景號然 ， 王 勇 ， 孫寶來

（1.成都信息工程學(xué)院 電 子工程學(xué)院，四川 成 都 610225；2.中國科學(xué)院 大 氣物理研究所LAGEO實驗室，北京 1 00029）

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(yīng)用優(yōu)點[1]。如今科學(xué)氣球作為高空探測的平臺，因為其成本便宜，施放簡單，易于維護的優(yōu)點，一直作為高空探測的重要手段[2]?？茖W(xué)氣球因為體積大會在高空飛行過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(zhuǎn)現(xiàn)象，這也將導(dǎo)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)氣球在飛行過程中吊籃處于視野觀測范圍外，需要設(shè)計一種搭載在科學(xué)氣球吊籃內(nèi)部并且能夠?qū)崟r測量吊籃飛行狀態(tài)，將實時狀態(tài)反饋給姿態(tài)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)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[3-5]。文中提出了一種姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)，文中描述了硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計和最后測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

科學(xué)氣球吊籃姿態(tài)測量系統(tǒng)分為掛載部分和地基部分，除PC終端將置于地面進行實時監(jiān)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(wěn)定飛行過程中實現(xiàn)實時測量、運算以及回傳數(shù)據(jù)到地面設(shè)備。

掛載部分包括TMS320F28335平臺、電子羅盤、地磁傳感器、電源、無線數(shù)傳模塊。主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)處理核心為TMS320F28335的數(shù)字信號控制器（DSCs），外圍包括傳感器調(diào)理板，通信模塊，電源模塊，外部擴展模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

設(shè)計中利用底板作為外設(shè)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MPU6050采用I2C總線連接到單片機上。系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，HM5883以及MPU6050數(shù)據(jù)通過單片機發(fā)送給TMS320F28335，姿態(tài)數(shù)據(jù)由TMS320F28335發(fā)送給PC終端。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

TMS320F28335為TI公司最新DSPC28X系列32位浮點DSCs（Digital Signal Controllers），具有 150 MHz的時鐘工作頻率，其芯片內(nèi)核供電為1.9 V，I/O口供電問3.3 V，芯片上集成256 k×16 bit Flash以及34 k×16 bit SARAM，并且具有3個 SCI口（SCIA、SCIB、SCIC），芯片高性能能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)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ARM Cortex-M3內(nèi)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(yīng)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處理器件，具有131LSBs/°/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的（AMP）技術(shù)，可以有效的使得羅盤精度控制在1°左右。這里MPU6050和HMC5883均為數(shù)字型傳感器，芯片分別內(nèi)嵌16 bit和12 bit ADC模塊，量化數(shù)據(jù)通過I2C總線傳出。

圖2中為MPU6050電路設(shè)計框圖，其擁有2條I2C通道，并且通過內(nèi)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。

圖3 HMC5883及MPU6050應(yīng)用電路Fig.3 Application circuit design of HMV5883 and MPU6050

電路設(shè)計如圖3中MPU6050供電電壓范圍為2.375～3.46 V，設(shè)計中采用LM1117-3.3 V供電芯片設(shè)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上升沿滿足＜100 ms，VLOGIC上升沿＜3 ms，VLOGIC連接線上串聯(lián)10 mH電感可滿足要求，SDA與SCL分別為I2C總線的是數(shù)據(jù)線和控制線連接到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(tǒng)電路，利用STM32單片機作為量化數(shù)據(jù)的預(yù)采集處理并與DSCs進行應(yīng)答式數(shù)據(jù)傳送，這種方式比連續(xù)異步傳輸方式節(jié)約系統(tǒng)資源，同時減小DSCs的片上資源消耗和程序復(fù)雜程度。設(shè)計中考慮STM32獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成信號由HMC_INT管腳產(chǎn)生，PA5口連接到HMC5883傳感器15管腳，同時串口通道與DSCs的SCITXDB與SCIRXDB連接，用于采樣數(shù)據(jù)交換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)置HMC5883工作模式、更新速率設(shè)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AD采樣獲得量化數(shù)據(jù)，對量化數(shù)據(jù)進行初級平滑濾波后獲得采樣數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)通過速率115200串口發(fā)送給TMS320F28335，傳輸過程有0.02%的誤差率，當(dāng)TMS320F28335串口14級緩沖FIFO數(shù)據(jù)完全載入后會向內(nèi)核產(chǎn)生SICBRXINT中斷信號，內(nèi)核響應(yīng)中斷并調(diào)用中斷服務(wù)子程序，將FIFO緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到緩存數(shù)組中，然后調(diào)用四元數(shù)解算子函數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進行解算獲取姿態(tài)傳感的航偏角、俯仰、橫滾等姿態(tài)數(shù)據(jù)。最后將姿態(tài)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC進行實時更新和顯示。

圖6為DSCs程序設(shè)計流程圖。程序采主體采用中斷結(jié)構(gòu)設(shè)計，將時間軸分成若干片段，使DSCs時分多用，DSCs程序中主要包含：

圖4 STM32應(yīng)用電路設(shè)計Fig.4 Application Circuit Design of STM32

圖5 姿態(tài)數(shù)據(jù)處理框圖Fig.5 Structure diagram of attitude measurement data

圖6 DSCs程序設(shè)計框圖Fig.6 Schematic diagram of the DSCs

在Time0中斷服務(wù)子程序中，用 CpuTimer0.InterruptCount作為時間片選標(biāo)志位，通過對其去余操作，使DSCs在不同時間處理不同任務(wù)，這在時間邏輯性便于理解和掌握，使用switch-case語句調(diào)用過程函數(shù)；CpuTimer0.InterruptCount%5=1時，開啟串口接收中斷開啟，數(shù)據(jù)采用14級FIFO設(shè)置，當(dāng)接收BUFF達到14級后，SCI模塊將產(chǎn)生FIFO中斷信號通過PIE模塊傳送給CPU，CPU保存寄存器值以及當(dāng)前程序指針入棧，響應(yīng)中斷服務(wù)子程序更新采樣數(shù)據(jù)緩存數(shù)組；同樣CpuTimer0.InterruptCount%5=2時，調(diào)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(shù)據(jù)；CpuTimer0.InterruptCount%5=4時，DSCs將會調(diào)用UPto_PC_SCIC（）函數(shù)，把姿態(tài)數(shù)據(jù)編碼后發(fā)送給上位機，由上位機軟件對數(shù)據(jù)進行解碼和動態(tài)顯示。

圖7 顯示程序設(shè)計框圖Fig.7 Schematic diagram of display program

圖7為PC上位機程序設(shè)計流程圖，程序采用以VB+Direct3D顯示技術(shù)，程序設(shè)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查詢方式。當(dāng)時間達到條件后，系統(tǒng)將對接收數(shù)據(jù)進行解碼了校驗，將新的姿態(tài)數(shù)據(jù)賦予D3D對象，等待刷新時重繪圖像。

上代碼主要描述顯示刷新部分，通過調(diào)用timer控件更新視角速度可以方便變得調(diào)整顯示效果，設(shè)置其刷新時間通過改變Timer.Interval屬性中的值，縮短刷新時間會使得顯示效果更佳流暢，通過上位機程序?qū)⒉蓸拥淖藨B(tài)數(shù)據(jù)記錄下來以便分析。

4 結(jié) 果

經(jīng)過測試和試驗，本文中所述姿態(tài)測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且能夠獲取實時姿態(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(shè)置在115 200 bps，傳輸誤碼率在0.02%，下位機上傳數(shù)據(jù)幀數(shù)在20幀/s，姿態(tài)監(jiān)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(zhǔn)確有效。

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

5 結(jié)束語

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(jié)，姿態(tài)測量系統(tǒng)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(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，利用TMS320F28335的優(yōu)越性能，選用MPU6050和HMC5883測量元件實現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，采用D3D技術(shù)實現(xiàn)姿態(tài)實時監(jiān)控并且達到預(yù)期效果。

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圖8 監(jiān)測界面Fig.8 Interface chart of the system

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Data recording