基于TMS320F28335的气球吊篮姿态监测装置设计

摘要：针对气球吊篮对姿态控制的要求，本文给出以TMS320F28335为平台，开发设计出具有姿态数据采集、姿态数据处理、以及姿态实时监测功能的装置。姿态监测装置中用MEMS电子陀螺仪和地磁计获得姿态的采样数据，采样数据通过TMS320F28335解算为航偏角、俯仰、横滚三姿态数据，PC作为显示终端监控姿态实时变化，装置能够满足气球吊篮对姿态监控和测量的要求。

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。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。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。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TMS320F28 335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。

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MPU 6050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 kx16 bit Flash以及34 kx16 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131 LSBs/°/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。

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HMC 5883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