基于STM32F103CBT6微控制器的操控器設(shè)計(jì)

龍瑋潔 李康 夏偉

摘 ?要：設(shè)計(jì)了一種基于微控制器的軍用操控器，該操控器采用了開關(guān)檢測(cè)電路和信號(hào)處理電路，然后通過微控制器自身的片上資源采集開關(guān)信息和霍爾傳感器信息。同時(shí)，將相應(yīng)信息經(jīng)微控制器處理后通過RS422串口轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)換電路發(fā)送給目標(biāo)計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人直升機(jī)的航速和航向進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某型軍用無人直升機(jī)，性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：STM32F103CBT6;微控制器;操控器

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）15-0042-04

Abstract：This paper designs a kind of military controller based on microcontroller. The controller adopts switch detection circuit and signal processing circuit，and then collects switch information and Hall sensor information through microcontrollers own resources on chip. At the same time，the corresponding information is sent to the target computer through RS422 serial port conversion circuit and Ethernet port conversion circuit after being processed by microcontroller，so as to realize coordinated control of speed and course of unmanned helicopter. The design has been successfully applied to a certain type of military unmanned helicopter，and its performance is stable and reliable.

Keywords：STM32F103CBT6;microcontroller;controller

0 ?引 ?言

軍用無人機(jī)能夠完成空中偵察、打擊或電子干擾等任務(wù)，也可被作為靶機(jī)進(jìn)行軍事訓(xùn)練。操控器是軍用無人機(jī)操控領(lǐng)域的基礎(chǔ)產(chǎn)品，用于遠(yuǎn)程遙控?zé)o人機(jī)飛行動(dòng)作，是無人機(jī)飛行必不可少的部件之一，也可應(yīng)用于無人車或無人艇領(lǐng)域。操控器一般部署在有人戰(zhàn)車上，也可與無人機(jī)便攜站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)有軍用無人機(jī)多采用進(jìn)口的民用操控器進(jìn)行飛行控制，國(guó)內(nèi)自研軍用產(chǎn)品較少。民用操控器多采用8位單片機(jī)芯片，性能較低，控制精度還有提高的空間;此外，民用操控器多采用無線Wi-Fi通信，其通信距離較短且容易受到外界干擾，無人機(jī)的飛行任務(wù)會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害無人直升機(jī)的安全，無法滿足軍用無人直升機(jī)控制的可靠性需求。

基于本公司對(duì)軍用操控器的數(shù)據(jù)處理和通信的研究，本文以STM32F103CBT6微控制器為核心，使用了傳感器信號(hào)處理技術(shù)、RS422通信技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)等[1]。軍用操控器獲得了高于8位單片機(jī)的性能，同時(shí)，RS422通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2]，滿足了軍用無人直升機(jī)的控制功能需求和可靠性需求。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

操控器由霍爾傳感器、開關(guān)、控制板、連接器等組成，具有4路控制量和6路開關(guān)量輸出。操控器采用+24 V供電，具有電源開關(guān)和電源指示燈。它包括兩個(gè)霍爾傳感器輸出的4路模擬信號(hào)和3個(gè)開關(guān)輸出的6個(gè)開關(guān)信號(hào)，所有信號(hào)分別經(jīng)過信號(hào)處理電路和開關(guān)檢測(cè)電路進(jìn)行初步處理后，再經(jīng)微控制器STM32F103CBT6轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)，然后經(jīng)RS422接口轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換電路分別轉(zhuǎn)換為RS422信號(hào)和網(wǎng)口信號(hào)輸出，信號(hào)傳輸包括接受和發(fā)送，其原理框圖如圖1所示。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的微控制器STM32F103 CBT6，該芯片是為基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位Cortex-M3內(nèi)核，其時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz。此種型號(hào)的微控制器在工程中使用較多，穩(wěn)定性較C8051F系列和CYPRESS系列單片機(jī)更好。該芯片具有如下特點(diǎn)：

（1）內(nèi)置128 KB可在線編程FLASH ROM和20字節(jié)的片內(nèi)RAM;

（2）具有3個(gè)USART串行接口;

（3）片上集成16通道12位ADC;

（4）支持JTAG接口調(diào)試下載。

2.1 ?電源電路

操控器采用了濾波器加DC/DC隔離電源模塊組成的電源電路，如圖2所示。+24 V直流電源經(jīng)過V6瞬態(tài)抑制二極管進(jìn)行浪涌保護(hù)后，再流入小型EMI濾波器N4，該濾波器集成度高，可有效抑制直流電源線干擾。DC/DC隔離電源模塊N2，支持+18 V～+36 V寬壓直流電輸入轉(zhuǎn)+5 V輸出，+5 V再經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)為+3.3 V給微控制器進(jìn)行供電。DC/DC隔離電源模塊主要特點(diǎn)如下：

（1）支持2：1寬輸入電壓范圍;

（2）具有短路保護(hù)、輸出可關(guān)斷、開關(guān)機(jī)無過沖等特點(diǎn);

（3）輸入輸出之間隔離電壓≤1.5 kV;

（4）信號(hào)地與電源地使用特殊容值的電容連接可抑制其空間輻射。

2.2 ?開關(guān)檢測(cè)電路

由于開關(guān)在閉合動(dòng)作和斷開動(dòng)作的瞬間存在高低電平不穩(wěn)定問題，即伴隨約5 ms～10 ms的電平抖動(dòng)。這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致操控器的開關(guān)信號(hào)誤觸發(fā)或者頻繁觸發(fā)，因此采用了硬件防抖措施來避免這種情況[3]。

而只有電阻和濾波電容的簡(jiǎn)單硬件消抖電路可能會(huì)導(dǎo)致低電平下沖持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)后級(jí)電路危害性大。一般情況下，微控制器A/D采集的I/O引腳最大輸入電壓范圍為0 V到VCC，若下沖電平超出其范圍（如為-2 V時(shí)）且保持時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)對(duì)IO引腳造成不可逆的物理?yè)p傷。針對(duì)該問題，在開關(guān)導(dǎo)線中串接電阻R4可以起到調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的阻尼比作用，降低或消除下沖。串接電阻應(yīng)選擇較小的電阻值，防止開關(guān)閉合瞬間電容C1放電形成的瞬間大電流，同時(shí)有效降低了負(fù)電壓沖擊。此外，為減少靜電對(duì)開關(guān)電路的影響，增加了瞬態(tài)抑制二極管V1進(jìn)行保護(hù)。開關(guān)檢測(cè)電路如圖3所示。

2.3 ?信號(hào)處理電路

霍爾傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)范圍為0 V～+5 V，而微控制器支持的A/D模擬輸入電壓范圍為0 V～+3.6 V，需要運(yùn)算放大器來保證傳感器與微控制器中A/D轉(zhuǎn)換器的跨度匹配，信號(hào)處理電路為電阻分壓和電壓跟隨器組合。本設(shè)計(jì)中選擇了軌對(duì)軌的精密運(yùn)放，可以降低失調(diào)電壓和溫度漂移對(duì)信號(hào)處理精度的影響。此外，電感L1可以限制運(yùn)放輸出電流，降低電流對(duì)微控制器I/O口的沖擊，起到一定的保護(hù)作用。因?yàn)?路傳感器信號(hào)調(diào)理電路均相同，只列出其中一路傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，如圖4所示。

2.4 ?通信接口設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用微控制器STM32F103CBT6片內(nèi)集成的2個(gè)USART串行接口，串行接口1擴(kuò)展出一個(gè)RS422接口，串行接口2通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口。

RS422接口轉(zhuǎn)換電路將串行接口1通過N1芯片轉(zhuǎn)換為RS422電平。RS422的最大傳輸距離可達(dá)1 200米，而且RS422采用平衡發(fā)送和差分傳輸方式，可以抵抗衰減，有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，在增加傳輸距離的基礎(chǔ)上保證傳輸精度。信號(hào)噪聲和電源紋波會(huì)對(duì)RS422通信接口的信號(hào)產(chǎn)生干擾，靜電、浪涌則會(huì)對(duì)元器件造成電流沖擊。為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行退耦合濾波處理，在+5 VD、Z、Y和數(shù)字地DGND之間串入0.1 μF電容以減少噪聲和紋波的影響。在RS422信號(hào)線上串入退耦電阻R7～R10和四線靜電防護(hù)二極管V2和V3，主要實(shí)現(xiàn)放電電路和限壓電路的能量配合，減少靜電、浪涌對(duì)器件的沖擊，其電路如圖5所示。

以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換電路通過N2轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，可以將一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，方便接入以太網(wǎng)。該電路結(jié)構(gòu)小巧，支持RFC2217標(biāo)準(zhǔn)，IC集成度高，性能穩(wěn)定可靠，其電路如圖6所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?軟件基本功能

軟件目的是采集4路模擬信號(hào)和6路開關(guān)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過串口輸出。該軟件功能主要包括：數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)輸出功能。

3.1.1 ?數(shù)據(jù)采集功能

軟件通過微控制器A/D模塊定時(shí)采集霍爾傳感器輸出的模擬量信號(hào)，同時(shí)通過檢查微控制器I/O口狀態(tài)來采集開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)量信號(hào)。系統(tǒng)上電并完成初始化后，每1 ms檢查一次微控制器I/O口，輸出的數(shù)字信號(hào)范圍：0x0000～ 0xFFFF。

3.1.2 ?數(shù)據(jù)處理功能

對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行限幅并采用巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波，將數(shù)據(jù)縮放至0x8000～0x0000～0xFFFF（16位有符號(hào)數(shù)）的范圍，并對(duì)不操作狀態(tài)下的零位設(shè)置死區(qū)。

3.1.3 ?數(shù)據(jù)輸出功能

使能微控制器內(nèi)部2路串口，將數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)按幀輸出，滿足軟件協(xié)議要求。

該軟件設(shè)計(jì)基于模塊化設(shè)計(jì)思想，將軟件分解成若干功能模塊，通過主程序?qū)⑵浣M織起來構(gòu)成。軟件設(shè)計(jì)模塊主要包括：主程序、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集處理、端口初始化、參考電壓設(shè)置、晶振初始化等。主程序框圖如圖7所示。

3.2 ?軟件特色功能設(shè)計(jì)

3.2.1 ?故障檢測(cè)功能

在操控器中，霍爾傳感器和開關(guān)為關(guān)鍵操縱部件和器件，因此對(duì)霍爾傳感器的四個(gè)軸向和開關(guān)工作異常檢測(cè)顯得尤為重要，主要需進(jìn)行上電自檢和周期自檢。

上電自檢主要是在上電初始階段，不操縱操控器，根據(jù)采集到的霍爾傳感器的電壓和開關(guān)的初始化狀態(tài)判斷傳感器輸出和開關(guān)輸出是否正常、是否超出正常工作范圍。

周期自檢主要是在操控器的整個(gè)工作周期內(nèi)對(duì)兩個(gè)霍爾傳感器狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，若霍爾傳感器電壓超出閾值且保持一定周期，則可判斷傳感器斷線，需通過串口向目標(biāo)計(jì)算機(jī)上報(bào)傳感器掉線故障。

3.2.2 ?軟件濾波功能

由于軍用操控器的應(yīng)用電磁環(huán)境較復(fù)雜，操控器可能會(huì)受到周期性干擾和非周期的不規(guī)則隨機(jī)信號(hào)干擾，因此采用了算術(shù)平均值法和中值濾波法來削弱或?yàn)V除干擾信號(hào)[3]。對(duì)于消除周期性干擾，軟件中采用的算術(shù)平均值法就是在每個(gè)周期內(nèi)的20個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)模擬信號(hào)數(shù)據(jù)取樣，然后求20個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。對(duì)于非周期的不規(guī)則隨機(jī)信號(hào)，軟件中采用了中值濾波法，其原理是將采集到的每3個(gè)周期中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排序，然后選擇所有數(shù)據(jù)的中間值，以此防止突發(fā)的脈沖干擾對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響。通過上述兩種算法的融合，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4 ?結(jié) ?論

針對(duì)民用操控器以單片機(jī)為主控芯片控制精度不高的問題及無線通信作為無人機(jī)操控的通信方式存在的傳輸距離短、抗干擾性較弱的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了上述軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，充分利用高性能微控制器自身的片上資源，完成開關(guān)檢測(cè)、A/D采集和串口通信功能，實(shí)現(xiàn)的軍用操控器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集精確;采用RS422通信，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，具有較高的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某型軍用無人直升機(jī)上，完全符合工程要求，性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，解決了以往民用操控器在使用中的技術(shù)問題。

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作者簡(jiǎn)介：龍瑋潔（1987—），女，漢族，重慶人，電子工程師，工程師，碩士，研究方向：人機(jī)操控技術(shù);李康（1990—），男，漢族，江蘇徐州人，電子工程師，工程師，碩士，研究方向：人機(jī)操控技術(shù);夏偉（1981—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，研發(fā)副部長(zhǎng)，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：軸角轉(zhuǎn)換技術(shù)、人機(jī)操控技術(shù)。