景号然 ， 王 勇 ， 孙宝来

（1.成都信息工程学院 电 子工程学院，四川 成 都 610225；2.中国科学院 大 气物理研究所LAGEO实验室，北京 1 00029）

科学气球在大气物理、空间科学、遥感等领域具有突出的应用优点[1]。如今科学气球作为高空探测的平台，因为其成本便宜，施放简单，易于维护的优点，一直作为高空探测的重要手段[2]。科学气球因为体积大会在高空飞行过程中受到紊乱气流影响，致使表面风压不同造成随机缓慢的旋转现象，这也将导致挂载吊篮姿态的跟随变化。然而在一些领域需要一种可控的探测平台，这就需要吊篮的姿态可以控制。科学气球在飞行过程中吊篮处于视野观测范围外，需要设计一种搭载在科学气球吊篮内部并且能够实时测量吊篮飞行状态，将实时状态反馈给姿态控制系统，从而实现吊篮的姿态控制，作为科学气球吊篮姿态控制的重要组成部分[3-5]。文中提出了一种姿态测量系统设计和实现，文中描述了硬件设计、软件程序设计和最后测试结果。

1 系统结构及工作原理

科学气球吊篮姿态测量系统分为挂载部分和地基部分，除PC终端将置于地面进行实时监测，其余模块均属于挂载部分，这些模块将跟随科学气球吊篮升空，在科学气球吊篮稳定飞行过程中实现实时测量、运算以及回传数据到地面设备。

挂载部分包括TMS320F28335平台、电子罗盘、地磁传感器、电源、无线数传模块。主要系统结构如图1所示，数据处理核心为TMS320F28335的数字信号控制器（DSCs），外围包括传感器调理板，通信模块，电源模块，外部扩展模块。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

设计中利用底板作为外设及传感器模块连接硬件接口，其中PC端采用RS232连接在底板，单片机采用TTL电平串口连接底板，HM5883和MPU6050采用I2C总线连接到单片机上。系统稳定工作时，HM5883以及MPU6050数据通过单片机发送给TMS320F28335，姿态数据由TMS320F28335发送给PC终端。

2 系统的硬件设计

TMS320F28335为TI公司最新DSPC28X系列32位浮点DSCs（Digital Signal Controllers），具有 150 MHz的时钟工作频率，其芯片内核供电为1.9 V，I/O口供电问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个 SCI口（SCIA、SCIB、SCIC），芯片高性能能够满足系统数据收发和姿态解算的要求。单片机选用STM32芯片，这种芯片是基于ARM Cortex-M3内核，具有72 MHz工作频率，64 kB闪存存储器。

姿态传感器选用应美盛公司的MPU6050芯片，这种微机电姿态传感器为全球首款整合了三轴陀螺仪和三轴加速度运动处理器件，具有131LSBs/°/sec灵敏度，其角度测量范围在±250-±2000°/s。 HMC5883（HMC5883L）是霍尼韦尔公司的高分辨率的磁阻传感器，具有霍尼韦尔公司最先进的（AMP）技术，可以有效的使得罗盘精度控制在1°左右。这里MPU6050和HMC5883均为数字型传感器，芯片分别内嵌16 bit和12 bit ADC模块，量化数据通过I2C总线传出。

图2中为MPU6050电路设计框图，其拥有2条I2C通道，并且通过内部串行通道选择器相连接，图中的连接方式可以组成三轴陀螺仪、三轴加速度和三轴地磁计组成的9轴姿态传感器件；MPU6050的FSYNC和INT连接到STM32上。

图3 HMC5883及MPU6050应用电路Fig.3 Application circuit design of HMV5883 and MPU6050

电路设计如图3中MPU6050供电电压范围为2.375～3.46 V，设计中采用LM1117-3.3 V供电芯片设计，MPU6050有VDD供电电源端以及VLOGIC逻辑电源端口，其供电要求 VDD超前 VLOGIC＞0 ms， 且 VDD上升沿满足＜100 ms，VLOGIC上升沿＜3 ms，VLOGIC连接线上串联10 mH电感可满足要求，SDA与SCL分别为I2C总线的是数据线和控制线连接到STM32单片机的 PB6、PB7，HMC5338地磁极 SDA、和SCL分别连接到MPU6050的AUX_SDA和AUX_SCL端即可组成图1中的9轴传感器。

图4为STM32最小系统电路，利用STM32单片机作为量化数据的预采集处理并与DSCs进行应答式数据传送，这种方式比连续异步传输方式节约系统资源，同时减小DSCs的片上资源消耗和程序复杂程度。设计中考虑STM32获取数据准备完成信号由HMC_INT管脚产生，PA5口连接到HMC5883传感器15管脚，同时串口通道与DSCs的SCITXDB与SCIRXDB连接，用于采样数据交换。

3 系统的软件设计

系统软件设计包括STM32片上程序、DSCs片上程序和上位机显示程序。首先由STM32依次初始化MPU6050和HMC5883，MPU6050初始化包括时钟、陀螺仪量程、加速度量程、I2C与HMC5883连通方式和中断信号产生条件。HMC5883初始化包括设置HMC5883工作模式、更新速率设置和传感器FIFO初始化。

图5为信号处理流程图，模拟信号通过AD采样获得量化数据，对量化数据进行初级平滑滤波后获得采样数据，采样数据通过速率115200串口发送给TMS320F28335，传输过程有0.02%的误差率，当TMS320F28335串口14级缓冲FIFO数据完全载入后会向内核产生SICBRXINT中断信号，内核响应中断并调用中断服务子程序，将FIFO缓冲寄存器中的数据导入到缓存数组中，然后调用四元数解算子函数对采样数据进行解算获取姿态传感的航偏角、俯仰、横滚等姿态数据。最后将姿态数据通过串口发送给PC进行实时更新和显示。

图6为DSCs程序设计流程图。程序采主体采用中断结构设计，将时间轴分成若干片段，使DSCs时分多用，DSCs程序中主要包含：

图4 STM32应用电路设计Fig.4 Application Circuit Design of STM32

图5 姿态数据处理框图Fig.5 Structure diagram of attitude measurement data

图6 DSCs程序设计框图Fig.6 Schematic diagram of the DSCs

在Time0中断服务子程序中，用 CpuTimer0.InterruptCount作为时间片选标志位，通过对其去余操作，使DSCs在不同时间处理不同任务，这在时间逻辑性便于理解和掌握，使用switch-case语句调用过程函数；CpuTimer0.InterruptCount%5=1时，开启串口接收中断开启，数据采用14级FIFO设置，当接收BUFF达到14级后，SCI模块将产生FIFO中断信号通过PIE模块传送给CPU，CPU保存寄存器值以及当前程序指针入栈，响应中断服务子程序更新采样数据缓存数组；同样CpuTimer0.InterruptCount%5=2时，调用COT_IMU（）（姿态解算子程序）获取测量航偏角、横滚角，俯仰角姿态数据；CpuTimer0.InterruptCount%5=4时，DSCs将会调用UPto_PC_SCIC（）函数，把姿态数据编码后发送给上位机，由上位机软件对数据进行解码和动态显示。

图7 显示程序设计框图Fig.7 Schematic diagram of display program

图7为PC上位机程序设计流程图，程序采用以VB+Direct3D显示技术，程序设计中为了让下位机和上位机通信良好，上位机串口采用定时查询方式。当时间达到条件后，系统将对接收数据进行解码了校验，将新的姿态数据赋予D3D对象，等待刷新时重绘图像。

上代码主要描述显示刷新部分，通过调用timer控件更新视角速度可以方便变得调整显示效果，设置其刷新时间通过改变Timer.Interval属性中的值，缩短刷新时间会使得显示效果更佳流畅，通过上位机程序将采样的姿态数据记录下来以便分析。

4 结 果

经过测试和试验，本文中所述姿态测量系统工作稳定，并且能够获取实时姿态信息，其姿态解算速率控制在400 Hz/s，显示刷新速率控制在＞60帧，串口速率设置在115 200 bps，传输误码率在0.02%，下位机上传数据帧数在20帧/s，姿态监控范围：俯仰角-90°至 90°，航偏角-180 至 180°，横滚角-180°至180°，姿态测量准确有效。

图9中对姿态测量系统做了短时间测试获得的监测数据。其中纵向坐标为角度信息，横向坐标为时间信息，（上）（中）（下）三幅子图为单姿态测试，图中可以看出，在14s左右的测量过程中，姿态传感器的响应速度非常灵敏，通过对（下）图中180°到-180°跳变分析，系统响应速度在0.05s左右。由此系统在运行过程中姿态数据更新速度达到20fps，完全能够满足吊篮缓慢运动下对完成姿态测量的要求。

5 结束语

科学气球吊篮在空中的姿态直接影响探测仪器工作，获取科学气球吊篮的姿态信息有助于对吊篮姿态的控制，也是作为姿态控制反馈中的重要环节，姿态测量系统的精度直接影响到姿态控制性能和精度。本文描述的姿态检测系统硬件设计和软件设计，利用TMS320F28335的优越性能，选用MPU6050和HMC5883测量元件实现系统硬件和软件设计，采用D3D技术实现姿态实时监控并且达到预期效果。

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图8 监测界面Fig.8 Interface chart of the system

图9 监测数据Fig.9 Data recording