【《某四轴飞行器的硬件和软件系统设计案例》8400字】

某四轴飞行器的硬件和软件系统设计案例第1章硬件系统设计1.1AltiumDesigner简介AltiumDesigner是目前国内最流行的通用EDA软件，AltiumDesigner20是Altium公司在2020年发布的版本，它将电路原理图设计、PCB版图设计、电路仿真、PLD设计以及FPGA设计等多个实用工具组合起来构成EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。与早期Pmtel99SE以及ProtelDXP2004软件相比，AltiumDesigner20功能更加完备、风格更加成熟，并且界面更加灵活操作也简单，在仿真和PFGA电路设计方面有了重大的改进，展示出一个普及型全线EDA产品崭新的面貌。本次毕业设计所有硬件设计部分包括原理图和PCB部分都是使用AltiumDesigner来完成的。1.2四轴飞行器及遥控器电路设计在本次硬件电路设计中，原理图采用把每个模块分幵来绘制，然后在所需接口上使用连接口连接，这使得整个遥控器电路图能够直观的显示其中包括了哪些模块单元，并且每个模块之间的连接也非常清楚。此时不需要去知道每个模块的内部连接，知道模块有哪些可用的接口就可以。1.2.1电源电路设计电源是任何电子系统设计的核心，并且需要的是稳定的电源，电源的是否稳定影响着系统的稳定，因此，电源部分也是重点设计的部分。在本次设计中，由于包括遥控器和飞行器两大部分并且都需要单独供电，都有电源部分电路，在这里重点介绍飞行器的电源电路设计。飞行器电源设计使用1.7V充电锂电池作为电源，给系统供电，但是系统需要两种电源，一是MCU和外设需要稳定的1.3V电源，再者就是飞行器电机的1.7V供电。本次设计所选用的空心杯直流有刷电机在工作的时候，对电压的影响非常大，所以要在保证能给电机供电的情况下还能有1.3V的稳定电压，因此本次设计采用XC6206P332MR（662K）作为1.3V稳压芯片，釆用XC6206P332MR（662K）稳压芯片是因为它具有以下几个优点：•很低的电压差，能确保1.7V电压能稳定到1.3V;•低噪声低功耗设计；•电路极为简单；•精度高纹波小；•低成本低噪声。电源电路设计如图3-1，图3-2所示，其中330mH电感L1在回路电路中起着消除系统运行产生的磁通量，保证电源的稳定；C15和C17两个47uF的电容分别放在稳压芯片的输入和输出两端起着滤波的作用，能更加的稳定电源。周围的小电容同时也起着滤波的作用。图3-1飞行器电源电路原理图图3-2遥控器电源电路原理图1.2.2主控单元电路MCU是系统的核心，从成本和性能以及掌握32位ARM芯片的熟练情况等各方面综合考虑，本设计遥控器和飞行器均采用STM32F103C8T6作为主控芯片，STM32F103C8T6是恩智浦公司推出的低功耗、高集成、高性价比的MCU芯片。STM32F103C8T6基于32位ARMCortex-M内核，主频高达72MHz;具有独立的指令总线和数据总线的哈佛架构，并拥有供外设使用的第三独立总线；内置嵌套向量中断控制器(NVIC)和存储器保护单元(MPU);配备256kBflash、32kBROM.4kBEEPROM和36kBSRAM;支持FSUSB、CAN、RTC、SPI、USART,I2C等外设。程序调试跟下载通过JLINK仿真器SWD模式来进行。STM32F103C8T6具有4路定时器PWM，刚好驱动飞行器的四个电机。因此，STM32F103C8T6是本系统设计的理想选择。MCU最小系统电路原理图如图3-3，图3-4所示。STM32F103C8T6处理器一共有48个引脚，包括电源引脚有12个，外部晶振引脚2个，外部RTC时钟引脚2个，USB引脚2个，30个I/O口引脚。其中30个I/O口引脚中，PIOO—21复用外接复位芯片引脚；PIOO一19、PIO0_20两个引脚复用JLINK仿真调试SWD模式下载的SWCLK和SWDIO引脚;PIO0_0~PIOO一3为SCT定时器产生PWM引脚，同时也复用ADC0通道引脚。PIOO—22、PIOO一23两个引脚分别的硬件I2C的时钟SCL引脚和数据线SDA引脚。STM32F103C8T6引脚还有一种开关矩阵功能，为了使硬件电路设计方便，特有的功能。比如串口的RXD和TXD引脚可以通过软件寄存器配置随意更换引脚而不是固定不变的；硬件SPI引脚也可以通过开关矩阵来配置，这大大减轻了硬件电路设计的难度和幵发时间。图3-3飞行器端MCU最小系统电路原理图图3-4遥控器端MCU最小系统电路原理图1.2.3无线通信模块电路设计本次设计无线通信模块采用的是NRF24L01模块。NRF24L01具有以下特性：•真正的GFSK单收发芯片•内置链路层•增强型ShockBurstTM•自动应答及自动重发功能•地址及CRC检验功能•数据传输率1或2Mbps•SPI接口数据速率0~8Mbps•125个可选工作频道•很短的频道切换时间可用于跳频•与nRF24XX系列完全兼容 •可接受5V电平的输入•20脚QFN44mm封装•极低的晶振要求60ppm•低成本电感和双面PCB板•工作电压1.9〜1.6VNRF24L01无线通信模块的通信距离在不接天线时能达到30M左右，跟MCU之间釆用1MHz的SPI通信协议进行传输，模块与模块之间釆用2.4G无线网络频段通信，其电路原理图如图3-5所示。图3-5NRF24L01无线通信模块原理图MCU引脚NRF24L01引脚功能PA11CE使能发送或接收PB12CSNSPI片选信号PB13SCKSPI时钟信号PB15MOSISPI数据输入脚PB14MISOSPI数据输出脚表3-1NRF24L01引脚与MCU引脚连接对照2.4G无线网络频段属于ISM频段，它是全球范围内被广泛使用的超低辐射绿色环保频段；具有125个通讯信道，因为2.4G无线网络通讯更通畅，多个通讯指令间不会相互干扰；2.4G无线网格带宽传速率最高可以达到108Mbps,因此它的传输速度很快；它的传输距离相对较远（空旷地带：200m有效传输距离），且不受传输方的影响，支持双向通讯。SPI(SerialPeripheralInterface)是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI接口由MOSI(串行数据输入），MISO(串行数据输出），SCK(串行移位时钟），CS(从使能信号）四种信号构成，CS决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由MISO输出，MOSI输入，数据在时钟的上升或下降沿由MISO输出，在紧接着的下降或上升沿由MOSI读入，这样经过8/16次时钟的改变，完成8/16位数据的传输。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=l,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI通信协议时序图如图3-6所示。图3-6SPI通信协议时序图1.2.4惯性测量单元电路设计飞行器硬件电路设计中，最重要的地方就要属于惯性测量单元MPU6050的硬件电路设计。因其封装尺寸太小，并且是QFN的封装方式，焊接难度非常之大。MPU6050是集三轴加速度计和三轴陀螺仪与一起的姿态传感器，MPU6050跟MCU直接釆用400Hz的I2C协议传输数据。MPU6050与MCU之间连接只需两根线，一跟是I2C时钟线SCL与MCU的PIOO—22引脚连接，另一根I2C数据线SDA与MCU的PIOO—23引脚连接。惯性测量单元的电路如图3-7所示。图3-7惯性测量单元电路图在图3-7中，2个10K上拉电阻R13、R12是为了增强驱动能力，MPU6050的七位设备地址是bllOlOOx,最后一位是通过ADO管脚的电平来确定，本设计接的是地，所以设备地址是M101000。MPU6050主要接口是两个引脚，一个是I2C数据线SDA引脚，一个是I2C时钟线SCL引脚。MPU-6050的角速度全格感测范围为土250、土500、±1000与±2000。/sec(dps),可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、1.0V±5%或1.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V±5%。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN),在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。 在MPU6050工作的时候，通过逻辑分析仪采集到I2C通信时的时序图，如图3-9所示。图3-8MPU6050工作时I2C协议时序图如图3-8所示MPU6050工作时的时序图。首先主机也就是飞控端MCU是时钟线保持高电平，数据线被拉低，产生一个起始信号，紧接着主机（MCU)向从机（MPU6050)发送写设备地址信号，这时的设备地址就是MPU6050的器件地址M1010000,最后一位是0表示发送的是写的地址；从机收到设备地址之后返回个ACK,然后主机再向从机发送设备子地址，也就是寄存器地址，从机再返回ACK，接下来当时钟线保持高电平数据线被拉低时再次发送信号，这时发送的是读取设备的地址M1010001，最后位为1是读取；等到从机返回ACK之后主机幵始读取到数据，MCU读取到数据之后，单次通信完成，等待进入下一次通信。1.2.5电机驱动电路设计飞行器硬件电路设计中，电机驱动部分也相当重要。本次所釆用的电机是空心杯820直流有刷电机，电机采用1.7V电源供电，驱动思路是这样的，电机的一端接电源正级，负极端接MOS管，MOS管通过飞行器MCU的PWM来控制它的幵启与关闭从而控制电机转速。四个电机驱动的PWM分别于MCU的PA0,PA1,PA2,PA3引脚连接。其电路原理图如图3-9所示。图3-9电机驱动原理图对于N沟道增强型MOS管SI2302,主要参数如下：晶体管类型：N沟道MOSFET最大功耗PD:1.25W栅极门限电压VGS:2.5V(典型值）漏源电压VDS:20V(极限值）漏极电流ID:2.8A通态电阻RDS(on):0.145hm(典型值）栅极漏电流IGSS:±100nA结温••55。C—150。C直流有刷电机驱动釆用此MOS管，其特性曲线如图3-10所示，由图可知，它的开启电压为1V,当Vgs=2V时其最大的工作电流可以达到4A,完全能达到本次设计要求;R4，R5,R6,R7为单片机I/O口的限流电阻；R8,R9,R10,R11为下拉电阻，防止单片机上电之后I/O口为高电平时电机转动。图3-10SI2302特性曲线图1.2.6蜂鸣器电路设计在遥控器硬件部分中，蜂鸣器有着状态指示的作用，当节点FMQ为高电平时，三极管Q1截止，蜂鸣器无电流，不响。当节点FMQ为低电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器有电流，会响。所以在FMQ节点输入PWM脉冲时，蜂鸣器就会发出响声。电阻R15为上拉电阻，目的为了在FMQ节点悬空时，三极管Q1的基极有一个稳定的高电平。电阻R14为三极管Q1的基极电阻，限制基极电流。三极管Q1起开关管的作用，控制蜂鸣器图3-11蜂鸣器电路原理图1.4PCB设计硬件电路原理图设计完毕之后，接下来就是PCB的设计。本次设计釆用双层电路板印制，遥控器和飞行器均不加外壳，直接使用PCB板作为支架外形，焊接上元器件直接可以使用。1.2.1PCB设计规则在通常情况下，所有的元件均应布置在电路板的同一面上，只有顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，在一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，元件在整个版面上应分布均勻、疏密一致。不同组件在电路板上相临最小间距应在1MM以上。离电路板边缘一般不小于2MM.电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。电路板面尺大于200MM乘150MM时，应考虑电路板所能承受的机械强度。1.2.2PCB设计步骤1.布局设计在PCB中，特殊的元器件是指高频部分的关键元器件、电路中的核心元器件、易受干扰的元器件、带高压的元器件、发热量大的元器件，以及一些异性元器件，不恰当的放置他们可能产生电路兼容问题、信号完整性问题，从而导致PCB设计的失败。PCB尺寸过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗燥能力下降，成本也增加；过小时，散热不好，且临近线条容易受干扰。确定尺寸后，再确定特殊元件的摆放位置。最后，根据功能单元，对电路的全部元器件进行布局。特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则：(1)尽可能缩短高频元器件之间的连接，设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近，输入和输出应尽量远离。(2)一些元器件或导线有可能有较高的电位差，应加大他们的距离，以免放电引起意外短路。高电压的元器件应尽量放在手触及不到的地方。(3)重量超过15G的元器件，可用支架加以固定，然后焊接。那些又重又热的元器件，不应放到电路板上，应放到主机箱的底版上，且考虑散热问题。热敏元器件应远离发热元器件。1.2.3PCB外形设计在本次外形设计过程中，遥控器外设计灵感来自游戏手柄，这样设计的目的是把遥控器能直接握在手里。飞行器外形设计比较复杂，直接用AltiumDesigner软件无法达到效果，要求飞行器外形的四个电机位置必须是关于中心对称，以免不对称导致平衡更加的难以控制，再考虑到这些因素之后，设计采用CAD绘图软件绘制飞行器外形，把绘制好的外框导入到AltiumDesigner软件里面PCB设计keep-out-player层作为外形切割，如图3-12、3-13分别为飞行器和遥控器的PCB图。图3-12飞行器PCB图图3-13遥控器PCB图1.5实物介绍本次毕业设计制作了实物，如图3-14，图3-15所示。图3-14飞行器实物图图3-15遥控器实物图图3-16飞行器硬件焊接图图3-17遥控器硬件焊接图实物操作细节如下所示：上电：首先将飞行器放于水平位置，给飞行器上电，等待MPU6050重置水平数据。第一步必须要这样做，这样做是为防止MPU6050数据不准确从而导致飞行器出现不确定的飞行情况。解锁：解锁过程需要快速将油门拨上再拨下，可以看到飞行器四周的LED灯常亮，说明解锁成功。飞行操作：待飞行器解锁成功之后，左手轻轻推动油门，可以看见飞行器电机慢慢开始转动起来，继续加大油门之后可以使飞行器飞起来，右手可以调整飞行的方向。第4章系统软件设计2.1KeiluVision5简介KeilMDK,也称MDK-ARM,RealviewMDK、I-MDK、uVision5等。MDK-ARM软件为基于Cortex-M、Cortex-R4>ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的幵发环境。MDK-ARM专为微控制器应用而设计，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数苛刻的嵌入式应用。2.2软件设计框图系统软件设计，主要包括遥控器程序和飞行器程序。遥控器主要作用就是采集操控信息发送给飞行器，飞行器的程序是最重要的也是最难的，包括接收无线数据，读取惯性测量单元数据以及处理数据。遥控器和飞行器程序设计流程图如图4-1、4-2所示。图4-1遥控器程序流程图图4-2飞行器程序流程图在遥控器程序设计中，采用循环采集ADC电压并无线发送数据。ADC电压取值范围是0〜2.5V,分辨率为100,采集到数据即为0〜250,并把采集到的电压值存入无线传输缓存Buf数组里面。Buf数组定义为8位数据类型，设置了8位长度，Buf[0]里面存入帧头，Buf[l]里存放油门，Buf!2]存放左边摇杆数据，Buf[3]存入前后方向数据，Buf[4]存入左右方向数据，剩余部分存入按键状态信息。NRF24L01直接将读取的8位数据发送到飞行器端，进行实时控制。在此次飞行器程序设计中，在主程序里面使用了三层while循环，进入初始化之后，首先循环是否检测到NRF24L01芯片，若检测到则往下执行，否则循环等待；其次是循环检测是否有解锁信号，收到解锁信号继续往下执行，否则等待；最后是主循环，循环读取数据并进行处理，电机控制，检测是否有上锁信号，若收到上锁信号，电机停止转动，LED灯停止闪烁，使用goto语句强制跳转到程序初始化，否则继续主循环。在电机控制程序中，釆用芯片自带定时器产生特定的PWM，其频率为20KHz。飞行器MCU通过定时器没2ms产生一次计数，计数5次即10ms读取一次MPU6050的数据并进行一次四元数计算以及PID计算在送给PWM,这10ms的时间里，有大约2ms在接收无线信号，2ms进电机控制程序，剩下时间空闲。这里2ms电机控制程序时间必须是一定的，因为在四元数计算和PID计算都有微分积分时间，这里的2ms既为算法里面微积分的时间。2.3软件调试仿真本次毕业设计使用的是32位ARM芯片，此类芯片都支持JLINK在线硬件仿真调试和下载，跟51相比，在线硬件仿真调试大大缩减的程序的调试时间，并且能够更加直观的观察程序每一步的运行情况，同时处理器中所使用寄存器值的变化也一目了然，非常便于使用。程序在线仿真，主要是通过仿真器使其运行每一步程序然后观察寄存器值的变化来判断程序是否有Bug,对于程序简单的比如LED灯等这些程序，没必要用仿真来调试了。本次毕业设计用到仿真的地方主要有ADC电压采集程序部分，观察采集到的电压值是否准确；另外就是无线模块程序调试的时候，在线仿真调试数据是否发送和接收，并且判断是否正确，最后观察飞行器惯性测量单元MPU6050是否读取到数据部分，这里是仿真调试运用最多的地方。当然，在程序调试比如无线发送和接收部分，也可以通过串口打印显示来调试。2.4飞控程序设计本次飞行器软件设计中，最主要的程序设计部分就是姿态传感器MPU6050数据读取和姿态欧拉角计算再到PID电机控制算法。2.2.1MPU6050数据读取MPU6050数据读取是通过I2C协议跟MCU通信，程序设计直接读取MPU6050寄存器就可以，在此过程中，除了程序本身I2C驱动程序以外，需要编写MPU6050初始化程序和读取数据函数。其流程图如图4-3所示。图4-3MPU6050数据读取流程图MPU6050初始化程序设计中，需要初始化电源管理寄存器PWR-MGMT-1、釆样分频寄存器SMPLRT-DIV、MPU6050配置寄存器CONFIG、加速度计配置寄存器ACCEL—CONFIG、陀螺仪配置寄存器GYRO—CONFIG。各寄存器地址如表4-1所示。地址名地址地址名地址地址名地址ACCEL—XOUTH0x3BACCELYOUTH0x3DACCELZOUTH0x3FACCEL—XOUTL0x3CACCELYOUTL0x3EACCELZOUTL0x40GYROXOUTH0x43GYROYOUTH0x45GYROZOUTH0x47GYROXOUTL0x44GYRO_YOUT_L0x46GYRO—ZOUT—L0x48表4-1MPU6050数据寄存器地址其中设置釆样分频寄存器SMPLRT—DIV初值为0x07,此时陀螺仪釆样率125Hz；寄存器CONFIG的初值设置为0x06为低通滤波5Hz;GYRO一CONFIG寄存器初值设置为0x00，则陀螺仪量程500deg/s;ACCEL—CONFIG寄存器初值为0x00,则设置成为不自检加速度计量程2g，源代码如下所示。voidMPU6050Init(void){constINT8UucData[5]={0x00,0x07,0x06,0x00,0x00};I2CMWriteNByte(SlaveAddress?1，PWR一MGMT一1，&ucData[0]，1);delay一ms(200);I2CMWriteNByte(SlaveAddress?1，SMPLRT一DIV，&ucData[1]，1);//0x07I2CMWriteNByte(SlaveAddress51，CONFIG1，&ucData[2]，1); //0x06I2CMWriteNByte(SlaveAddress?1，GYRO_CONFIG，&ucData[3]，1);//0x00I2CMWriteNByte(SlaveAddress91，ACCEL一CONFIG，&ucData[4]，1);//0x00delay一ms(200);}其中SlaveAddress是MPU6050的设备地址，即为OxdO。读取数据源代码如K：intl6GetData(int8_tREG一Address){uint8_tH，L;I2CMReadNByte(SlaveAddress&0xFE,l，REG_Address，&I2CMRevBuf[0]，1);H=I2CMRevBu_;I2CMReadNByte(SlaveAddress&0xFE，l,REG_Address+1,&I2CMRevBufI[1]，1);L=I2CMRevBuf[l];return(H«8)+L; /*合成数据*/ }其中REG—Address为MPU6050寄存器地址。程序运行时通过GetData()读取数据函数读取所需陀螺仪和加速度计的原始数据。比如需要读取加速度计X轴的数据，直接写入ACcel_y=GetData(ACCEL—YOUT—H)就可以，此时读出的原始数据不能直接用，需要进一步数据处理，才能得到欧拉姿态角。2.2.2姿态计算IMU通过前一步数据读取，然后经过计算才能得到姿态欧拉角，其数据处理流程图如图4-4所示。四元数计算是一个超复数形式的数学计算方法，四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合，也可以理解为四维的向量。姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。图4-4姿态欧拉角计算流程图2.2.3PID电机控制PID由比例单元P(Proportion)>积分单元I(Integration)和微分单元D(Differentiation)组成。PID控制器作为最早实用化的控制器己有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。在此次设计中，最终目的是想要飞行器平稳飞行，其中的设计就免不了运用PID电机调速控制。如图4-5所示是一个小功率直流电机的调速框图。给定速度n0(t)与转速n(t)进行比较，其差值为e(t)=n0(t)-n(t)，经过PID控制器调整后输出电压控制信号u(t),u(t)经过功率放大后，驱动直流电动机改变其转速。图4-5小功率电机调速系统PID数学计算公式如下：式中Kp——控制器的比例系数Ti——控制器的积分时间，也称积分系数Td——控制器的微分时间，也称微分系数常规的模拟PID控制系统原理框图如图4-6所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。其中r(t)是系统输入误差值，y(t)是系统的最终输出值，输入值与输出值构成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)。而e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。图4-6PID电机控制系统框图根据PID计算公式和原理，编写出PID控制程序，其源代码如下所示：FP32PID—ROL(FP32e,FP32el，FP32kp，FP32ki，FP32kd){staticFP32e_s=0,sum=0;/*e_s用于保存上一次的误差值，用于计算微分项，Sum用于计算累加和，计算积分项*/FP32r; /*r存放PID计算值*/sum=sum+e;