基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的VB实现毕业论文.doc

毕业设计说明书毕业设计说明书 题题 目 目 基于单片机数据采集的姿态导航仿真器基于单片机数据采集的姿态导航仿真器 及仿真界面的及仿真界面的 VB 实现实现 学学 院 院 信息工程学院信息工程学院 专专 业 业 自动化自动化 学学 号 号 姓姓 名 名 指导教师 指导教师 完成日期 完成日期 2011 年年 5 月月 毕业论文 设计 任务书毕业论文 设计 任务书 论文 设计 题目 基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的 VB 实现 学号 2006 姓名 专业 自动化 指导教师 系主任 一 主要内容及基本要求 设计主要内容 了解捷联惯导基本算法原理 使用STC12C5A60S2单片机 A D采集功能搭建姿态导航数据仿真器 通过串口输出导航数据 PC机在VB搭建的界 面实现相应导航姿态的界面仿真 主要技术指标 1 数据仿真器能输出四个通道的导航数据 2 仿真界面能实现数据的实时采集曲线 3 仿真界面能实现姿态导航数据 横滚角 俯仰角 航向角 3D 空间姿 态 三维地理位置轨迹 实时显示 4 仿真界面具有对实时数据保存为表单 并能从表单读取导航数据进行 演示的功能 5 仿真界面能自动生成导航数据进行仿真的功能 6 仿真界面能输出系统状态量的截图功能 基本要求 1 了解捷联惯导基本算法原理 2 设计数据仿真器的电路 包括基于单片机的软硬件设计 3 设计 VB 环境下导航数据仿真界面 4 系统联机调试 5 完成毕业论文设计说明书和相应的电子文档 二 重点研究的问题 1 捷联惯导基本算法原理 2 单片机系统方案设计 3 仿真界面的设计 4 硬件设计与制作 三 进度安排 序号各阶段完成的内容完成时间 1收集资料 撰写开题报告12 月 12 日 1 月 15 日 2阅读捷联惯导内容的资料3 月 1 日 3 月 20 日 3数据仿真器系统设计3 月 21 日 4 月 7 日 4数据仿真器系统调试4 月 8 日 4 月 15 日 5仿真界面软件设计4 月 16 日 4 月 24 日 6数据仿真器和仿真界面联机调试4 月 25 日 4 月 27 日 7撰写毕业设计说明书4 月 28 日 5 月 20 日 8毕业设计答辩 四 应收集的资料及主要参考文献 1 陈哲 捷联惯导系统原理 M 北京 宇航出版社 1986 12 2 杨辉先 黄辉先 单片机原理及应用 M 长沙 国防科技大学出版社 2003 3 3 谭浩强 薛淑斌 袁玫 Visual BASIC 程序设计 M 北京 清华大学出版 2000 1 4 赖寿宏 微型计算机控制技术 M 北京 机械工业出版社 2000 5 5 康华光 电子技术基础 模拟部分 第四版 M 北京 高等教育出版社 1999 6 6 阎石 数字电子技术基础 第四版 M 北京 高等教育出版社 1997 12 毕业论文 设计 评阅表毕业论文 设计 评阅表 学号 姓名 专业 自动化 毕业论文题目 基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的 VB 实现 评价项目评 价 内 容 选题 1 是否符合培养目标 体现学科 专业特点和教学计划的基本要求 达到 综合训练的目的 2 难度 份量是否适当 3 是否与生产 科研 社会等实际相结合 能力 1 是否有查阅文献 综合归纳资料的能力 2 是否有综合运用知识的能力 3 是否具备研究方案的设计能力 研究方法和手段的运用能力 4 是否具备一定的外文与计算机应用能力 5 工科是否有经济分析能力 论文 设计 质量 1 立论是否正确 论述是否充分 结构是否严谨合理 实验是否正确 设 计 计算 分析处理是否科学 技术用语是否准确 符号是否统一 图表 图纸是否完备 整洁 正确 引文是否规范 2 文字是否通顺 有无观点提炼 综合概括能力如何 3 有无理论价值或实际应用价值 有无创新之处 综 合 评 价 评阅人 2011 年 5 月 日 毕业论文 设计 鉴定意见毕业论文 设计 鉴定意见 学号 专业 自动化 毕业论文 设计说明书 60 页 图 表 45 张 论文 设计 题目 基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的 VB 实现 内容提要 本文根据捷联式惯导原理 利用单片机技术搭建导航数据仿真器 并在 VB 环境下设计导航仿真界面实时直观的表现位 姿态曲线 文章先介绍了论文研究的目 的和意义 捷联式惯导系统算法原理 接着概述单片机技术 VB 开发环境的一些基 本概念 详细介绍了基于 51 内核的 STC12C5A60S2 单片机功能 再对数据仿真器系 统方案进行论证 重点分析了硬件电路的搭建和各个模块功能 具体阐述了单片机软 件设计算法和 VB 仿真界面的设计原理 最后对整个系统进行联机调试 最终完成系 统的设计 指导教师评语 指导教师 年 月 日 答辩简要情况及评语 答辩小组组长 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任 年 月 日 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 引 言 3 1 1 课题的理论意义和应用价值 3 1 2 捷联惯导系统发展概况 3 1 3 本课题的主要研究内容 4 第二章 捷联惯导系统原理 5 2 1 常用坐标系 5 2 2 惯性导航基本原理 6 2 3 捷联惯导系统原理 7 第三章 系统方案的确定 9 3 1 上下位机通信方式 9 3 1 1 基本通信方式 9 3 1 2 串口通信方式的基本原理 9 3 1 3 系统通信方式 10 3 2 下位机系统方案确定 10 3 2 1 系统结构图 10 3 2 2 系统原理图 11 3 3 上位机系统方案确定 12 3 3 1 上位机开发环境确定 12 3 3 2 上位机系统原理图 13 4 1 MCU 选型 15 4 2 电源稳压模块选型 17 4 3 串口通信模块选型 18 第五章 硬件电路设计 19 5 1 ALTIUM DESIGNER 简介 19 5 2 系统总原理图 19 5 2 1 单片机控制电路设计 20 5 2 2 数据采集电路 20 5 2 3 电源电路 20 5 2 4 串口通信电路 20 5 3 PCB 布线图 20 第六章 软件设计 21 6 1 KEIL简介 21 6 2 下位机软件流程图 21 6 3 相关控制程序 22 6 3 1 主程序设计 22 6 3 2 ADC 采样程序 22 6 4 VISUAL BASIC简介 24 6 5 上位机软件结构图 24 6 5 1 数据模块 24 6 5 2 数据实时显示模块 27 6 5 3 姿态显示模块 30 6 5 4 3D 姿态显示模块 32 6 5 5 三维地理位置信息显示模块 34 第七章 系统软硬件调试 36 7 1 下位机软硬件联机调试 36 7 1 1 硬件电路的调试 36 7 1 2 下位机系统调试 36 7 2 上位机软件调试 37 7 2 1 数据实时显示模块 37 7 2 2 实时姿态显示模块 38 7 2 3 3D 姿态显示模块 38 7 2 3 三维地理位置信息显示模块 39 第八章 系统联机测试报告 40 8 1 串口数据在线显示功能测试 40 8 2 其他模块在线功能测试 40 8 3 全部功能模块在线测试 42 致 谢 59 基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的基于单片机数据采集的姿态导航仿真器及仿真界面的 VB 实现实现 摘摘 要 要 本设计介绍了捷联惯导系统算法的基本原理和相关背景 提出了基于单片机输出导航仿 真数据的方案 并通过串口实现上位机接收数据并进行实时姿态的仿真显示 重点分析了硬件各个 功能模块实现 详细阐述了仿真界面算法流程 并对系统进行联机调试 对各个功能模块进行了全 面的测试 达到了系统各项要求 关键字 关键字 捷联惯导 单片机 导航 仿真 串口 调试 Simulator of Attitude navigation based on single chip of data acquisition And Simulation interface in Visual Basic Abstract This design introduces the algorithm of SINS basic principles and relevant background Navigation proposed simulation data output based on single chip solution and the host computer receive data and display real time simulation of attitude from the serial port Analyzed the various functional modules of the hardware described in detail algorithm flow simulation interface and debugging the system online each functional module of a comprehensive test Meet the requirements of the system Key Words SINS Microcontroller Navigation Simulation Serial port Debugging 第一章第一章 引引 言言 1 1 课题的理论意义和应用价值课题的理论意义和应用价值 捷联式惯导系统成为了惯性导航系统的主流 并广泛应用于军事 民用的各个领域 计算机技术的发展 使得捷联式惯导系统的设计与分析工作 可以首先在计算机上进行 使 得在此基础上的捷联惯导硬件系统的设计更具有方向 更加灵活 通常 惯导平台是以完 全的算法仿真 输出文本数据的形式呈现的 这样以文本数据形式的输出不够直观 形象 本文中在 VB 环境下开发的捷联惯导仿真平台 将导航数据直观表达直观出位置 姿态 曲线 1 2 捷联惯导系统发展概况捷联惯导系统发展概况 惯性导航系统是导航技术领域内的重要分支 是一种不依赖于任何外部信息 也不向外部辐射能量的自主式导航系统 这就使其不但具有很好的隐蔽性 而且工作 环境不仅包括空中 地球表面 还可以在水下 惯导所提供的数据十分完全 它除了 能提供载体的位置和速度外 还能给出航向和姿态角 而且 它具有数据更新频率高 短期精度和稳定性好等优点 所有这些 使惯性导航系统在军事导航以及民用导航领 域中起着越来越大的作用 具有良好的发展前景 捷联惯导系统是惯性导航发展的的趋势 发展非常快 回顾捷联惯导的发展 早在 1956 年美国就有了捷联惯导系统的专利 但当时由于缺乏适用于捷联式的导航元件和 计算机 所以无法实现 60 年代初期 美国联合飞机公司哈密尔顿标准中心研制的 L 入 fASA 捷联系统 首先在 阿波罗 登月舱中得到应用 随后 Honewen 公司的 H 一 401 型 S 则 S 成功地制导了普莱姆飞行器 60 年代后期 捷联系统有了很大的发展 1966 一 1973 年 美国联合公司制造的 SINS 先后装备了登月舱 三级火箭 登月舰 等 美国海军 空军于 1969 年决定为飞机和导弹研制捷联式导航惯性导航系统 其中 较为出色的有 洛克韦尔公司研制的采用静电陀螺的中等精度低成本机载捷联式系统 MTCRON Honeywell 公司的激光陀螺捷联系统 LINS 前者定位精度为 1nmile h 测速精度为 5ft s 平均 无故障时间为 200Oh 后者的定位精度也是 1nmile h 测速精度则为 3ft s 平均无故 障时间为 2500h 由于捷联惯导系统有诸多的优点 国外先进国家己在各类飞机 包括 预替机 战略轰炸机 运输机斗机以及民航客机等 水面舰艇 航母和潜艇普遍装备 有惯导 甚至坦克 装甲车以及地面车辆也都打算装备惯导 我国惯导系统起步较晚 惯性导航系统的研制从 70 年代开始 经过三十多年 的预研与技术攻关 走过了从液浮 陀螺 加速度计 到挠性 从平台到捷联 从纯 惯性导航到惯性 GPS 组合导航的过程 目前 我国自行研制的第一代中等精度 高等精度挠性平台式惯性导航系统己发展成一个系列 并已经批量装机使用 低成 本 中等精度的小型捷联惯导系统相关技术研究挠性捷联惯导己经进入生产 但由 于受国内制造工艺技术水平的限制和国外技术先进国家的技术封锁 高等精度的激 光陀螺 光纤陀螺还处在研制阶段 微机械惯性仪表还处在萌芽期 121 现在我国 自行设计的导弹和卫星用的惯性仪表与系统已投入小批量生产 运载火箭向太平洋 发射的成功 标志着这些惯性技术己经达到了相当的水平 1 3 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 本课题在阐述捷联惯导系统算法的原理下 提出了基于单片机的数据采集的导航 数据输出器的方案 即通过单片机输出解算后的的导航数据 并在 VB 环境下建立仿 真界面 直接将导航数据直观的显示出来 通过本系统能更好理解各个导航数据量之 间的关系 在已知导航解算数据的情况下 也可作为直观显示界面一种方案 第二章第二章 捷联惯导系统原理捷联惯导系统原理 2 1 常用坐标系常用坐标系 惯性导航系统用到了大量的坐标系的变换及角度变换运算 因此在介绍惯性导航 原理之前有必要明确几种常用坐标系的定义及关系 l 惯性坐标系 ei ii O X YZ 坐标系的原点选在地球的中心 轴沿地轴指向北极的方向 轴则在 e O Z e O X e O Y 地球的赤道平面内 并与轴构成右手直角坐标系 该坐标系相对惯性空间静止或 e O Z 保持匀速直线运动 2 地球坐标系 ee ee O X Y Z 坐标系原点位于地心 轴与地球极轴重合 轴指向格林尼治经线 ee O Z ee O X ee O Y 轴指向东经 90 度 该坐标系与地球固连 并相对惯性坐标系以地球自转角速度旋 ie 转 15 04107 小时 ie 3 地理坐标系 ttt OX YZ 坐标系的原点选在载体重心处 地理坐标系的坐标轴有几种不同的设置方式 一 般情况下有两种 东北天坐标系和北东地坐标系 不管哪种设置方式都采用右手坐标系 本文采用东北天坐标系 即水平指东 水平指北 沿垂线方向指天 t OX t OY t OZ 4 导航坐标系 导航坐标系是在导航时根据导航系统工作的需要而选 nnn OX Y Z 取的作为导航基准的坐标系 一般情况下把导航坐标系选得与地理坐标系重合 也可 选为水平面 与地理坐标系重合 方位上有一个夹角 本文的导航坐标系选为 nn OX Y 地理坐标系 5 平台坐标系 ppp OX Y Z 平台坐标系的说法来源于平台式惯性导航 即惯导系统中与物理平台台体固连的 坐标系 在惯导的整个工作过程中 平台坐标系在原理上跟踪导航坐标系 当惯导系 统不存在误差时 此坐标系与导航坐标系重合 当存在误差时 两坐标系之间的夹角即 为对小型捷联惯导系统相关技术研究准误差角 或称失准角 而在捷联惯导中 平台 坐标系是通过存储在计算机中的姿态矩阵来实现的 6 舰船坐标系 b bb OX Y Z 舰船坐标系的作用是体现舰船相对与当前地理坐标系的摇摆 偏航 纵摇 横摇 程 度 因此 这种坐标系与舰船固连 原点为舰船重心 同时 在坐标轴方向设置时要 考虑与地理坐标系的设置相符 因此选定 指向舰船右舷 轴沿舰船舷尾线 b OX b OY 方间并指向舰舷 垂直于舰船甲板面向上 构成右手坐标系 b OZ 2 2 惯性导航基本原理惯性导航基本原理 惯性导航系统是一种典型的自主推算定位系统 假设载体的初始位置已知 利用 惯性测量元件 陀螺仪 加速度计等 测得的运载体相对惯性空间的线加速度和角速度 根据牛顿惯性定理就可推算出载体当前时刻的速度和位置 设载体从初始位置沿地球表面以航向 C 航速航行 东向和北向速度分 00 0 V 量分别为和气经过时间 t 后到点 t 时间内载体在南北 东西方向的航程 0E V 0N V 分量分别为和 如视地球是一半径为 R 的圆球体 则有 N S E S 2 2 1 0 t NN SV dt RR 2 2 2 0 0 cos cos t EE VS dt RR 得到当前经纬度 2 2 3 0 0 0 0 0 0 cos t N t E V dt R V dt R 同理 对于速度分量可采用以上方式类推 2 2 4 0 0 0 0 t NNN t EEE VVa dt VVa dt 因此如果己知载体初始经纬度及初始速度 只要测得当前载体相对地球的加速度 分量经过两次积分过程即可确定载体的位置 设载体相对地球运动的转动角速度为 直线速度 直线加速度 地球自转 ep e V e V 角速度 重力加速度 g 引力加速度 地心到载体的向径 r 惯导系统使用加速 ie m g 度计来获得载体相对地球的加速度的 但实际上加速度计测量到的加速度包括 l 载体相对地球运动的加速度 2 2 5 ceepe VVa 2 哥氏加速度 2 2 6 2 ciee Va 3 重力加速度 重力加速度包括引力加速度和向心加速度 2 2 7 mieie gg 依据以上分析 加速度计感测的单位质量物体的力为 2 2 8 2 eieepe VVgf 这个力称之为比力 式 2 2 8 称为惯性导航系统的比力方程 将这个方程重新写 为 2 2 9 2 eieepe VfVg 式 2 2 9 即为惯导系统的基本方程 从但从比力方程看 加速度计所感测到的物理量除了我们想知道的这个加速度以 外 还有其他一些物理量 这些量显然是我们所不需要的 它们 2 ieepeVg 小型捷联惯导系统相关技术研究的存在 将严重影响加速度计测量的准确性 因此 通常把它们称为有害加速度 加速度计无法分辨出载体相对加速度和有害加速度 因 此必须从加速度计的输出中将有害加速度补偿掉 才能准确测出载体相对运动的直线 加速度 其实 只要我们合理地选择加速度计的安装方式 是可以大大简化补偿工作 的 如将加速度计水平安放在一个平台上 其敏感轴与平台太面平行 并让该平台始 终保持水平 这时 该加速度计能感受到的比力中已经不含重力加速度这一项了 2 2 10 2 eieepe VVf 只要从加速度计测得的比力中将有害加速度补偿掉 即可得到准 2 ieepe V 确的载体相对地球运动的直线加速度 e V 2 3 捷联惯导系统原理捷联惯导系统原理 2 3 1 捷联惯导系统基本原理捷联惯导系统基本原理 捷联惯导和平台惯导之间的主要差别就是捷联惯性敏感元件 陀螺仪和加速度计 直 接安装在载体上 不再需要稳定平台和常平架系统 陀螺仪测量的是角速率而不是角 位移 加速度计的输入轴也不是保持在已知的确定方向 导航坐标系的轴向 测量的是 沿载体坐标系轴向的比力信息 计算机根据惯性元件的测量值进行实时的姿态矩阵解 算 并通过姿态矩阵把加速度计测得的比力信息变换到导航坐标系后再进行导航计算 并从姿态矩阵的有关元素中提取航向和姿态角信息 捷联惯导的基本系统组成和信号流程可以用图 2 1 描述 捷联式惯导系统的工作概 意大致如下 图 2 1 捷联式惯导系统组成框图 系统启动后 首先依据陀螺仪组件和加速度计组件的输出信息对姿态矩阵的初值 进行校准 这个过程称为初始对准 初始对准完成后 系统正式进入工作状态 陀螺仪 组件输出的载体相对惯性空间转动的角速度在载体坐标系上的分量 b ib 和导航计算机计 算的导航坐标系相对惯性空间的转动角速度 b in 对载体的姿态矩阵实时更新 从更新 后的姿态矩阵中提取出载体的姿态角和航向信息 再用更新后的姿态矩阵将加速度计组 件测得的载体相对惯性空间的比力在载体坐标系三个轴上的分量变换到导航坐标系上 对有害加速度进行补偿后 就可以得到相对所选定的导航坐标系的速度和位置等信息 将该信息转换到地球坐标系上 可以得到地球上的速度和位置信息 其中载体的姿态量包括 航向角 0 2 横滚角 俯仰角 地理位置信息包括 经度 纬度 海拔高度 2 2 第三章第三章 系统方案的确定系统方案的确定 3 1 上下位机通信方式上下位机通信方式 3 1 1 基本通信方式基本通信方式 计算机的数据传送有并行数据传送和串行数据传送两种方式 并行数据传送的特点 在同一时刻 多个数据位同时传送 传送速度快 效率高 但并行数据传送有多少数据位就需要多少根数据线 因此传送成本高 并行数据传送 比较适用于短距离 大批量的数据传送 如计算机内部的数据传送一般是采用并行方 式的 串行数据传送的特点是 数据传送按位顺序进行 最少只需一根传输线即可完成 成本低但速度慢 计算机与外界的数据传送大多数是串行的 其传送的距离可以从几 米到几千公里 3 1 2 串口通信方式的基本原理串口通信方式的基本原理 串口通信的概念非常简单 串口按位 bit 发送和接收字节 尽管比按字节 byte 的并行通信慢 但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数 据 它很简单并且能够实现远距离通信 比如 IEEE488 定义并行通行状态时 规定设 备线总常不得超过 20 米 并且任意两个设备间的长度不得超过 2 米 而对于串口而言 长度可达 1200 米 典型地 串口用于 ASCII 码字符的传输 通信使用 3 根线完成 1 地线 2 发送 3 接收 由于串口通信是异步的 端口能够在一根线上发送数据同时在另一 根线上接收数据 其他线用于握手 但是不是必须的 串口通信最重要的参数是波特 率 数据位 停止位和奇偶校验 对于两个进行通行的端口 这些参数必须匹配 a 波特率 这是一个衡量通信速度的参数 它表示每秒钟传送的 bit 的个数 例 如 300 波特表示每秒钟发送 300 个 bit 当我们提到时钟周期时 我们就是指波特率例 如如果协议需要 4800 波特率 那么时钟是 4800Hz 这意味着串口通信在数据线上的 采样率为 4800Hz 通常电话线的波特率为 14400 28800 和 36600 波特率可以远远大 于这些值 但是波特率和距离成反比 高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信 典型的例子就是 GPIB 设备的通信 b 数据位 这是衡量通信中实际数据位的参数 当计算机发送一个信息包 实际 的数据不会是 8 位的 标准的值是 5 7 和 8 位 如何设置取决于你想传送的信息 比 如 标准的 ASCII 码是 0 127 7 位 扩展的 ASCII 码是 0 255 8 位 如果数据 使用简单的文本 标准 ASCII 码 那么每个数据包使用 7 位数据 每个包是指一个 字节 包括开始 停止位 数据位和奇偶校验位 由于实际数据位取决于通信协议的选 取 术语 包 指任何通信的情况 c 停止位 用于表示单个包的最后一位 典型的值为 1 1 5 和 2 位 由于数据是 在传输线上定时的 并且每一个设备有其自己的时钟 很可能在通信中两台设备间出 现了小小的不同步 因此停止位不仅仅是表示传输的结束 并且提供计算机校正时钟 同步的机会 适用于停止位的位数越多 不同时钟同步的容忍程度越大 但是数据传 输率同时也越慢 d 奇偶校验位 在串口通信中一种简单的检错方式 有四种检错方式 偶 奇 高和低 当然没有校验位也是可以的 对于偶和奇校验的情况 串口会设置校验位 数据位后面的一位 用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位 例如 如 果数据是 011 那么对于偶校验 校验位为 0 保证逻辑高的位数是偶数个 如果是奇 校验 校验位位 1 这样就有 3 个逻辑高位 高位和低位不真正的检查数据 简单置位逻辑高 或者逻辑低校验 这样使得接收设备能够知道一个位的状态 有机会判断是否有噪声 干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步 3 1 3 系统通信方式系统通信方式 在单片机芯片中 已经集成了全双工的串行接口电路 通用的异步接收 发送器 UART 综合本系统设计要求 利用单片机现成的串口资源与 PC 端的上位机通信 既可以满足通信速率上的要求 又能减少并行通信的成本和电路的复杂度 综上从实际出发本设计采用串口通信 波特率 14400 bit s 数据位 8 位 停止位 1 位 无奇偶校验位 3 23 2 下位机系统方案确定下位机系统方案确定 3 2 1 系统结构图系统结构图 前面介绍了捷联惯导系统的基本原理 可知经捷联惯导算法解算出来姿态参数 俯仰角 横滚角 航向角 以及空间位置参数 经度 纬度 海拔高度 下位机 是通过单片机来模拟解算后的导航数据输出器 结合本人现有的一些硬件资源 一个 玩具的遥控器 整合后得出下位机系统框图 图 3 2 1 图 3 2 1 系统结构图 MCU 控制部分 负责 A D 转换并处理后 串口发送采集数据来模拟导航解算数据 四通道数据输入 四通道数据输入使用现成玩具遥控器的壳体 如图附录 D 其 两个遥控手柄共集成了四个电位器 其具体结构如图 3 2 3 所以模拟数据用了四个通 道 根据系统采样串口通信 确定串口通信数据格式为每一帧 8 个字节 每两个字节 代表一个通道 RS232 串口输出 用于解决 CMOS 与 TTL 电平之间转换 下载 MCU 程序以及输 出实时采集的各个通道的数据都要通过 RS232 串口 电源电源部分 给整个下位机各个模块工作提供电压 本系统外接 7 2V 电池 3 2 2 系统原理图系统原理图 依题目要求 根据尚需的系统结构图和原理分析 结合模拟电子技术 单片机技 术等知识 并从实际出发充分考虑到设计成本和周期 设计系统的原理图 图 3 2 4 MCU 控制RS232 串口四通道数据输入 电源供电 数据输出 电池 系统 5V 电源供电 MCU STC12C5 A60S2 RS232 串口 MAX232 四通道数据采集 复位 起振 系统 指示 电路 图 3 2 2 系统原理图 系统以宏晶公司的高性能 STC12C5A60S2 单片机为主控 MCU 大大增加了系统 的数据处理和控制能力 充分利用了其集成的内部资源 10 位的 A D 转换模块 既满足 了系统对数据采集精度的需要 又在很大程度上减少了外围器件 节约了系统的空间 串口部分使用通用的 MAX232 集成芯片稳定可靠 起振电路是 MCU 工作的必要条件 手动复位 指示电路电路方便测试 而系统 5V 电源供电模块为了减少系统复杂程度 增加可靠性使用三端集成稳压芯片 而外接电池使用 7 2V2000mAH 的 Ni Cd 电池 3 33 3 上位上位机系统方案确定机系统方案确定 3 3 1 上位机开发环境确定上位机开发环境确定 Visual Basic 语言简介语言简介 Visual Baisic 语言是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言 从任何标准来说 它源自于 BASIC 编程语言 VB 拥有图形用户界面 GUI 和快速 应用程序开发 RAD 系统 可以轻易的使用 DAO RDO ADO 连接数据库 或者 轻松的创建 ActiveX 控件 程序员可以轻松的使用 VB 提供的组件快速建立一个应用程 序 语言特性语言特性 Visual Basic VB 的中心思想就是要便于程序员使用 无论是新手或者专家 VB 使 用了可以简单建立应用程序的 GUI 系统 但是又可以开发相当复杂的程序 VB 的程 序是一种基于窗体的可视化组件安排的联合 并且增加代码来指定组件的属性和方法 因为默认的属性和方法已经有一部分定义在了组件内 所以程序员不用写多少代码就 可以完成一个简单的程序 过去的版本里面 VB 程序的性能问题一直被放在了桌面上 但是随着计算机速度的飞速增加 关于性能的争论已经越来越少窗体控件的增加和改 变可以用拖放技术实现 一个排列满控件的工具箱用来显示可用控件 比如文本框或 者按钮 每个控件都有自己的属性和事件 默认的属性值会在控件创建的时候提供 但是程序员也可以进行更改 很多的属性值可以在运行时候随着用户的动作和修改进 行改动 这样就形成了一个动态的程序 举个例子来说 窗体的大小改变事件中加入 了可以改变控件位置的代码 在运行时候每当用户更改窗口大小 控件也会随之改变 位置 在文本框中的文字改变事件中加入相应的代码 程序就能够在文字输入的时候 自动翻译或者阻止某些字符的输入 VB 的程序可以包含一个或多个窗体 或者是一个 主窗体和多个子窗体 类似于操作系统的样子 有很少功能的对话框窗口 比如没有 最大化和最小化按钮的窗体 可以用来提供弹出功能 综上本设计使用 Visual Basic 6 0 作为上位机开发环境 1 VB 具有友好的编程界面和简便的操作方法 能快速建立的符合要求的交互窗 口 2 集成 ActiveX 控件 本系统用到串口通信只需要用到 MSCOMM 控件 而不必 从底层开发驱动 使用方便 3 基于事件驱动方式在本系统在有明显优势 3 3 2 上位机系统原理图上位机系统原理图 根据上位机设计任务要求 以及下位机设计思想设计上位机系统原理图如下 图 3 3 1 图 3 3 1 上位机系统原理图 串口数据输入 接收下位机输出数据 数据格式 波特率 14400bit S 数据 位 8 位 停止位 1 位 校验位 无 VB 环境下使用 MSCOMM 控件通过串口进行 通信 内部数据发生器 在没有串口数据输入的情况下 通过内部数据发生器来测试其 他模块 用来进行系统演示 与串口数据输入共组成数据模块 数据实时显示曲线模块 实时姿态显示模块 表盘模式 三维地理位置信息显示模块 3D 姿态显示模块 不同通道的实时曲线显示 航 向 角 横 滚 角 俯 仰 角 实时显示 3D 姿态 纬度 经度 高度 数据模块 串 口 数 据 输 入 内 部 数 据 发 生 器 数据实时显示曲线模块 显示不同通道的实时曲线 能分别设置不同曲线的颜色 样式 禁用曲线 并具有测量标尺 对图表进行整体和局部的缩放显示 自动调整图 表显示标尺 显示各个通道的实时采样值 当前采样个数 能将采样数据保存为 xls 表 单文件 并且能从 xls 表单文件读取数据回放显示 实时姿态显示模块 用表盘模式显示载体姿态的实时状态 航向角 横滚角 俯 仰角 能自动选择数据通道 3D 姿态显示模块 使用 Labview 程序的 CWGraph3D 控件 在虚拟 3D 环境下显示 实时姿态 三维地理位置信息显示模块 同样使用 CWGraph3D 控件 虚拟三维控件坐标系 来显示空间轨迹曲线 以上各个模块都自带模块开关 能随时禁用本模块功能 并且能输出本模块实时截 图 第四章第四章 元器件选择元器件选择 4 14 1 MCUMCU 选型选型 综合本课题设计的要求系统选用 STC12C5A 系列的单片机 该单片机运行速度较 快 兼容 51 单片机内核一样 所以指令和 51 单片机指令相同 图 4 1 1 为该系列单片 机的结构框图 图 4 1 2 为该系列单片机封装为 DIP 40 的引脚功能图 从图 4 1 2 可以 看出该单片机的引脚排布和 51 单片机是一样 只是有些引脚增加了些功能 所以该单 片机接口更丰富 功能更强大 图 4 1 1 STC12C5A 系列单片机结构 高 速 高 可 靠 宽 电 压 低 功 耗 超 强 抗 干 扰 无 法 解 密 可靠 单时钟 1T 8051 CPU 最快指令快 24 倍 Flash 程序寄存器 8 16 20 34 40K 48 52 56 60 62K 数字 RAM 1280 字节 内部 大容量 EEPROM WDT 硬件看门狗 电源监控 1 上电复位 2 掉电复位 3 外部可调 门槛电压复 位 4 外部掉电检测 片内 R C 振荡器 晶体或谐振器 8 通道高速 10 位 A D 25 万次 秒 可实现 12 16 位 A D Timer 0 Timer 1 2 路 PCA 还可当 2 路定时器使用 2 路 PWM PCA CCP 捕获 比较单元 可当 8 16 位 A D 高速 SPI P0 P1 P2 P3 可配置 I O 口 2 3 个串口高速独立 滤波发生器 ISA IAP 另特别增加 Port4 Port5 可配置 I O 口 图 4 1 1 STC12C 系列单片机内部结构图 图 4 1 2 STC12C5A 系列单片机引脚 从图 4 1 2 中可以看出 该单片机运行速度比 51 单片机要快的多 更利于对本系 统中的数据进行处理 片内自带 AD 采样 Flash 程序存储器 看门狗 PWM PCA CCP 等功能 精简了外围 AD 采样器件 其主要特征如下 高速 1 个时钟 机器周期 增强型 9051 内核 速度比普通 8051 快 8 12 倍 宽电压 5 53 3V 2 23 6V STC12LE5A60S2 系列 增加第二复位功能引脚 高可靠复位 可调整复位门槛电压 频率 12MHz 时 无需此功能 增加外部掉电检测电路 可在掉电时 及时将数据保存进 EEPROM 正常工作 时无需操作 EEPROM 低功耗设计 空闲模式 可由任意一个中断唤醒 低功耗设计 掉电模式 可由外部中断唤醒 可支持下降沿 上升沿和远程 唤醒 工作频率 0 35MHz 相当于普通 8051 0 420MHz 时钟 外部晶振或内部 RC 振荡器可选 在 ISP 下载编程用用户程序设置 8 16 20 32 40 48 52 60 62K 字节片内 Flash 程序存储器 擦写次数 10 万 次以上 1280 字节片内 RAM 数据存储器 芯片内 EEPROM 功能 擦写 10 万次以上 ISP IAP 在线可编程 在应用可编程 无需编程器 仿真器 8 通道 10 位高速 ADC 速度可达 25 万次 秒 2 路 PWM 还可以当 D A 使用 2 通道捕获 比较单元 PWM PCA CCP 也可用来再实现 2 个定时器或 2 个外 部中断 支持上升沿 下降沿中断 4 个 16 位定时器兼容普通 8051 的定时器 T0 T1 2 路 PCA 实现 2 个定时器 可编程时钟输出功能 T0 在 P3 4 输出时钟 T1 在 P3 5 输出时钟 BRT 在 P1 0 输出时钟 硬件看门狗 WDT 高速 SPI 串行通信端口 全双工异步串行口 UART 兼容普通 8051 的串口 先进的指令集结构 兼容普通 8051 指令集 有硬件乘法 除法指令通用 I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可 设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 IO 口驱动能力均可达到 20mA 但增个芯片最大电流不得超过 100mA 4 24 2 电源稳压模块选型电源稳压模块选型 由前面的介绍可知 STC12C5A60S2 供电电压为 5V 本系统采用 LM7805 稳压芯 片来为系统提供 5V 电压 图 4 2 1 LM7805 引脚封装图 LM7805 是电子设计中比较常用的三端集成稳压芯片 在输入电压高于输出电压 3 4V 的情况下能稳定输出 5V 并且其需要外围元件极少 电路内部还有过流 过热 及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 相关技术参数如下 输入电压 Vin 36V 输出电压 4 8V Vout 5 2V 典型值 Vout 5V 最大输出电流 Imax 1 5A 典型应用电路如图 4 2 2 图 4 2 2 LM7805 典型应用电路 4 34 3 串口通信模块选型串口通信模块选型 由仿真器设计的方案本设计采用 MAX232 芯片 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的单电源电平转换芯 片 使用 5v 单电源供电 引脚封装如图 4 3 1 图 4 3 1 MAX232 引脚分布图 其主要特点如下 1 符合所有的 RS 232C 技术标准 2 只需要单一 5V 电源供电 3 片载电荷泵有升压 电压极性反转能力 能产生 10V 和 10V 电压 V V 4 功耗低 典型供电电流 5mA 5 内部集成 2 个 RS 232C 驱动器 6 内部集成两个 RS 232C 接收器 第五章第五章 硬件电路设计硬件电路设计 5 15 1 AltiumAltium DesignerDesigner 简介简介 Altium Designer 在电子行业的 CAD 软件中 它当之无愧地排在众多 EDA 软件的 前面 是电子设计者的首选软件 电子专业的大学生在基本上都学过 所以学习资源 也最广 Altium Designer 具有整合式的元件于元件库 版本控制 多重组态的设计 重复式设计 新的文件管理模式 多屏幕显示模式 设计整合 超强的比较功能 强 化的变更设计功能 可定义电路板设计规则 强化设计验证 设计者可定义元件于参 数 尺寸线工具 改善加强板层分割功能 加强焊点堆栈的定义 改良焊点连接线 波形资料的输出与输入 加强绘图功能 不同波形的重叠 直接在电路板里分析非常 适合选择硬件电路板的开发与制作软件 5 25 2 系统总原理图系统总原理图 根据下位机系统方案设计系统的总的原理图如图 5 2 1 图 5 2 1 系统总原理图 5 2 1 单片机控制电路设计单片机控制电路设计 单片机控制电路由单片机接口电路及其复位电路 振荡电路 滤波电路构成 5 2 2 数据采集电路数据采集电路 数据采集电路主要由四个电位器组成 电位器两端接入 5V 电压 中间抽头输出电 压接入到单片机 AD 采集通道 本电路主要跟玩具遥控器结合在一起的 5 2 3 电源电路电源电路 本系统由 7 2V 电池供电 用 LM7805 实现 5V 供电 两边的电容实现滤波稳压功 能 5 2 4 串口通信电路串口通信电路 根据前面的分析 本设计用 MAX232 芯片跟 PC 机串口通信 芯片只用到 1 个传 输通道 5 35 3 PCBPCB 布线图布线图 图 5 3 1 是电路板的印刷电路板图 本 PCB 图首先确定了以玩具遥控器为壳体确 定了 PCB 形状 充分考虑到了系统元件的的布局布线问题 尽量减少系统的 EMI 布 局大方合理 布线信号损失最小 图 5 3 1 印刷 PCB 图 第六章第六章 软件设计软件设计 6 16 1 KeilKeil 简介简介 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易 学易用 是目前最流行开发 MCS 51 系列单片机的软件 它提供了包括 C 编译器 宏 编译器 连接器 库管理器和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案 通 过一个集成开发环境 uVision 将这些部分组合在一起 6 26 2 下位机软件流程图下位机软件流程图 根据下位机系统要求设计软件流程图如图 6 2 1 主循环 ADC 中断 开始 系统初始化 等待 ACD 中 断 读取 AD 转换值 四个通道转换 完毕 中断返回 串口发送 四通道转换值 图 6 2 1 下位机软件流程图 6 36 3 相关控制程序相关控制程序 6 3 1 主程序设计主程序设计 主程序 函数原型 void main void 形参 无 返回值 无 函数功能 程序工作主程序 初始化系统资源 void main void Uart Init 串口初始化 ADC Init ADC 模块初始化 while 1 循环等待 不做任何事 6 3 2 ADC 采样程序采样程序 ADC 转换中断 函数原型 void ADC Routine void 形参 无 返回值 无 函数功能 AD 转换完毕 读取转换值 当四个通道全部转换完毕后 将数据通过串口发送出去 void ADC Routine void interrupt 5 ADC CONTR ADC CONTR 将 ADC FLAG 清零 EADC 0 禁用 ADC 中断 ad counter if ad counter 4 ad counter 0 switch ad counter case 0 adc data 0 ADC RES adc data 1 ADC RESL break case 1 adc data 2 ADC RES adc data 3 ADC RESL break case 2 adc data 4 ADC RES adc data 5 ADC RESL break case 3 adc data 6 ADC RES adc data 7 ADC RESL Uart String adc data 6 0 break ADC CONTR ADC CONTR ad counter Delay ms 10 ADC CONTR ADC CONTR 0 x08 启动转换 EADC 1 允许 AD 中断 6 46 4 VisualVisual BasicBasic 简介简介 由前面的上位机系统开发环境可知 Visual Basic 是可视化 图形化的开发应用程 序 不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置 而只要把预先建立的对象拖 放到窗口的适当位置上即可 是真正面向对象编程 通过 ActiveX 技术可以使用其他 应用程序提供的功能 6 56 5 上位机软件结构图上位机软件结构图 因为 Visual Basic 是基于事件驱动的编程语言 分析上位机软件分析应该基于特定 的事件来阐述模块功能 以下根据上位机系统原理图分别分析各个模块的结构 6 5 1 数据模块数据模块 A 软件结构图软件结构图 图 6 4 1 数据模块软件结构图 如图 6 4 1 是数据模块各部分结构图 由图可知数据模块数据来自两个部分 串口 和内部数据发生器 正常工作时只能使用其中一个部分的数据 可通过软件界面的按 钮来进行切换 其中串口接收的数据为四个通道的数据 而内部数据发生器产生三个 通道的数据 串口数据 分离出不同通道的数 据驱动其他各个模块 串口接收事件 内部定时器数据发生器 数 据 分 离 器 B 相关软件界面图相关软件界面图 图 6 4 2 串口配置界面 图 6 4 3 内部数据发生器 图 6 4 2 为串口通信端口配置界面 负责配置串口通信数据格式 打开和关闭串口 图 6 4 3 为内部数据发生器控制界面 负责打开和关闭内部数据发生器 并能通过标尺 调节数据产生的时间 以 ms 为单位 C 相关部分源码相关部分源码 串口模块开关按下事件 函数功能 每改变一次开关的状态使串口打开或者关闭 能处理错误 Private Sub CWButton1 ValueChanged ByVal Value As Boolean Dim X As Integer On Error GoTo uerror 发现错误跳转到错误处理 If auto play False And dt flag False And Command11 Caption 动态演示 And Command7 Caption 自动演示 Then If Shape2 BackColor Grey Then 如果是打开 MSComm1 CommPort Combo1 Text 用下拉框端口号 Shape2 BackColor vbRed MSComm1 Settings str Combo2 n str Combo4 str Combo3 MSComm1 PortOpen True Valu