基于TMS320F28335的氣球吊籃姿態(tài)監測裝置設計

摘要：針對氣球吊籃對姿態(tài)控制的要求，本文給出以TMS320F28335為平臺，開(kāi)發(fā)設計出具有姿態(tài)數據采集、姿態(tài)數據處理、以及姿態(tài)實(shí)時(shí)監測功能的裝置。姿態(tài)監測裝置中用MEMS電子陀螺儀和地磁計獲得姿態(tài)的采樣數據，采樣數據通過(guò)TMS320F28335解算為航偏角、俯仰、橫滾三姿態(tài)數據，PC作為顯示終端監控姿態(tài)實(shí)時(shí)變化，裝置能夠滿(mǎn)足氣球吊籃對姿態(tài)監控和測量的要求。

科學(xué)氣球在大氣物理、空間科學(xué)、遙感等領(lǐng)域具有突出的應用優(yōu)點(diǎn)。如今科學(xué)氣球作為高空探測的平臺，因為其成本便宜，施放簡(jiǎn)單，易于維護的優(yōu)點(diǎn)，一直作為高空探測的重要手段?？茖W(xué)氣球因為體積大會(huì )在高空飛行過(guò)程中受到紊亂氣流影響，致使表面風(fēng)壓不同造成隨機緩慢的旋轉現象，這也將導致掛載吊籃姿態(tài)的跟隨變化。然而在一些領(lǐng)域需要一種可控的探測平臺，這就需要吊籃的姿態(tài)可以控制?？茖W(xué)氣球在飛行過(guò)程中吊籃處于視野觀(guān)測范圍外，需要設計一種搭載在科學(xué)氣球吊籃內部并且能夠實(shí)時(shí)測量吊籃飛行狀態(tài)，將實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋給姿態(tài)控制系統，從而實(shí)現吊籃的姿態(tài)控制，作為科學(xué)氣球吊籃姿態(tài)控制的重要組成部分。文中提出了一種姿態(tài)測量系統設計和實(shí)現，文中描述了硬件設計、軟件程序設計和最后測試結果。

1 系統結構及工作原理

科學(xué)氣球吊籃姿態(tài)測量系統分為掛載部分和地基部分，除PC終端將置于地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，其余模塊均屬于掛載部分，這些模塊將跟隨科學(xué)氣球吊籃升空，在科學(xué)氣球吊籃穩定飛行過(guò)程中實(shí)現實(shí)時(shí)測量、運算以及回傳數據到地面設備。

掛載部分包括TMS320F28335平臺、電子羅盤(pán)、地磁傳感器、電源、無(wú)線(xiàn)數傳模塊。主要系統結構如圖1所示，數據處理核心為T(mén)MS320F28 335的數字信號控制器(DSCs)，外圍包括傳感器調理板，通信模塊，電源模塊，外部擴展模塊。

設計中利用底板作為外設及傳感器模塊連接硬件接口，其中PC端采用RS232連接在底板，單片機采用TTL電平串口連接底板，HM5883和MPU 6050采用I2C總線(xiàn)連接到單片機上。系統穩定工作時(shí)，HM5883以及MPU6050數據通過(guò)單片機發(fā)送給TMS320F28335，姿態(tài)數據由TMS320F28335發(fā)送給PC終端。

2 系統的硬件設計

TMS320F28335為T(mén)I公司最新DSPC28X系列32位浮點(diǎn)DSCs(Digital Signal Controllers)，具有150 MHz的時(shí)鐘工作頻率，其芯片內核供電為1.9 V，I/O口供電問(wèn)3.3 V，芯片上集成256 kx16 bit Flash以及34 kx16 bit SARAM，并且具有3個(gè)SCI口(SCIA、SCIB、SCIC)，芯片高性能能夠滿(mǎn)足系統數據收發(fā)和姿態(tài)解算的要求。單片機選用STM32芯片，這種芯片是基于A(yíng)RM Cortex—M3內核，具有72 MHz工作頻率，64 kB閃存存儲器。

姿態(tài)傳感器選用應美盛公司的MPU6050芯片，這種微機電姿態(tài)傳感器為全球首款整合了三軸陀螺儀和三軸加速度運動(dòng)處理器件，具有131 LSBs/°/sec靈敏度，其角度測量范圍在±250～±2000°/s。HMC5883(HMC5883L)是霍尼韋爾公司的高分辨率的磁阻傳感器，具有霍尼韋爾公司最先進(jìn)的(AMP)技術(shù)，可以有效的使得羅盤(pán)精度控制在1°左右。這里MPU6050和HMC5883均為數字型傳感器，芯片分別內嵌16 bit和12 bit ADC模塊，量化數據通過(guò)I2C總線(xiàn)傳出。

圖2中為MPU6050電路設計框圖，其擁有2條I2C通道，并且通過(guò)內部串行通道選擇器相連接，圖中的連接方式可以組成三軸陀螺儀、三軸加速度和三軸地磁計組成的9軸姿態(tài)傳感器件;MPU6050的FSYNC和INT連接到STM32上。

電路設計如圖3中MPU6050供電電壓范圍為2.375～3.46 V，設計中采用LM1117-3.3 V供電芯片設計，MPU6050有VDD供電電源端以及VLOGIC邏輯電源端口，其供電要求VDD超前VLOGIC>0 ms，且VDD上升沿滿(mǎn)足100 ms，VLOGIC上升沿3 ms，VLOGIC連接線(xiàn)上串聯(lián)10 mH電感可滿(mǎn)足要求，SDA與SCL分別為I2C總線(xiàn)的是數據線(xiàn)和控制線(xiàn)連接到STM32單片機的PB6、PB7，HMC5338地磁極SDA、和SCL分別連接到MPU6050的AUX_SDA和AUX_SCL端即可組成圖1中的9軸傳感器。

圖4為STM32最小系統電路，利用STM32單片機作為量化數據的預采集處理并與DSCs進(jìn)行應答式數據傳送，這種方式比連續異步傳輸方式節約系統資源，同時(shí)減小DSCs的片上資源消耗和程序復雜程度。設計中考慮STM32獲取數據準備完成信號由HMC_INT管腳產(chǎn)生，PA5口連接到HMC 5883傳感器15管腳，同時(shí)串口通道與DSCs的SCITXDB與SCIRXDB連接，用于采樣數據交換。

3 系統的軟件設計

系統軟件設計包括STM32片上程序、DSCs片上程序和上位機顯示程序。首先由STM32依次初始化MPU6050和HMC5883，MPU6050初始化包括時(shí)鐘、陀螺儀量程、加速度量程、I2C與HMC5883連通方式和中斷信號產(chǎn)生條件。HMC5883初始化包括設置HMC5883工作模式、更新速率設置和傳感器FIFO初始化。

圖5為信號處理流程圖，模擬信號通過(guò)AD采樣獲得量化數據，對量化數據進(jìn)行初級平滑濾波后獲得采樣數據，采樣數據通過(guò)速率115200串口發(fā)送給TMS320F28335，傳輸過(guò)程有0.02%的誤差率，當TMS320F28335串口14級緩沖FIFO數據完全載入后會(huì )向內核產(chǎn)生SICBRXINT中斷信號，內核響應中斷并調用中斷服務(wù)子程序，將FIFO緩沖寄存器中的數據導入到緩存數組中，然后調用四元數解算子函數對采樣數據進(jìn)行解算獲取姿態(tài)傳感的航偏角、俯仰、橫滾等姿態(tài)數據。最后將姿態(tài)數據通過(guò)串口發(fā)送給PC進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和顯示。

圖6為DSCs程序設計流程圖。程序采主體采用中斷結構設計，將時(shí)間軸分成若干片段，使DSCs時(shí)分多用，DSCs程序中主要包含：

在Time0中斷服務(wù)子程序中，用CpuTimer0.InterruptCount作為時(shí)間片選標志位，通過(guò)對其去余操作，使DSCs在不同時(shí)間處理不同任務(wù)，這在時(shí)間邏輯性便于理解和掌握，使用switch—case語(yǔ)句調用過(guò)程函數;CpuTimer0.InterruptCount%5=1時(shí)，開(kāi)啟串口接收中斷開(kāi)啟，數據采用14級FIFO設置，當接收BUFF達到14級后，SCI模塊將產(chǎn)生FIFO中斷信號通過(guò)PIE模塊傳送給CPU，CPU保存寄存器值以及當前程序指針入棧，響應中斷服務(wù)子程序更新采樣數據緩存數組;同樣CpuTimer0.InterruptCount%5=2時(shí)，調用COT_IMU()(姿態(tài)解算子程序)獲取測量航偏角、橫滾角，俯仰角姿態(tài)數據：CpuTimer0.InterruptCount%5=4時(shí)，DSCs將會(huì )調用UPto_PC_SCIC()函數，把姿態(tài)數據編碼后發(fā)送給上位機，由上位機軟件對數據進(jìn)行解碼和動(dòng)態(tài)顯示。

圖7為PC上位機程序設計流程圖，程序采用以VB+Direct3D顯示技術(shù)，程序設計中為了讓下位機和上位機通信良好，上位機串口采用定時(shí)查詢(xún)方式。當時(shí)間達到條件后，系統將對接收數據進(jìn)行解碼了校驗，將新的姿態(tài)數據賦予D3D對象，等待刷新時(shí)重繪圖像。

上代碼主要描述顯示刷新部分，通過(guò)調用timer控件更新視角速度可以方便變得調整顯示效果，設置其刷新時(shí)間通過(guò)改變Timer.Interval屬性中的值，縮短刷新時(shí)間會(huì )使得顯示效果更佳流暢，通過(guò)上位機程序將采樣的姿態(tài)數據記錄下來(lái)以便分析。

4 結果

經(jīng)過(guò)測試和試驗，本文中所述姿態(tài)測量系統工作穩定，并且能夠獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，其姿態(tài)解算速率控制在400 Hz/s，顯示刷新速率控制在>60幀，串口速率設置在115 200 bps，傳輸誤碼率在0.02%，下位機上傳數據幀數在20幀/s，姿態(tài)監控范圍：俯仰角-90°至90°，航偏角-180至180°，橫滾角-180°至180°，姿態(tài)測量準確有效。

圖9中對姿態(tài)測量系統做了短時(shí)間測試獲得的監測數據。其中縱向坐標為角度信息，橫向坐標為時(shí)間信息，(上)(中)(下)三幅子圖為單姿態(tài)測試，圖中可以看出，在14s左右的測量過(guò)程中，姿態(tài)傳感器的響應速度非常靈敏，通過(guò)對(下)圖中180°到-180°跳變分析，系統響應速度在0.05s左右。由此系統在運行過(guò)程中姿態(tài)數據更新速度達到20fps，完全能夠滿(mǎn)足吊籃緩慢運動(dòng)下對完成姿態(tài)測量的要求。

5 結束語(yǔ)

科學(xué)氣球吊籃在空中的姿態(tài)直接影響探測儀器工作，獲取科學(xué)氣球吊籃的姿態(tài)信息有助于對吊籃姿態(tài)的控制，也是作為姿態(tài)控制反饋中的重要環(huán)節，姿態(tài)測量系統的精度直接影響到姿態(tài)控制性能和精度。本文描述的姿態(tài)檢測系統硬件設計和軟件設計，利用TMS320F28335的優(yōu)越性能，選用MPU6050和HMC5883測量元件實(shí)現系統硬件和軟件設計，采用D3D技術(shù)實(shí)現姿態(tài)實(shí)時(shí)監控并且達到預期效果。