基于DSP的覆冰机器人控制系统研究

动电路设计

电机控制驱动器采用IR2130芯片。IR2130芯片控制6个功率管导通和关断顺序，实现控制电机的正反转。此驱动芯片本身给功率器件提供过电压保护。其内部含有逻辑保护电路，当出现对级直通逻辑，芯片立即全部输出低电平，关断所有MOSFET管。另外，功率回路保护器件中有检测电阻，电流过大时，检测信号经过逻辑判断，将PDPINT置为低电平，DSP内部计数器停止计数，所有PWM输出低电平，关断驱动电路，实现过电流保护[7]。

4系统软件设计

主程序主要完成DSP初始化，流程图如图3所示。A/D转换中断子程序完成速度、电流的调节，流程图如图4所示。实验用时钟频率为20 MHz，PWM频率为20 kHz。通过定时器1周期匹配事件启动A/D转换，使每个PWM周期都进行1次电流采样，并且要在A/D转换中断处理程序调节电流来控制PWM输出。捕捉中断程序完成对位置量的计数和计算速度参考量，程序流程图如图5所示。转子每转过60°角触发一次捕捉中断，进行换相操作和速度计算[8]。

本文应用TI公司的TMS320LF2407A DSP 设计了一种针对覆冰机器人行走和除冰时的直流无刷电机控制系统。经分析，该系统不仅成本低、易于实现，且性能稳定、方便扩展，对工程实践和电机调速具有重要意义。
3 ADEECS路由协议

方案中，假设已知发送节点的发射功率，接收节点可以根据接收信号的强度，计算二者之间距离的近似值;发射功率可控，即节点可以根据自身需要调整发射功率。采用与文献[5]相同的无线传输能量消耗模型。ADEECS协议按轮执行，每一轮分为网络部署，簇头选举，成簇，数据传输这4个阶段。

具体实现过程如下：

阶段1：网络部署阶段在网络部署阶段，让基站以一定的功率向网络内广播一个消息HELLO_MSG。传感器节点根据接收信号的强度计算出自己到基站的近似距离，在与基站通信时，依据这个距离选择适当的发射功率。在成簇阶段，还将利用这个信息来均衡簇头的负载。

阶段2：簇头选举阶段全局范围内预先设定一个0～1之间的阈值T，用来控制参加簇头竞选的节点比例。每一个节点生成一个0～1之间的随机数，记为u。若u

式中：T为最大约定的最大延迟时间;Eresidual为节点剩余能量;Eini是节点原始能量。

阶段3：成簇阶段簇头向网络所有节点广播自己成为簇头的消息HEAD_AD，内容为簇头节点的标识及该节点与基站的距离。普通节点接收到此消息后选择一个通信代价cost(CH)最小的聚类加入，并发送消息JOIN_REQ。通信代价表达式为：

式(5)中参数与式(2)和式(4)表示的意义相同。从式(5)可以看出，该通信代价综合考虑了节点与簇头的距离、簇头与基站的距离及簇头的剩余能量。从而实现了由聚类成员节点选择剩余能量较大，与自己距离较近，与基站距离较小的簇头形成簇，达到能量均衡的目的。

阶段4：数据传输阶段簇头向所有成员节点广播TDMA通信时隙调度信息TDMA_SCHEDULE。成员节点按分配好的TDMA时隙在某个时刻将自己检测到的数据发送给簇头。簇头在接收聚类成员发送数据的过程中进行数据融合，并将融合后的数据直接传输给基站，该过程采用单跳的通信方式。

4 ADEECS协议仿真与分析

仿真中，使用Matlab作为仿真平台，采用与文献[3]相同的能量消耗模型。仿真参数如表1所示。

文中将ADEECS与EECS和LEACH协议性能进行仿真对比。

4.1簇头分布的仿真对比

LEACH簇头个数取最优值。在仿真中，LEACH簇头个数为6;取T=0.15，R=26，w=0.8。由3种协议的簇头分布图(图2～图4)可以看出，LEACH协议簇头随机分布;EECS协议簇头分布比较均匀，但存在簇头漏洞问题;ADEECS协议簇头真正实现了均匀分布。所以，提出的延迟发送竞选消息的方法很好地解决了LEACH和EECS协议在簇头选举过程中存在的问题。

4.2网络寿命的仿真对比

定义第一个节点的死亡时间为无线传感器网络的网络寿命，用工作轮数表示网络的工作时间。如果剩余节点过少，那么整个网络的存在就毫无意义。仿真中为了更好地对比仿真结果，仿真曲线只选取剩余节点数大于50的情况。仿真结果如图5所示。

由图5可以看出，在成簇阶段，ADEECS协议综合考虑了簇头剩余能量、簇头与基站的距离以及簇成员节点与簇头的距离。这种通信代价计算方式很好地提高了网络性能，有效地延长了网络生命周期，达到了协议目的。

5结语

通过对无线传感器网络中典型分簇路由协议、LEACH协议和EECS协议进行的研究和分析，提出了一种改进的分簇方案ADEECS。利用延迟发送竞争消息的方法和新的通信代价公式很好地解决了EECS协议存在的问题，实现了簇头的均匀分布，有效地延长了网络寿命。