，，

(裝備學(xué)院 航天裝備系，北京 101400)

STM32的通信天線方位角實(shí)時(shí)快速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李基，邵瓊玲，王盛軍

(裝備學(xué)院 航天裝備系，北京 101400)

設(shè)計(jì)了一種基于STM32+μcGUI架構(gòu)的方位角測量系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6控制器為核心的控制模塊和TFTLCD顯示模塊硬件電路，分析了傳感器模塊WDD35D4的測角原理。軟件部分移植了獨(dú)立于CPU和LCD控制器的μcGUI，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化界面設(shè)計(jì)；同時(shí)比較了滑動(dòng)平均濾波、滑動(dòng)中值濾波和加權(quán)滑動(dòng)平均濾波對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的濾波效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用滑動(dòng)平均濾波效果更佳。

STM32F103ZET6；μcGUI；WDD35D4；數(shù)字濾波；方位角

引 言

衛(wèi)星通信背負(fù)天線為滿足背負(fù)者快速機(jī)動(dòng)的任務(wù)需求，必須具備小體積、輕質(zhì)量、易于重復(fù)拆卸與安裝、快速定位等特點(diǎn)[1]。天線的定位時(shí)間直接影響著建立通信的時(shí)間，其中天線方位角的測量是天線定位中的首要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方位角測量設(shè)備(如指南針)采用平衡式結(jié)構(gòu)，體積大、精度差[2]。現(xiàn)代化角度測量設(shè)備(如光電編碼器)的精度受到碼道數(shù)目的制約，對(duì)工作環(huán)境要求較高[3]；旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)環(huán)境溫度比較敏感[4]；自整角機(jī)測量系統(tǒng)通常包括兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作，成本較高、安裝復(fù)雜。受小型衛(wèi)星通信背負(fù)天線外形尺寸、機(jī)動(dòng)能力、使用環(huán)境等因素的制約，以上的測量器件難以實(shí)現(xiàn)天線方位角的實(shí)時(shí)快速測量，為此本文設(shè)計(jì)了以STM32為核心的天線方位角實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，采用WDD35D4角位移傳感器安裝方便、降低成本，移植μcGUI進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波算法增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

方位角測量系統(tǒng)以嵌入式微控制器STM32為核心，由控制模塊、顯示模塊和傳感器模塊三部分組成?？刂颇K以微控制器STM32F103ZET6為核心；顯示模塊主要由NT35310控制器和3.5寸LCD構(gòu)成;傳感器模塊采用WDD35D4角位移傳感器。該測量系統(tǒng)由STM32F103ZET6通過ADC通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過處理變換以后得到角度信息，通過STM32靜態(tài)存儲(chǔ)器控制機(jī)制(FSMC)控制LCD完成角度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和2D數(shù)據(jù)可視化顯示，LCD顯示部分通過移植μcGUI完成。角度測量系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 角度測量系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

STM32F103ZET6是一款基于高性能的ARM Cortex-M3的32位RISC內(nèi)核的增強(qiáng)型芯片，內(nèi)部集成3個(gè)ADC(1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間)，每個(gè)ADC最多有18路模擬輸入通道[5-6]?？刂颇K電路設(shè)計(jì)如圖2所示，本設(shè)計(jì)中利用ADC1的通道1(ADC1_IN1)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 控制模塊電路設(shè)計(jì)

主控制器STM32的 32引腳(VREF+)和31引腳(VREF-)是內(nèi)部ADC參考電壓的正極和負(fù)極，ADC所能測量的模擬信號(hào)VIN的電壓范圍在VREF+和VREF-之間，本設(shè)計(jì)中VREF+接3.3 V直流穩(wěn)態(tài)電壓，VREF-接地。所以VIN的范圍為0≤VIN≤3.3 V。

2.2 顯示模塊

本系統(tǒng)顯示模塊采用3.5寸TFTLCD，分辨率為320×480，LCD驅(qū)動(dòng)芯片為NT35310，采用16位8080并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RGB565彩色顯示模式。本設(shè)計(jì)中將NT35310當(dāng)作外部SRAM，利用FSMC總線控制。NT35310與外部SRAM的信號(hào)線對(duì)比如表1所列，NT35310沒有地址線，除RS信號(hào)以外的其他信號(hào)線與外部SRAM控制時(shí)序完全類似，所以可以通過FSMC地址線(如A10)代替RS信號(hào)線進(jìn)行命令/數(shù)據(jù)的選擇[8-10]。

表1 NT35310與外部SRAM的信號(hào)線對(duì)比

通過以上分析，設(shè)計(jì)LCD的連接電路如圖3所示。

圖3 LCD接口電路

2.3 傳感器模塊

WDD35D4角位移傳感器是一個(gè)高精度電位器，具備360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能，它的本質(zhì)是一個(gè)滑線變阻器。這種分壓電路可以避免溫度變化影響電阻值變化產(chǎn)生的干擾，該角位移傳感器具有分辨率高、線性度好、機(jī)械壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于軍事、航空、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域[7]。

本設(shè)計(jì)采用的WDD35D4標(biāo)稱電阻R阻值為5 kΩ，線性度為0.1%。工作狀態(tài)下，WDD35D4各端口的電壓狀態(tài)如表2所列，1引腳為3.3 V直流穩(wěn)態(tài)電壓輸入端，3引腳接地，2引腳為電壓輸出端。

表2 WDD35D4端口電壓狀態(tài)

STM32F103ZET6微控制器內(nèi)部集成量化位數(shù)為12位的逐次逼近型ADC，由此可以得到ADC寄存器的值與角度之間的變換公式為：

圖4 軟件總體流程

式中Deg表示角度值，Iadc表示ADC寄存器的值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括μcGUI的移植、系統(tǒng)初始化、WDD25D4數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)可視化顯示，具體流程如圖4所示。下文簡要介紹μcGUI的移植，詳細(xì)對(duì)比滑動(dòng)平均濾波、滑動(dòng)中值濾波和加權(quán)滑動(dòng)平均濾波三種數(shù)字濾波方法對(duì)隨機(jī)噪聲的濾波效果。

3.1 μcGUI的移植

μcGUI是美國Micrium公司出品的一款針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面軟件，該軟件獨(dú)立于CPU和LCD控制器，具有占用資源少、可裁剪、穩(wěn)定性好和可靠性高等特點(diǎn)。

在μcGUI的移植中，主要涉及到GUIConf.h、LCDConf.h和LCD_Dummy.c三個(gè)文件的相關(guān)配置[10-12]。GUIConf.h文件包括一些功能模塊定義、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間分配、默認(rèn)字體設(shè)置等。LCDConf.h文件包括LCD分辨率、控制器、LCD初始化函數(shù)定義等。LCD_Dummy.c文件中只需添加底層硬件LCD的讀點(diǎn)和畫點(diǎn)函數(shù)即可。

3.2 數(shù)字濾波算法

嵌入式系統(tǒng)的測量通道中難以避免會(huì)帶入隨機(jī)干擾，引起隨機(jī)誤差。利用軟件算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，可以減弱或消除隨機(jī)干擾噪聲的影響，提高測量系統(tǒng)的抗干擾能力和精度[13]。數(shù)字濾波常用的算法有限幅濾波法、算術(shù)平均濾波法、中值濾波法、滑動(dòng)平均值濾波法、加權(quán)平均值濾波法、低通濾波法和復(fù)合濾波法[14-15]。本文對(duì)比了滑動(dòng)平均濾波、滑動(dòng)中值濾波和加權(quán)滑動(dòng)平均濾波三種數(shù)字濾波方法對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的濾波效果。

圖5 靜態(tài)濾波效果對(duì)比圖

(1)滑動(dòng)平均濾波

//定義隊(duì)列長度

#define n 11

//實(shí)現(xiàn)隊(duì)列滑動(dòng)，始終保持value[9]為最新A/D采樣值，Get_Adc (ADC1_Channel_1)為AD采樣函數(shù)

for(i=0;i

value[i]=value[i+1];

}

value[n-1]=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,1);

//取平均值

for(i=0;i

sum+=value[i];

}

//取平均值

sum_average=sum/n;

(2)滑動(dòng)中值濾波

//冒泡法排序

for(j=0;j

for(i=0;i

if(value[i]> value[i+1]){

t= value[i];

value[i]= value[i+1];

value[i+1]=t;

}

}

}

//取中值

Value_half=false_value[(n-1)/2];

(3)加權(quán)滑動(dòng)平均濾波

//設(shè)定加權(quán)系數(shù)

u32factor[n]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

u32 factor_total=55，sum=0;

//實(shí)現(xiàn)隊(duì)列加權(quán)，所有權(quán)重之和為1

for(i=0;i

sum+=value[i]*factor[i];

}

//取平均值

average=total/factor_total;

4 測試與分析

(1)靜態(tài)濾波效果比較

將WDD35D4安裝在衛(wèi)星通信背負(fù)天線的方位軸上，在天線靜止的條件下，比較三種濾波方法的濾波效果，如圖5所示。曲線1為原始數(shù)據(jù)，波動(dòng)較大。三種濾波方法均具有較好的濾波效果，其中曲線2代表的滑動(dòng)平均濾波方差值為0.0059，接近原始數(shù)據(jù)方差值0.1006的一半，濾波效果最好。

(2)動(dòng)態(tài)濾波效果比較

天線往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，比較三種濾波方法的濾波效果，如圖6所示。三種濾波方法都有一定的滯后性，曲線4代表的加權(quán)滑動(dòng)平均濾波法滯后性最小，靈敏度最高。曲線2代表的滑動(dòng)平均濾波滯后性較小，且曲線更加平滑穩(wěn)定。

圖6 動(dòng)態(tài)濾波效果圖

(3)數(shù)據(jù)可視化

圖7 數(shù)據(jù)可視化界面

綜合濾波方法的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，選用滑動(dòng)平均濾波法作為本系統(tǒng)濾波方法，完全能夠解決LCD數(shù)據(jù)顯示快速跳變的問題。數(shù)據(jù)可視化界面如圖7所示，指針+表盤模式更加直觀顯示天線方位角，表盤下方編輯框內(nèi)顯示較為詳細(xì)的方位角信息，功能全面。

結(jié) 語

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李基(碩士研究生)、邵瓊玲(副教授)，主要研究領(lǐng)域：航天器應(yīng)用工程、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)。

Real-timeFastMeasuringSystemforCommunicationAntennaBasedonSTM32

LiJi,ShaoQiongling,WangShengjun

(Department of Aerospace Equipment,The Academy of Equipment,Beijing 101400,China)

In the paper,an azimuth measuring system based on STM32 and μcGUI is designed.The control module using the STM32F103ZET6 as the control core the TFTLCD display module are designd.The principle of angle measurement of the sensor module WDD35D4 is analyzed.The μcGUI which is independent of the CPU and the LCD controller is transplanted to design the data visualization interface.The filtering effect of the random noise of the system about the sliding average filtering,the sliding median filtering and the weighted sliding average filtering are compared.The experiment results show that the effect of sliding average filter is better.

STM32F103ZET6;μCGUI;WDD35D4;digtal filtering; azimuth

“高分辨率對(duì)地觀測重大專項(xiàng)”支持項(xiàng)目。

TP274.2

A

2017-06-02)