一種信息采集云臺控制系統設計

莫浩明，余有明，余澤煌

（廣東工業大學 華立學院，廣東 廣州 511325）

一種信息采集云臺控制系統設計

莫浩明，余有明，余澤煌

（廣東工業大學 華立學院，廣東 廣州 511325）

研究基于嵌入式的信息采集云臺控制系統設計，以Cortex-M3內核的stm32f103rct6作為系統微控制器，完成在線信息采集云臺系統設計方案，設計出控制系統的總體架構方案。該控制系統結合無線傳輸、傳感器技術，以模塊化設計實現數據采集、數據傳輸和運動姿態控制。采用無線射頻模塊HX-M02控制和傳輸數據，運用多軸運動處理組件MPU9150監測平臺姿態并實時反饋，并處理數據使得云臺快速調整相應姿態。經過多次的實驗測試表明，系統各個模塊配合良好，實時性好、性能穩定，控制準確的特點，達到了設計要求。

測繪建模；數據采集；自動控制；云臺

近年來，隨著建筑物數字化研究和工作的推進，建筑物室內測繪與建模的需求也隨之迅速增長，傳統的人工測繪建模方法需要花費較多時間，效率較低，所以通過利用自動化技術實現自動測繪與建模顯得尤其有必要。新型的建筑物室內測繪與建模方法需要一套控制精準的云臺用于采集環境數據，因此，以32位Cortex-M3內核的stm32f103rct6微處理器為核心，運用多軸運動處理組件MPU9150，搭載測繪建模的相關傳感器，設計出一種基于嵌入式的實時性強、數據傳輸和處理速度快的信息采集云臺控制系統[1]。

1 系統功能架構

信息采集云臺控制系統由信息采集平臺、無線通訊系統，控制中心組成。其中信息采集和控制中心是本系統設計的核心部分。圖1為云臺控制系統的總體結構圖。圖中傳感器單元由陀螺儀、激光測距儀、攝像機、超聲波模塊等組成，采用2.4 G無線射頻模塊HX-M02負責將采集到的數據傳輸到計算機建模系統并傳達建模系統生成的控制指令，形成云臺控制-信息采集-云臺任務實施，完成建模所需的測量任務，實現信息接收、信息處理、信息輸出的功能，實現自動化、網絡化、實時化[2]。

圖1 云臺控制系統的總體結構圖

2 系統硬件設計

系統以Cortex-M3為內核的stm32f103rct6搭建起主控制處理模塊，采用小型的工業CCD進行圖片采集，2.4G無線射頻模塊HX-M02作為數據的傳輸和接收媒介，在云臺上搭載激光測距模塊、超聲波模塊、陀螺儀、磁航向等多種傳感器單元以及激光網格發射裝置、步進電機，以實現精確采集各種數據和改變云臺姿態等功能。

2.1 數據傳輸模塊

數據的采集和傳輸及接收是云臺系統設計的復雜部分，為了有利于系統后期的功能拓展和硬件維護，采用模塊化的設計，通過無線通信系統通過使用主控芯片的USART接口器完成數據發送以及數據接收，將接收到的數據進行解幀得到真正的數據，使得數據傳輸簡單[3]。采用HX-M02無線射頻模塊作為該電路的數據傳輸模塊。該無線傳輸模塊與微控制器的電路接口采用串行通信原理，硬件連接示意圖如圖2所示。數據間通信使用標準的RS-232接口，并設計高速光耦隔離6N137模塊對電路提高抗干擾能力[4-5]。通過接收地面控制站的指令，完成云臺的控制、數據采集等功能。該模塊主要負責信息采集與控制平臺與PC端之間的通訊任務。符合IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b無線網絡通訊標準。最高傳輸速率可達150Mbps，同時可以用來接收PC端的命令，控制信息采集平臺旋轉。

圖2 HX-M02連接示意圖

2.2 圖像視頻傳輸模塊

DM368模塊是基于ARM 926EJ處理器的低功耗數字多媒體處理芯片[6]，DM368模塊采用的是完成符合PAL制式視頻標準，可接Flash Memory或者FPGA等設備，支持H.264、MPPEG4等圖像編碼技術，芯片內部集成32 K RAM、16 K ROM、豐富的外部接口等資源，集圖像和音頻采集于一體，可以穩定高效的管理數據通信、視頻壓縮編碼等任務[7]。由于視頻數據在發射端和接收端會存在偏差，為了減少誤差，需對H.264幀圖像壓縮編碼算法進行優化。常用的H.264處理方法有對編碼紋理負責區域的4×4像素和區域平坦的16×16像素兩種算法，幀的預測可以看成是由簡單的加法和移位運算來減少預測模式從而提高編碼的效應。16×16像素預測模式由垂直預測、水平預測、DC預測以及平面預測4種模式[8-9]，4種模式的函數為：

本系統對圖像的幀算法通過對16×16像素預測編碼采用加法器和移位器運算，對計算方程進行優，減少數據占用空間，使視頻傳輸效率提高[10]。采用的算法如下：

2.3 主控制器模塊

云臺控制系統的主控制器選用具有高性能STM32F103RCT6，工作頻率高可達到72MHz，擁有高效的信號處理能力，片上集成豐富的資源，每個IO口都可做外部中斷源，能夠滿足多路中斷處理，提高處理器的資源利用率。具有多路USART，I2C、SPI通信接口，片外存儲器可使用SDIO聯接SD卡，拓展儲存數據空間。

2.4 MPU9150模塊

MPU9150是全球第一款九軸慣性傳感芯片，包含了三軸加速度計、三軸陀螺儀和三 軸磁力計，其中加速度和陀螺儀的精度為16 bit，磁力計的精度為13 bit，保證了測量的精確度，其加速度計的量程有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g可選，陀螺儀的量程 0為± 250，±500，±1 000，和±2 000 O/sec可選，磁力計的滿量程為±1 200 uT，并且內置DMP用于姿態融合[11-12]。其經典接線圖如圖4。

圖3 主控電路原理圖

圖4 MPU-9150接線圖

3 軟件設計

信息采集云臺需要支持手動控制、計算機自動控制、程序執行等操作，并且有完備的通訊協議。信息采集云臺控制系統要求軟件的編寫可靠、簡單易操作，運行效率高，因此，本系統的軟件設計要實現對云臺的運動控制和信息采集，軟件編程的重點在于前后臺系統的體系結構拓展[13]。

3.1 程序流程

云臺接收到控制中心發出的控制命令，先對數據進行校驗，確保接收到的數據的完整性和準確性[14]。而后對其進行解幀，識別程序中的指令，做出相應的動作。通過相應傳感矯正云臺姿態，而后在返回結果到控制中心。程序的流程如圖5。

圖5 數據流程示意圖

3.2 數據收發協議設計

為了實現數據收發，本信息采集平臺參考NMEA 0183通訊協議[15]，設計制定數據收發協議。協議語句如下。

表1 協議格式

表2 功能及其定義

3.3 指令接收控制程序

當接收完一組數據后使用數據校驗函數對數據進行校驗，確保數據的完整性和準確性。校驗通過后對數據進行解幀處理[16]。而后識別控制指令，做出對電機的相應控制與傳感器數據讀取。完成平臺姿態調整后，把傳感器數據打包傳回。部分數據校驗代碼如下。

4 結束語

文中設計了基于STM32的信息采集云臺控制系統，能夠完成相應數據的采集、傳輸和處理，并且控制云臺姿態，可采集并穩定傳輸建模系統所需要的的圖像、俯仰角、距離等數據。系統整體繞著ARM構成的微控制器運轉、具有低功耗、數據處理速度高效等特點，能夠滿足自動測繪與建模工作中準確采集數據的需要，為后續建模工作提供有力保證。

[1]張雪.通信基站綜合監控系統軟件設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[2]付言華.網絡化嵌入式實時控制器的設計與開發[D].沈陽：東北大學 2010.

[3]曹中凱.多功能手持通信測試儀設計與實現[D].北京：北京理工大學，2015.

[4]丁敏.電磁干擾及其抑制措施的分析[J].科技傳播，2014（16）:67-68.

[5]曹恒，邱偉，宮文斌，等.基于PIC18LF4620與CC2420的無線傳感器網絡節點設計[J].儀器儀表標準化與設計，2008（4）:31-33.

[6]陳東旭，裴海龍.基于ARM7的無人機監控系統的設計[J].計算機工程與設計，2011，32（5）:1614-1615.

[7]吳笑天，魯劍鋒，王宇慶.基于DM368的無人機視頻壓縮系統的設計[J].液晶與顯示，2014，29（6）: 1119-1120.

[8]劉少江，朱俊楠，王高亮.基于嵌入式的無線勘探機器人[J].實驗室研究與探索，2013，32（9）:125-126.

[9]賴昌材，蔣潔.H.264/AVC幀內預測技術研究[J].科教文匯，2011（2）:53-55.

[10]倪偉傳，任志健，丘澤敏.H.264幀內預測算法的優化及應用 [J].計算機系統應用，2013，22（4）: 108-109.

[11]朱陽，王偉成，王民慧.基于MPU9150的四軸飛行器姿態控制系統設計 [J].制造業自動化，2015，5（10）:46-48.

[12]InvenSense Inc.MPU9150 Product Specification Revision 4.0[J].InvenSense Inc，2012（6）：26-28.

[13]馮地明.狀態機在嵌入式前后臺系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2008（11）：25-27.

[14]劉生輝，王克英，廖顏深.智能開關柜操控裝置Modbus-RTU通訊協議的設計[J].電測與儀表，2010（7）:77-80.

[15]錢德俊，張哲，胡晨.NMEA0183協議解析[J].電子器件，2007（2）:668-701.

[16]陳波，單承贛，張勇.夜間燈飾集中控制系統[J].自動化與儀表，2003（4）:42-44.

Design of a data acquisition platform controuing system

MO Hao-ming，YU You-ming，YU Ze-huang
（Huali College Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）

Research of data acquisition platform controlling system based on embedded technology，using Cortex-M3 core stm32f103rct6 chip as the system microcontroller to design the overall system architecture.The system combines wireless transmission，sensor technology and embedded technology to realize data acquisition，data transmission and instruction execution function in modular design.The RF module HX-M02 as responsible for remote control operation，MPU9150 monitoring platform attitude and real-time feedback，and data processing makes tripod head fast adjustment corresponding to the posture. After many experiments and tests show that the system has good performance，good real-time performance，stable performance and control accuracy，and has achieved the design requirements.

mapping modeling；data acquisition；automatic control；PAN/TILT

TN99

：A

：1674－6236（2017）03-0109-04

2015-12-23稿件編號：201512235

“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金資助重點項目（PDJH2015a0935）；大學生創新創業訓練計劃項目（201513656047）

莫浩明（1993—），男，廣東廣州人。研究方向:樓宇自動化。