底雙

（哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱154100）

0 引言

姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域，民用領(lǐng)域，人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中均有著廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域如：船艦航行、導(dǎo)彈發(fā)射和航空飛機(jī)，都離不開姿態(tài)數(shù)據(jù)；在生活領(lǐng)域如：農(nóng)業(yè)播種、汽車駕駛、醫(yī)療檢查中，姿態(tài)測(cè)量也是必不可少的一環(huán)。為滿足生產(chǎn)生活中對(duì)姿態(tài)測(cè)量的需求，低成本、小型化的航姿測(cè)量系統(tǒng)成為人們關(guān)心的問(wèn)題[1]。由于MEMS 傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)，適用在便攜式航姿系統(tǒng)上裝置，已經(jīng)大量應(yīng)用在汽車、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等民用領(lǐng)域。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用MEMS 慣性測(cè)量器件的微小型航姿系統(tǒng)已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

MEMS 傳感器為三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)集成的九軸傳感器，處理器可通過(guò)SPI 或I2C實(shí)時(shí)采集九軸傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用基于四元數(shù)的互補(bǔ)濾波算法進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)解算，得到俯仰角、翻滾角和航向角的姿態(tài)信息。設(shè)計(jì)串口通信和以太網(wǎng)通信模塊，擴(kuò)充航姿系統(tǒng)與上位機(jī)通訊方式。設(shè)計(jì)直接供電和USB 供電兩種方式為系統(tǒng)供電，保證航姿系統(tǒng)供電可靠性。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路

MPU9250 可通過(guò)SPI 和I2C 兩種方式與處理器通信，SPI 通信有兩根數(shù)據(jù)線，一根片選線和一根時(shí)鐘線，I2C 通信可與SPI 通信接口復(fù)用，在設(shè)計(jì)I2C 通信電路時(shí)，根據(jù)開漏特性要注意在時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)通信線加上拉電阻。采集模塊電路設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

1.2 通信電路設(shè)計(jì)

為增加系統(tǒng)通信方式的可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信電路，將姿態(tài)信息或傳感器輸出數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，方便后續(xù)對(duì)姿態(tài)信息的顯示和保存。

以太網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程可主要分為：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)和萬(wàn)兆以太網(wǎng)?，F(xiàn)在速度最快的萬(wàn)兆以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)多為單模或多模光纖，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3ae。設(shè)計(jì)采用的處理器STM32F769 片上集成了一個(gè)MAC802.3，可完成與物理層的數(shù)據(jù)交接，若要實(shí)現(xiàn)STM32F769 處理器與外部設(shè)備的以太網(wǎng)通信，只需外接一個(gè)端口物理層（PHY）芯片。

MAC 通常支持獨(dú)立于介質(zhì)的接口MII 或簡(jiǎn)化的獨(dú)立于介質(zhì)的RMII 接口與PHY 芯片連接。MII 接口需要16 個(gè)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)引腳與PHY 層芯片連接，RMII 是簡(jiǎn)化介質(zhì)獨(dú)立接口，只需要7 根通信線與PHY層芯片連接。

本文選擇一款LAN8742 型號(hào)的PHY 芯片，通過(guò)RMII 接口連接，這種接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。LAN8742 內(nèi)部包含一個(gè)全雙工傳輸模塊，可實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率：10Mbit/s 和100Mbit/s，另外可支持HP Auto-MDIX 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，即能自動(dòng)識(shí)別直連或交叉網(wǎng)線并自適應(yīng)，為實(shí)驗(yàn)提供了便利。

LAN8742 的通信數(shù)據(jù)線與RJ-45 硬件插座之間需要變壓器連接，可以選擇帶變壓器的RJ-45 接口，也可將變壓器和RJ-45 分開選擇，此時(shí)要注意內(nèi)部結(jié)構(gòu)匹配。本文選擇國(guó)產(chǎn)H2019 變壓器匹配RJ-45 硬件插座，通過(guò)以太網(wǎng)變壓器的連接可以濾除網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間的噪音，還可以相互隔離抗干擾，對(duì)芯片起到了保護(hù)作用。

網(wǎng)口設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示，TXD、RXD 引腳連接完成網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的收發(fā)，RX_EN 是數(shù)據(jù)發(fā)送使能線，CLKIN 為參考時(shí)鐘引腳，此處的參考時(shí)鐘單獨(dú)由25MHz 外部晶振提供，為RMII 接口的數(shù)據(jù)收發(fā)和控制提供參考時(shí)鐘。RMII 接口要求參考時(shí)鐘必須是50MHz，所以晶振提供的25MHz 時(shí)鐘要通過(guò)LAN8742內(nèi)部PLL 電路倍頻得到50MHz 參考時(shí)鐘。

1987年，我在《中國(guó)社會(huì)科學(xué)》上發(fā)表了論文《人的主體性的進(jìn)程》。這是針對(duì)當(dāng)時(shí)學(xué)界對(duì)主體性的關(guān)注而寫的。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的建立和發(fā)展，呼喚著人的主體性的發(fā)展。當(dāng)時(shí)我思考的聚焦點(diǎn)是人的主體性怎樣演化。人的成長(zhǎng)要經(jīng)歷一系列發(fā)展過(guò)程，包括其間的曲折。我提出了三個(gè)時(shí)期、九個(gè)階段的演進(jìn)模式:初級(jí)期人的主體性，即自在、自然、自知、自我的主體性階段;轉(zhuǎn)折期人的主體性，即自失的主體性階段;高級(jí)期人的主體性，即自覺、自強(qiáng)、自為、自由的主體性階段。這是我關(guān)于人的主體性演化的假說(shuō)的主要內(nèi)容。后來(lái)我在出版《主體性哲學(xué)——人的存在及其意義》一書時(shí)，對(duì)人的主體性演化作了較為完整的論述。

圖2 以太網(wǎng)LAN8742電路原理圖

1.3 單片機(jī)主板電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)主板電路設(shè)計(jì)主要包括處理器STM32F769的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，外部存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)。主要負(fù)責(zé)姿態(tài)解算并通過(guò)串行接口與外界通信。

處理器芯片需要通過(guò)多種通信方式與外設(shè)器件通信，還需負(fù)責(zé)對(duì)姿態(tài)信息需實(shí)時(shí)解算?？紤]到以上方面，綜合系統(tǒng)的性能、功耗和可擴(kuò)展性的考慮，本文選取ST 公司的STM32F769 芯片作為系統(tǒng)的處理器。STM32F769 是意法半導(dǎo)體（ST）公司基于ARM Cortex-M7 架構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)的一款具有浮點(diǎn)單元芯片，工作頻率高達(dá)216MHz，同時(shí)達(dá)到近似于STM32F427 系列的較低靜態(tài)功耗。擁有六組SPI 口以及四組I2C 模塊，一組QSPI 接口，可實(shí)現(xiàn)串口、USB、以太網(wǎng)多種與PC 的通信方式。多種通信方式接口滿足本設(shè)計(jì)中與傳感器和上位機(jī)的多種通信要求，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的姿態(tài)解算要求可以實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)處理速度。

QSPI 是Motorola 公司推出的SPI 接口的擴(kuò)展，應(yīng)用范圍比SPI 更加廣泛。因?yàn)镾PI 只有一個(gè)8 位發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，所以一次只能傳輸一個(gè)8 位數(shù)據(jù)，QSPI在SPI 協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了隊(duì)列傳輸機(jī)制，可以一次性傳輸多達(dá)16 個(gè)8 位。QSPI 的傳輸過(guò)程不需要CPU干預(yù)，提高了傳輸效率。QSPI 是一種專用的通信接口，可連接單、雙或四條數(shù)據(jù)線。

處理器通過(guò)六條線與Flash 進(jìn)行QSPI 通信，包括一根時(shí)鐘信號(hào)線，一根片選線和四根數(shù)據(jù)線[9]。QSPI傳輸隊(duì)列中，每個(gè)傳輸控制組由一個(gè)命令RAM、一個(gè)發(fā)送RAM 和一個(gè)接收RAM 組成。

本設(shè)計(jì)中采用一個(gè)大小為256MB 的大容量Flash存儲(chǔ)器，型號(hào)為MT25QL256，并通過(guò)QSPI 與處理器通信。選擇這種快速通信Flash 存儲(chǔ)器是為了存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)和姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，不會(huì)丟失，方便處理器隨時(shí)調(diào)用。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，思路清晰，調(diào)用方便：

●系統(tǒng)初始化模塊：首先對(duì)處理器片上資源進(jìn)行初始化，傳感器MPU9250 的初始配置，SPI，UART，RMII 口的初始化。

●微慣性器件數(shù)據(jù)測(cè)量模塊：微處理器通過(guò)相應(yīng)SPI 通信接口讀取慣性測(cè)量單元輸出的數(shù)據(jù)

●姿態(tài)信息處理模塊：此模塊需要處理傳感器輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行姿態(tài)信息的解算，并將重要的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存于Flash 中。

●姿態(tài)信息顯示模塊：系統(tǒng)通過(guò)串口或以太網(wǎng)方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，將姿態(tài)信息在上位機(jī)中顯示。

2.1 信號(hào)采集軟件設(shè)計(jì)

MEMS 傳感器為九軸集成芯片MPU9250，本文通過(guò)SPI 進(jìn)行量程設(shè)定和數(shù)據(jù)采集。首先對(duì)MPU9250進(jìn)行初始化設(shè)置：解除電源休眠狀態(tài)設(shè)置陀螺儀采樣率和陀螺儀低通濾波頻率，設(shè)置加速度計(jì)測(cè)量范圍和加速度計(jì)高通濾波范圍。

MPU9250 內(nèi)部集成了MPU9150 的陀螺儀、加速度計(jì)和AK8963 磁力計(jì)。在芯片內(nèi)部，AK8963 只能通過(guò)I2C 通信。所以需要先置位MPU9250 內(nèi)部磁力計(jì)，然后設(shè)置其I2C 通信地址。

讀取傳感器數(shù)據(jù)模塊：首先進(jìn)行設(shè)置讀取命令，讀取MPU9250 內(nèi)部寄存器0x68，內(nèi)部存儲(chǔ)固定值0x71，若讀出值正確，則SPI 通信時(shí)序正確，這可保證與陀螺儀和加速度計(jì)兩個(gè)傳感器通信成功。磁力計(jì)為內(nèi)部集成AK8963，數(shù)據(jù)通信需要按照I2C 時(shí)序配置完成磁力計(jì)通信，如圖3 所示。

圖3 磁力計(jì)讀取流程圖

2.2 網(wǎng)口通信軟件設(shè)計(jì)

LwIP 是一套可簡(jiǎn)便運(yùn)行的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可以在無(wú)操作系統(tǒng)的平臺(tái)上運(yùn)行，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)且包含完整的TCP協(xié)議，適用于嵌入式系統(tǒng)，在STM32F7 可直接調(diào)用LwIP 集成庫(kù)，易于操作，方便移植。

在移植官方LwIP 庫(kù)時(shí)，只需根據(jù)情況主要修改enternetif.c 文件，在這個(gè)文件中包含了STM32F7 以太網(wǎng)外圍初始化函數(shù)low_level_int，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)包low_level_output 和low_level_intput。ETH_MspInt中設(shè)置RMII 各個(gè)引腳并初始化，注意硬件軟件各個(gè)引腳對(duì)應(yīng)正確。在完成初始化后，調(diào)用MX_Lwip_Process（）函數(shù)，進(jìn)行PING 實(shí)驗(yàn)，ping 成功代表硬件設(shè)計(jì)正確且LAN8742 初始化成功，可進(jìn)行網(wǎng)口通信。

在ping 通后，代表硬件設(shè)計(jì)正確，然后通過(guò)調(diào)用TCP_Client_Init 函數(shù)進(jìn)行TCP 客戶端初始化，初始化過(guò)程需要設(shè)定航姿系統(tǒng)IP 地址和端口號(hào)。在上位機(jī)網(wǎng)口通信界面，確定IP 地址和端口號(hào)是否一致完成網(wǎng)絡(luò)連接，最后調(diào)用TCP_Client_Send_Data（）函數(shù)完成姿態(tài)信息傳送。

IP 地址由兩部分組成，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)。以太網(wǎng)通信時(shí)要保證通信兩方網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)相同，但是主機(jī)標(biāo)識(shí)不能重復(fù)，彼此不同，保證IP 地址的唯一性。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證航姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，采用以高精度6軸慣性傳感器ADIS16485 為核心的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)作為參考系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)硬件電路采集各個(gè)MEMS 傳感器的信號(hào)，在STM32F769 內(nèi)陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算與濾波。航姿系統(tǒng)通過(guò)串口或以太網(wǎng)將測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，運(yùn)用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分別進(jìn)行低動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和高動(dòng)態(tài)單擺實(shí)驗(yàn)，以俯仰角輸出結(jié)果為例，圖4為低動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)姿態(tài)角對(duì)比示意圖，圖5 為單擺實(shí)驗(yàn)時(shí)姿態(tài)角對(duì)比示意圖。

在上述對(duì)比示意圖中，紅色曲線是設(shè)計(jì)系統(tǒng)姿態(tài)角曲線，藍(lán)色曲線是高精度慣性航姿參考系統(tǒng)姿態(tài)角曲線。由以上兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在靜態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)姿態(tài)角數(shù)據(jù)結(jié)果誤差?。辉诘蛣?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，航姿系統(tǒng)對(duì)比參考系統(tǒng)跟蹤能力強(qiáng)，誤差較小；在高動(dòng)態(tài)單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)的航姿系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤載體運(yùn)動(dòng)，但是姿態(tài)角誤差較大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該系統(tǒng)可以在靜態(tài)和低動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量載體姿態(tài)信息，滿足一般低成本航姿系統(tǒng)要求。但在高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，姿態(tài)角誤差大，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究中可通過(guò)算法研究進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

圖4 低動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)姿態(tài)角對(duì)比示意

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 單擺實(shí)驗(yàn)姿態(tài)角對(duì)比示意

本文設(shè)計(jì)的基于MEMS 的低成本航姿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，硬件電路能夠?qū)崿F(xiàn)載體動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量，處理器可實(shí)時(shí)姿態(tài)解算，并實(shí)時(shí)解算姿態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。在以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計(jì)中調(diào)用適合嵌入式的LwIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了小型化的資源占用，擴(kuò)充了航姿系統(tǒng)與上位機(jī)通信方式。該系統(tǒng)為姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的硬件平臺(tái)搭建奠定了基礎(chǔ)。