臺灣博碩士論文加值系統

由於單晶片結構的微處理器其價格低、開發簡易，因此許多應用在工業控制與家電產品，又以8051系列晶片最具經典代表。隨著單晶片的成熟技術與完備功能，其中ARM公司的晶片最受矚目之一在於技術開發簡易和產品應用領域的多樣性。ARM即Advance RISC Machine的簡寫，ARM的核心以高性能、體積小、低功率耗損、並與多家知名供應商合作而聞名。因此本文基於ARM處理器，設計一倒單擺的機械結構來實現一平衡控制系統，目的在於嵌入所撰寫的程式結構下可以達到維護靈活、擴充方便、在程式執行上可以達到時間的即時性與時序上的需求下完成平衡控制。所以本文透過改變程式系統結構中的函式佇列調度結構，藉由改變後的信息佇列調度結構，可以達到程式的維護靈活、擴充方便且不需要使用到像即時作業系統結構其複雜度高的程式系統結構，即可以使得程式在運行時在時序上的表現達到即時的效果。實現倒單擺的平衡控制系統，在每次取得平衡姿態的狀態所用的時間，可以維持固定的時間週期、處理器在分析平衡狀態與控制器的處理下，可以完整執行控制器指令的動作。

Since the single-chip structure of the microprocessor is low in price and easy to develop, the 8051 series chip is the most classic representative. With the mature technology and complete functions of single-chip, one of ARM's most popular chips is the diversity of technology development and product application. The thesis is based on ARM processor, the purpose is to embed the system program to achieve maintenance flexibility, easy to expand, and can realize the balance control of the time and timing of the system program execution. Therefore, by modifying the structure of the function-queue-scheduling in the system program , the system program can be maintained in a flexible and scalable manner by using structure of the message-queue-scheduling , and it does not need to be used in a real-time operating system. The system program structure can make the program achieve the immediate effect on the timing performance at runtime. The balance control system for implementing the inverted pendulum can maintain the fixed time period every time the state of the balanced posture is obtained, and the processor can completely execute the action of the controller command under the condition of analyzing the balance state and the controller.

目錄
指導教授推薦書
口試委員審定書
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xi
1 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻探討 3
1.3 研究目的 4
2 ARM微處理器之平衡系統硬體規劃與設計 6
2.2 硬體單元規劃 7
2.2.1 電源單元 7
2.2.2 控制單元 7
2.2.3 檢測單元 9
2.2.4 執行單元 10
2.3 系統實體架構與建構 13
3 ARM微處理器嵌入式系統韌體設計 16
3.1 系統開發環境與工具 16
3.2 系統結構 17
4 ARM微處理器平衡控制設計 24
4.1 檢測任務程序 24
4.2 控制任務程序 28
4.2.1 馬達特性與驅動 28
4.2.2 控制器特點與應用 32
4.3 系統結構與控制整合 41
5 實驗結果與分析 53
5.1 微處理器的嵌入式系統在時間時序的表現 53
5.2 感測器數值的取得與資料的轉換 57
5.3 馬達的驅動與控制 58
5.4 系統與整合 62
6 結論與未來展望 64
6.1 結論 64
6.2 未來展望 64
參考文獻 66

圖目錄
圖 1.1 賽格威隨意車 (Segway HT )圖[3] 2
圖 1.2 Flying Octopus四軸飛行器圖[5] 2
圖 2.1 系統功能方塊圖 6
圖 2.2 DC轉DC實體模組圖[9] 7
圖 2.3 微處理器開發核心板圖[10] 7
圖 2.4 ARM微處理器STM32F103C8T6接腳圖[12] 9
圖 2.5 GY-521 模組(a)正面(b)背面圖[14] 9
圖 2.6 馬達驅動器模組圖[15] 10
圖 2.7 馬達驅動器模組接腳圖[15] 11
圖 2.8 馬達模組圖[16] 12
圖 2.9 馬達接線圖[16] 12
圖 2.10 系統功能關係方塊圖 13
圖 2.11 微處理器開發核心板與感測器接線圖 15
圖 2.12 微處理器開發核心板與驅動器和馬達接線圖 15
圖 3.1 Keil C系統開發環境[17] 16
圖 3.2 檢測設備 17
圖 3.3 輪轉循環結構圖 18
圖 3.4 帶有中斷的輪轉循環結構圖 19
圖 3.5 函式佇列調度結構圖 20
圖 3.6 即時操作系統結構圖 21
圖 3.7 信息佇列調度結構圖 22
圖 4.1 座標系統圖 25
圖 4.2 姿態傾斜之感測器座標簡化圖[19] 25
圖 4.3 直流馬達電樞的穩定等效電路圖[20] 29
圖 4.4 不同PWM工作週期時序改變馬達轉速圖[22] 31
圖 4.5 H型橋式(a)正轉(b)反轉電流流向圖 31
圖 4.6 馬達搭配正交編碼器(a)正轉(b)反轉狀態圖 32
圖 4.7 包含PID控制器之閉迴路系統方塊圖 32
圖 4.8 P控制器方塊圖 34
圖 4.9 I控制器方塊圖 34
圖 4.10 D控制器方塊圖 35
圖 4.11 開迴路步階響應圖[23] 36
圖 4.12 差分運算圖 38
圖 4.13 處理控制程序方塊流程圖 40
圖 4.14 信息的資料結構圖 42
圖 4.15 環形佇列結構圖 42
圖 4.16 主循環程序流程圖 43
圖 4.17 時間中斷流程圖 47
圖 4.18 派送信息索引編號流程圖 49
圖 4.19 派送信息索引編號ID_SYS之參數流程圖 50
圖 4.20 派送信息索引編號ID_SENSOR之參數流程圖 50
圖 4.21 派送信息索引編號ID_MOTOR之參數流程圖 51
圖 4.22 派送信息索引編號ID_CONTROLLER之參數流程圖 51
圖 5.1 MPU6050 一次取樣時序圖 54
圖 5.2 MPU6050取樣週期圖 54
圖 5.3 程式時間順序關係圖 55
圖 5.4 整體時序關係圖 56
圖 5.5 微處理器將MPU6050資料透過RS232傳到電腦端圖 57
圖 5.6 操作MPU6050座標X軸數值取樣圖 58
圖 5.7 MPU6050資料擷取時間與傾斜角度反映圖 58
圖 5.8 不同PWM 工作週期時序圖 59
圖 5.9 PWM 工作週期與時序線性圖 60
圖 5.10 PWM 工作週期與角速度線性圖 61
圖 5.11 倒單擺樣式圖 (a)倒單擺完成樣式圖 (b)倒單擺靜止傾斜圖 (c)倒單擺平衡後圖 62
圖 5.12 倒單擺平衡響應圖 62

表目錄
表 2.1 微處理器開發核心板功能元件表 8
表 2.2 驅動器控制方法表[15] 11
表 2.3 馬達接線腳位定義[15] 12
表 2.4 馬達規格表[16] 13
表 3.1 系統結構比較表 23
表 4.1 Z-N調諧表[23] 37
表 4.2 信息索引編號分類說明表 43
表 4.3 信息參數功能說明表 44
表 4.4 信息操作功能表 44
表 4.5 信息參數名稱與代號對應表 45
表 4.6 ARM微處理器內部資源分配表 48
表 5.1 不同PWM 工作週期時序線性關係表 60
表 5.2 PWM 工作週期與角速度線性關係表 61

參考文獻
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