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项目介绍

基于电位器的模拟调速系统：使用一个摇杆电位器作为输入，实时无级地控制电机的速度和方向。

硬件介绍

本项目基于以下核心硬件构建了一个直观的模拟调速控制系统：

• 主控平台：NXP FRDM-MCXA153开发板

• 核心为MCXA153系列微控制器，基于高效的Arm® Cortex®-M33内核。

• 板载Arduino R3兼容接口，便于扩展。

• 集成USB调试与供电接口，内置CMSIS-DAP调试器，开发便捷。

• 驱动模块：Adafruit Motor Shield V2

• 采用TB6612 MOSFET驱动芯片，支持双路直流电机。

• 通过I2C接口（默认地址0x60）与主控板通信，节省I/O资源。

• 提供稳定的电机电源管理及保护。

• 输入设备：旋转电位器（10kΩ）

• 作为模拟输入设备，将旋转角度转换为连续的电压信号。

• 连接到开发板的模拟输入引脚，实现无级调速。

功能概览

系统利用摇杆电位器作为速度与方向指令的输入源。通过实时读取电位器输出的模拟电压值，将其映射为电机的控制参数，最终实现对单个直流电机的无级调速与正反转控制。整个系统运行平滑，响应迅速，直观地演示了模拟信号采集、数据处理与电机驱动控制的完整流程。

设计思路

设计核心在于将连续的模拟输入映射为离散的电机控制命令，关键思路如下：

1. 信号采集：利用MCXA153内部的ADC（模数转换器）模块，将电位器输出的0-3.3V模拟电压转换为数字值（例如0-1023）。

2. 控制策略：

• 速度控制：ADC采样值直接对应PWM（脉宽调制）的占空比。采样值越大，占空比越高，电机转速越快。

• 方向控制：在ADC量程中间设置一个“死区”。当采样值高于死区上限时，电机正转；低于死区下限时，电机反转；位于死区内时，电机停止。这有效避免了因电位器微小抖动导致的误动作。

1. 电机驱动：通过I2C协议将计算出的PWM占空比与方向指令发送给Adafruit Motor Shield，由其内部的TB6612芯片执行安全、高效的电机驱动。

功能实现软件流程图

硬件连接：

1. 1. 电位器两端分别接3.3V与GND，中间引脚接MCXA153的A0（ADC0_A8）引脚。

2. 2. Motor Shield堆叠在MCXA153的Arduino接口上。

3. 3. 直流电机连接至Motor Shield的M4端口。

4. 4. 外部电源（如7-12V）接入Motor Shield的电源端子，为电机供电。

5. 

核心代码逻辑（关键步骤）：

// 1. 初始化ADC，与ADC中断处理函数
/**
 * @brief LPADC中断处理函数
 * @details 当ADC转换完成并将结果放入FIFO时，会触发此中断
 */
void DEMO_LPADC_IRQ_HANDLER_FUNC(void) {
    // 中断计数器加1，记录中断发生次数
    g_LpadcInterruptCounter++;
    // 当LPADC只有1个FIFO时，直接获取结果
    if (LPADC_GetConvResult(ADC0, &g_LpadcResultConfigStruct)) {
        // 设置转换完成标志，通知主循环可以处理结果
        g_LpadcConversionCompletedFlag = true;
    }
    
    // SDK中断退出屏障，确保中断处理完成
    SDK_ISR_EXIT_BARRIER;
}
// 2. 主循环
while(1) {
  // 等待转换完成
  if (g_LpadcConversionCompletedFlag){
    // 打印ADC转换结果和中断计数
    if(g_FreeTurnState) { // 自由调节状态，根据中位值计算方向和速度
      int16_t adcValue = (g_LpadcResultConfigStruct.convValue) >> g_LpadcResultShift;
      uint8_t adcSpeed = map(adcValue, 0, g_LpadcFullRange, 0, 255);
      uint8_t midValue = 176; // 中位值，根据实际情况调整
      // 计算速度与中位值的差值，大于0表示顺时钟转，小于0表示逆时钟转，等于0表示停止。正负10以内表示停止
      uint8_t diffValue = 0;
      uint8_t speed = 0;
      if (adcSpeed > (midValue + 10)) {
        // 逆时钟转
        diffValue = adcSpeed - (midValue + 10);
        speed = map(diffValue, 0, (255 - midValue - 10), 50, 255);
        g_MotorRunningState = true;
        task2(MOTOR_DIR_BACKWARD, speed);
      } else if (adcSpeed < (midValue - 10)) {
        // 顺时钟转
        diffValue = (midValue - 10) - adcSpeed;
        speed = map(diffValue, 0, (midValue - 10), 50, 255);
        g_MotorRunningState = true;
        task2(MOTOR_DIR_FORWARD, speed);
      } else if (g_MotorRunningState) {
        // 停止
        g_MotorRunningState = false;
        task2(MOTOR_DIR_RELEASE, 0);
      }
    }
    // 重置转换完成标志
    g_LpadcConversionCompletedFlag = false;
    // 触发软件转换（1U是触发0的掩码）
    LPADC_DoSoftwareTrigger(ADC0, 1U);
  }
}

关键点：map函数实现了输入到输出的线性映射；死区的设置提高了控制稳定性。

功能展示

系统上电后，操作直观：

正向加速

向前缓慢推动摇杆电位器。当推动过中间停止点（有明显阻力感）后，电机开始正转。随着继续推动摇杆，电机转速平滑、线性地增加，直至最高速。

反向加速

向后缓慢推动摇杆电位器。同样经过中间停止点后，电机反转，转速随旋转角度增大而平滑增加。

精确停止

松开摇杆电位器时，摇杆自动回到机械中点附近时，电机可靠停止，无明显抖动或蠕动，得益于软件死区的设置。

实时响应

摇杆电位器的任何角度变化，电机转速都能在毫秒级内做出对应调整，实现了真正的实时无级调速。

演示视频

总结

本项目成功构建了一个基于模拟输入的直流电机调速系统。它充分运用了 NXP FRDM-MCXA153 的模拟信号采集能力、Adafruit Motor Shield V2的集成驱动优势以及电位器的直观交互特性，实现了稳定、平滑、双向的电机速度控制。

技术要点总结：

• 模拟信号处理：掌握了MCU ADC模块的使用，实现了连续模拟量到数字量的精准转换。

• 控制算法设计：通过“死区”和线性映射策略，将单一模拟输入优雅地解耦为速度与方向两个控制维度，提升了系统鲁棒性。

• 硬件协作：熟练运用I2C总线控制外围驱动模块，体现了模块化开发的高效性。

本系统作为一个基础平台，可轻松扩展，例如增加第二个电位器控制另一台电机实现差速转向，或移植到更复杂的机器人底盘控制中，具有很好的实践教学价值与工程参考意义。

传送门

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参考资料

• https://www.nxp.com.cn/document/guide/getting-started-with-frdm-mcxa153:GS-FRDM-MCXAXX

• https://akizukidenshi.com/goodsaffix/FRDM-MCXA153_User Manual.pdf

• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MCXAP64M96FS3.pdf

• https://learn.adafruit.com/adafruit-motor-shield-v2-for-arduino