y)。hold on。grid on。 plot(x,y,39。b*39。)。hold on。 xlabel(39。步態(tài)周期 （ s） 39。)。 ylabel(39。膝關(guān)節(jié)針閥直線移動距離 （ mm） 39。)。 axis([ 2 0 ])。hold on。 小結(jié) 本章完成了測試膝、踝協(xié)調(diào)針閥開度的上位機程序的設(shè)計與編寫。主要工作有兩部分，一是 MFC的學(xué)習(xí)，二是做實驗，測數(shù)據(jù)。這部分工作的完成，對膝踝協(xié)調(diào)控制策略的選定有重要的指導(dǎo)意義。 4 膝踝協(xié)調(diào)控制算法設(shè)計 4． 1 控制策略的選擇 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 專家控制方法，就是將一些常識性知識、理論性知識以及規(guī)則庫集成在一 起構(gòu)成知識庫，然后由推理機根據(jù)當(dāng)前情況匹配相應(yīng)知識，由推理歸規(guī)則產(chǎn)生策略，再執(zhí)行 相應(yīng)策略來實現(xiàn)控制的一種方法。 在正常人的歩態(tài)周期中，一般可以簡單劃分為支撐期和擺動期兩個階段。支撐期是指下肢有和地面接觸的整個時期，是指同一只腳的腳跟觸地到腳趾離地的階段，約占整個步行周期的 60%。擺動期是指下肢在空中擺動的時期，就是下肢不接觸地面的時期，是指同側(cè)腳趾離地到腳跟著地的階段，約占整個步行周期的 40%，如圖 14 所示。 圖 14 人體步態(tài)周期 根據(jù)對人體步態(tài)周期的分析，該膝踝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用了專家控 制方法。 具體方法是：從整個步態(tài)周期區(qū)選取四個關(guān)鍵點 擺動期、膝關(guān)節(jié)伸展時刻、腳跟著地時刻、踝關(guān)節(jié)足平時刻來實施控制。由于不同時期三個霍爾傳感器輸出不同，控制器采取動作不同，但同一時期采取的動作卻是相同的。這很符合基于專家控制的方法，將每個時期判定條件與對應(yīng)反應(yīng)動作制作成專家信息庫，隨時監(jiān)測隨時調(diào)用，大大提高了控制效率。其具體控制策略框圖見圖 15。 圖 15 控制策略框圖 步態(tài)識別 步態(tài)信息檢測 膝踝協(xié)調(diào)控制 步態(tài)控制 控制策略 調(diào)整步速 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 步態(tài)與霍爾元件輸出對應(yīng)關(guān)系為：三個霍爾元件輸出排列為 111，說明踝關(guān)節(jié)進入腳跟著 地時刻；若輸出為 101，則為踝關(guān)節(jié)足平時刻；輸出為 110，則膝關(guān)節(jié)進入擺動期；輸出為 011，進入膝關(guān)節(jié)伸展時刻。對應(yīng)關(guān)系表見表 1。 表 1 步態(tài)與霍爾輸出對應(yīng)關(guān)系 步態(tài)輸出霍爾 HALL1 HALL2 HALL3 腳跟著地時刻 1 1 1 踝關(guān)節(jié)足平時刻 1 0 1 擺動期 1 1 0 膝關(guān)節(jié)伸展時刻 0 1 1 4． 2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 此系統(tǒng)程序設(shè)計包括兩大部分內(nèi)容，即主程序設(shè)計和中斷服務(wù)程序設(shè)計。 主程序設(shè)計 一般來講，主程序的設(shè)計都較為簡單，本設(shè)計也是如此?？梢杂靡痪?話概括，那就是：在啟動初期完成各種初始化工作。完成這些任務(wù)后，就進入省電模式，直到接收到中斷信號，這也是 MSP430 比其它單片機功率消耗要小很多的原因之一。主程序流程圖見圖 16。 圖 16 主程序流程圖 中斷程序設(shè)計 系統(tǒng)上電 初始化 進入低功耗模式 開總中斷 等待中斷 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 為什么要做上電復(fù)位程序，原因與復(fù)位電路的設(shè)計相同。如果一上電，電機螺桿位置不在正確的地方，那假肢有可能處于不承受力的狀態(tài)。穿戴假肢的人就有可能摔倒，從而受到傷害。上電復(fù)位程序用看門狗定時器來完成。簡述其原理就是：電機螺桿有共四個位置 。由霍爾元件輸出判斷電機螺桿位置。判定電機為不同位置，都進入看門狗程序，只是從相應(yīng)電機位置的控制程序開始執(zhí)行并順次執(zhí)行下去。直到最后使電機回到原點位置并鎖死為止。具體可參見下面流程圖的內(nèi)容，其流程圖如圖 17 所示。 圖 17 上電復(fù)位中斷程序 A 中斷服務(wù)程序設(shè)計 這一中斷程序可以說是整個軟件系統(tǒng)的核心。這個中斷程序必須保證有足夠高的執(zhí)行頻率，因此設(shè)置定時中斷頻率為 500Hz。該程序原理是：先實時采集霍爾傳感器信號，再根據(jù)三個霍爾元件輸出的不同組合來識別步態(tài)， 同時用算法計算出步態(tài)周期，看門狗中斷 電機位置 是否為 1 電機位置 是否為 2 電機位置 是否為 3 電機位置 是否為 4 中斷結(jié)束 電機向上運動 N步 設(shè)置電機位置為 2 電機向下運動至原點 設(shè)置電機位置為 3 電機向上運動至針閥鎖死設(shè)置電機位置為 4 關(guān)閉看門狗中斷 是 是 是 是 否 否 否 否 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 便可以到步進電機的控制參數(shù)，然后調(diào)用專家控制庫中的控制規(guī)則來完成對膝、踝關(guān)節(jié)針閥開度的調(diào)節(jié)。這樣，就實現(xiàn)了系統(tǒng)對假肢步速的實時調(diào)節(jié)。該程序流程圖如圖18 所示。 圖 18 定時器 A中斷程序示意圖 B 中斷服務(wù)程序設(shè)計 之所以要用定時器 B來完成電機控制，原因就在于步進電機控制所使用的定時器定時器 A中斷開始 實時讀取霍爾傳感器信號 中斷結(jié)束 判斷假肢膝關(guān)節(jié)是否將進入擺動期 判斷假肢膝關(guān)節(jié)是否將進入支撐期 判斷假肢踝關(guān)節(jié)是否即將腳跟著地 判斷假肢踝關(guān)節(jié)是否進入足平時刻 打開膝關(guān)節(jié)針閥開度 關(guān)閉膝關(guān)節(jié)針閥開度 打開踝關(guān)節(jié)針閥開度 關(guān)閉踝關(guān)節(jié)針閥開 度 是 是 是 是 否 否 否 否 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 不允許被其他程序嵌套，同時該程序又必須能進入其它中斷程序。換言之，該中斷程序使用的定時器必須是 MSP430 中優(yōu)先級最高的。而 MSP430 中， 定時器 B滿足這個條件。故此用定時器 B中斷程序來完成步進電機的控制，同時需要用定時器 A 來完成前期的步態(tài)識別以及控制電機運動方向等問題。中斷服務(wù)程序流程圖見圖 19。 圖 19 定時器 B中斷服務(wù)程序 4． 3 小結(jié) 本章內(nèi)容完成了膝踝協(xié)調(diào)控制方法的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了對膝、踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。致此，基本上完成了課題內(nèi)容的要求。 根據(jù)設(shè)定方向走 完步數(shù) 定時器 B 中斷 開始 中斷結(jié)束 判斷步進電機是否走完步數(shù) 是 否 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 結(jié) 論 智能假肢的研究對于肢體殘疾人員恢復(fù)正常行走能力有著很重要的作用。膝、踝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的假肢比起單一的智能膝關(guān)節(jié)和智能踝關(guān)節(jié)，能夠使穿戴者的行走步態(tài)更接近于正常人，而且穿戴者不易感覺到疲勞。課題在設(shè)計和分析了控制系統(tǒng)的硬件電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實施了測定膝踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線的實驗，用 MFC 編寫上位機程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，并利用 Matlab 畫圖功能分別繪出了膝、踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線。 用三個霍爾元件識別步態(tài)，并將三個霍爾元件輸出的電平、不同步態(tài)、針閥開度、電機動作聯(lián)合為一體，形成了專家控制的知識庫，在控制算法當(dāng)中引用 專家控制知識庫，從而優(yōu)化了膝踝協(xié)調(diào)控制方法，使系統(tǒng)的控制效果更加突出。 由于時間倉促，加上知識、能力有限，還是存在很多問題。首先實驗條件不夠成熟，數(shù)據(jù)可信度差。其次，實驗數(shù)據(jù)過少，數(shù)據(jù)說服力度不夠，不能形成有效的控制庫。再次，硬件電路還存在一些問題。例如某些元件容易過熱等。這些問題將在以后繼續(xù)優(yōu)化解決。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 參 考 文 獻