基于STM32的慣性姿態(tài)模擬系統(tǒng)

王建政,林克賓

（91049 部隊 ,山東 青島 266700）

0 引言

目前，慣性系統(tǒng)以其高精度、長航時、自主性等優(yōu)勢，在航空航天、海洋探測、軍事裝備等方面有廣泛應(yīng)用，由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的造價高昂、其標(biāo)準(zhǔn)的工作要求較高，需要專業(yè)的高精尖設(shè)備輔助。因此，研究一種通用型，能夠迅速模擬各種姿態(tài)的慣性姿態(tài)模擬系統(tǒng)，就變得非常有必要了。

論文提供一種基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式、智能化慣性姿態(tài)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多處理器架構(gòu)，采用MEMS[6]慣性測量組件，采用高精度驅(qū)動算法，使系統(tǒng)完成高精度驅(qū)動、低誤差測量，并加入北斗導(dǎo)航模塊，可以完成快速標(biāo)定和對準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig 1 System architecture

三軸姿態(tài)傳感器主要用于采集載體的方位、偏航和橫滾信息，并將采集到的數(shù)字信息輸送至三軸姿態(tài)采集板，采集板完成對姿態(tài)信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑢⑥D(zhuǎn)換后的結(jié)果送至核心控制板,完成對數(shù)據(jù)的進一步加工解算；核心控制板是系統(tǒng)的核心控制板，主要完成數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動信號生成、系統(tǒng)通信、命令解析和上位機通信等功能，由于核心控制板的任務(wù)量較大，采用分布式多處理器架構(gòu)，各處理器相互配合，共同完成核心控制板的各項功能。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 三軸姿態(tài)傳感器

三軸姿態(tài)傳感器采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，即微機電系統(tǒng)，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置）系統(tǒng)。并采用北斗定位系統(tǒng)輔助定位，目前，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)定的任務(wù)精度，采用的是ADI（亞德諾半導(dǎo)體）公司的ADIS16488慣性測量組件[5]，該組件是一款完整的慣性系統(tǒng)，內(nèi)置一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感器。每個慣性傳感器都實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動態(tài)性能。工廠校準(zhǔn)針對各傳感器的靈敏度、偏置、對準(zhǔn)和線性加速度(陀螺偏置)進行校準(zhǔn)。因此，各傳感器均有其自己的動態(tài)補償公式，可提供精確的傳感器測量。其組成如圖2所示：

圖2 ADIS16488系統(tǒng)框圖Fig 2 Block diagram of ADIS16488 system

ADIS16488是一款自治傳感器系統(tǒng)，當(dāng)存在有效電源時，它會自動啟動。完成初始化過程后，它開始采樣、處理以及將校準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)載入輸出寄存器，通過SPI端口可訪問該數(shù)據(jù)。SPI端口通常連接到嵌入式處理器的兼容端口，連接圖參見圖3。

四個SPI信號支持同步串行數(shù)據(jù)傳輸。復(fù)位線連接到VDD，正常工作期間斷開。在工廠默認(rèn)配置下，DIO2引腳提供數(shù)據(jù)就緒信號；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)寄存器中有新數(shù)據(jù)可用時，該引腳變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖3 ADIS16488接線圖Fig 3 ADIS6488 wiring diagram

這里需要注意的是ADIS16488需要3.3V穩(wěn)定直流電源供電，因此，如果用于采集數(shù)據(jù)的上位機不滿足條件時，需要進行電源轉(zhuǎn)換。

ADIS16488對外采用SPI數(shù)字接口對外通信，采用全雙工工作模式，具有傳輸速度快、當(dāng)進行數(shù)據(jù)采集時，ADIS16488作為從機，進行通信，ADIS16488由于內(nèi)部采用了DSP處理器，轉(zhuǎn)換效率非常高，可以達到2.46ksps，完全可以滿足系統(tǒng)對傳感器采集的需要，其中，ADIS16488的工作模式及配置如表1所示：

表1 ADIS16488的配置Tab 1 The configuration of ADIS16488

2.1.2 三軸姿態(tài)采集板

ADIS16488的封裝接口如圖4所示：

圖4 ADIS16488引腳封裝Fig 4 ADIS16488 pin package

為了使ADIS16488的接口進行匹配，需要使用數(shù)據(jù)采集板，用于匹配接口和電平信息，同時方便進行安裝，接口采集板采用ADI公司配套采集板，如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)采集卡pcb板圖Fig 5 PCB board diagram of a data acquisition card

在該采集板卡基礎(chǔ)上，增加了電源自動適配裝置，采用HT7133芯片，可以適配4V-15V的直流電源，進行穩(wěn)定供電，為ADIS16488提供干凈持續(xù)的3.3V直流電，并為SPI通信提供穩(wěn)定的電平和驅(qū)動。

2.1.3 核心控制板

核心控制板是系統(tǒng)的控制核心，主要完成與三軸姿態(tài)傳感器的的數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)加工與使用、與計算機系統(tǒng)通信、驅(qū)動三軸姿態(tài)平臺等功能，由于核心控制板中的數(shù)據(jù)量大，功能多，單一的處理器很難完成如此艱巨的任務(wù)，因此，采用多處理器架構(gòu)，劃分各個功能模塊，使各功能模塊與相應(yīng)MCU進行功能映射，其中，MCU與各個功能模塊之間的映射關(guān)系如圖6所示：

圖6 多處理器模塊劃分功能映射圖Fig 6 Multiprocessor module partition function mapping

由圖6可以看出，處理器1（MCU1）主要負(fù)責(zé)與三軸姿態(tài)傳感器進行數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)解碼，并將處理結(jié)果反饋給處理器2（MCU2），處理器2為多處理器架構(gòu)中的核心控制模塊，通過CAN總線完成與上位機的通信，對上位機的命令進行解析、執(zhí)行，通過USART（異步串行通信）接口與處理器1和處理器3進行通信，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、平臺驅(qū)動等功能，處理器3與姿態(tài)驅(qū)動平臺進行通信，主要完成步進電機驅(qū)動、PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制、速度調(diào)制等功能，用于執(zhí)行完成對載體的姿態(tài)控制。

處理器主要采用MCU（微處理器），采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6[3-4]，如圖7所示：

圖7 STM32F103ZET6引腳圖Fig 7 STM32F103ZET6 pin diagram

該微處理器為COTEX-M3 32位的RISC（精簡指令集）內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口，供電電壓2.0V至3.6V，滿足一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

該處理器由于具有豐富的可以完成與ADIS16488的直接通信。同時，可以利用PWM定時器，產(chǎn)生PWM波，用于完成與姿態(tài)驅(qū)動平臺之間的通信和速度調(diào)節(jié)。

2.1.4 三軸姿態(tài)驅(qū)動平臺及平臺驅(qū)動板

三軸姿態(tài)驅(qū)動平臺主要完成載體姿態(tài)的驅(qū)動變化，基于經(jīng)費原因，在某型手動三軸姿態(tài)平臺基礎(chǔ)上，對其進行了自動化改裝，加裝了步進電機，并設(shè)計了相應(yīng)的驅(qū)動控制板，利用PWM調(diào)制控制，可以實現(xiàn)平臺的自動高精度姿態(tài)控制和快速調(diào)制。

三軸姿態(tài)驅(qū)動平臺如圖8所示：

圖8 三軸轉(zhuǎn)動平臺Fig 8 The three axis rotating platform

該平臺可以完成Z軸360度，XY軸正負(fù)20度范圍內(nèi)的手動調(diào)制，因此，通過加裝步進電機及其對應(yīng)的驅(qū)動板，完成自動化升級改造。

步進電機驅(qū)動芯片采用東芝公司的THB7128芯片，該芯片可以驅(qū)動57步進電機，最高耐壓40伏，可以進行最多128細(xì)分，最大驅(qū)動電流為3A，該芯片在3d打印機、雕刻機等高精度工業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。其不僅點擊驅(qū)動板如圖9所示：

圖9 步進電機驅(qū)動板Fig 9 Stepping motor drive board

該驅(qū)動板一共三塊，主要完成步進電機的精度調(diào)制和速度控制，采用PWM控制，最大輸出電流為3A。

（1）重要系統(tǒng)軟件介紹：

系統(tǒng)姿態(tài)解算主要采用四元數(shù)算法，這里不再贅述，主要介紹ADIS16488的驅(qū)動及PWM的調(diào)制。

①ADIS16488的數(shù)據(jù)采集

三軸姿態(tài)傳感器主要完成三軸姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集,其中,加載驅(qū)動[1,2]及初始化的代碼如下:

static struct spi_board_info board_spi_board_info[]__initdata = {

#if defined(CONFIG_adis16488)

|| defined(CONFIG_adis16480_MODULE)

{

.modalias = "adis16488",

.max_speed_hz = 2000000, /* max spi clock (SCK) speed in HZ */

.bus_num = 0,

.chip_select = 1, /* CS, change it for your board */

.platform_data = NULL, /* No spi_driver specific config */

.mode = SPI_MODE_3,

.irq = IRQ_PF5,

},

#endif

};

剩下的是初始化和采集數(shù)據(jù)代碼等由于比較常規(guī)，這里不再贅述，可以參考其數(shù)據(jù)手冊實現(xiàn)。

②PWM調(diào)制模塊實現(xiàn)

STM32里面集成了PWM模塊，因此，通過配置其占空比、輸出引腳就可以達到生成PWM波形的目的，可以利用定時器，使PWM波形按照預(yù)設(shè)的時間和時長進行輸出。主要代碼如下：

void PWM_cfg（）

{

TIM_OCInitTypeDef TimOCInitStructure;

//設(shè)置缺省值

TIM_OCStructInit（&TimOCInitStructure）;

//PWM模式1輸出

TimOCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

//設(shè)置占空比，占空比=（CCRx/ARR）*100%或（TIM_Pulse/TIM_Period）*100%

TimOCInitStructure.TIM_Pulse = dutyfactor * 7200 /100;

//TIM輸出比較極性高

TimOCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

//使能輸出狀態(tài) TimOCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

//TIM3的CH2輸出

TIM_OC2Init（TIM3， &TimOCInitStructure）;

//設(shè)置TIM3的PWM輸出為使能

TIM_CtrlPWMOutputs（TIM3，ENABLE）;

}

3 結(jié)論

論文介紹了一種基于STM32的小型化、便攜式慣性姿態(tài)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在載體快速對正、載體狀態(tài)模擬等方面有較高的應(yīng)用價值，后續(xù)將進一步對系統(tǒng)進一步優(yōu)化，增加沖擊力等方面功能，有助于提高裝備測量的高精度、低成本和智能化。