基于MEMS 的低成本姿態測量系統設計與實現

底雙

（哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱154100）

0 引言

姿態測量系統在軍事領域，民用領域，人們日常生產生活中均有著廣泛的應用。在軍事領域如：船艦航行、導彈發射和航空飛機，都離不開姿態數據；在生活領域如：農業播種、汽車駕駛、醫療檢查中，姿態測量也是必不可少的一環。為滿足生產生活中對姿態測量的需求，低成本、小型化的航姿測量系統成為人們關心的問題[1]。由于MEMS 傳感器具有體積小、質量輕、成本低等特點，適用在便攜式航姿系統上裝置，已經大量應用在汽車、機器人、無人機等民用領域。隨著微機電系統技術與集成電路技術的發展，采用MEMS 慣性測量器件的微小型航姿系統已經成為未來的發展趨勢[2]。

1 硬件電路設計

MEMS 傳感器為三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計集成的九軸傳感器，處理器可通過SPI 或I2C實時采集九軸傳感器數據。系統采用基于四元數的互補濾波算法進行實時姿態解算，得到俯仰角、翻滾角和航向角的姿態信息。設計串口通信和以太網通信模塊，擴充航姿系統與上位機通訊方式。設計直接供電和USB 供電兩種方式為系統供電，保證航姿系統供電可靠性。

1.1 數據采集電路

MPU9250 可通過SPI 和I2C 兩種方式與處理器通信，SPI 通信有兩根數據線，一根片選線和一根時鐘線，I2C 通信可與SPI 通信接口復用，在設計I2C 通信電路時，根據開漏特性要注意在時鐘線和數據通信線加上拉電阻。采集模塊電路設計如圖1 所示。

圖1 導航數據采集模塊電路圖

1.2 通信電路設計

為增加系統通信方式的可擴展性，設計了以太網通信電路，將姿態信息或傳感器輸出數據發送到上位機，方便后續對姿態信息的顯示和保存。

以太網的發展過程可主要分為：標準以太網、快速以太網、千兆以太網和萬兆以太網。現在速度最快的萬兆以太網的傳輸介質多為單模或多模光纖，技術標準為IEEE 802.3ae。設計采用的處理器STM32F769 片上集成了一個MAC802.3，可完成與物理層的數據交接，若要實現STM32F769 處理器與外部設備的以太網通信，只需外接一個端口物理層（PHY）芯片。

MAC 通常支持獨立于介質的接口MII 或簡化的獨立于介質的RMII 接口與PHY 芯片連接。MII 接口需要16 個數據和控制信號引腳與PHY 層芯片連接，RMII 是簡化介質獨立接口，只需要7 根通信線與PHY層芯片連接。

本文選擇一款LAN8742 型號的PHY 芯片，通過RMII 接口連接，這種接口設計簡化硬件電路設計的復雜度。LAN8742 內部包含一個全雙工傳輸模塊，可實現兩種數據傳輸數率：10Mbit/s 和100Mbit/s，另外可支持HP Auto-MDIX 自動翻轉功能，即能自動識別直連或交叉網線并自適應，為實驗提供了便利。

LAN8742 的通信數據線與RJ-45 硬件插座之間需要變壓器連接，可以選擇帶變壓器的RJ-45 接口，也可將變壓器和RJ-45 分開選擇，此時要注意內部結構匹配。本文選擇國產H2019 變壓器匹配RJ-45 硬件插座，通過以太網變壓器的連接可以濾除網絡和設備之間的噪音，還可以相互隔離抗干擾，對芯片起到了保護作用。

網口設計原理圖如圖2 所示，TXD、RXD 引腳連接完成網絡傳輸數據的收發，RX_EN 是數據發送使能線，CLKIN 為參考時鐘引腳，此處的參考時鐘單獨由25MHz 外部晶振提供，為RMII 接口的數據收發和控制提供參考時鐘。RMII 接口要求參考時鐘必須是50MHz，所以晶振提供的25MHz 時鐘要通過LAN8742內部PLL 電路倍頻得到50MHz 參考時鐘。

1987年，我在《中國社會科學》上發表了論文《人的主體性的進程》。這是針對當時學界對主體性的關注而寫的。市場經濟的建立和發展，呼喚著人的主體性的發展。當時我思考的聚焦點是人的主體性怎樣演化。人的成長要經歷一系列發展過程，包括其間的曲折。我提出了三個時期、九個階段的演進模式:初級期人的主體性，即自在、自然、自知、自我的主體性階段;轉折期人的主體性，即自失的主體性階段;高級期人的主體性，即自覺、自強、自為、自由的主體性階段。這是我關于人的主體性演化的假說的主要內容。后來我在出版《主體性哲學——人的存在及其意義》一書時，對人的主體性演化作了較為完整的論述。

圖2 以太網LAN8742電路原理圖

1.3 單片機主板電路設計

單片機主板電路設計主要包括處理器STM32F769的最小系統電路設計，外部存儲電路設計。主要負責姿態解算并通過串行接口與外界通信。

處理器芯片需要通過多種通信方式與外設器件通信，還需負責對姿態信息需實時解算。考慮到以上方面，綜合系統的性能、功耗和可擴展性的考慮，本文選取ST 公司的STM32F769 芯片作為系統的處理器。STM32F769 是意法半導體（ST）公司基于ARM Cortex-M7 架構設計出來的一款具有浮點單元芯片，工作頻率高達216MHz，同時達到近似于STM32F427 系列的較低靜態功耗。擁有六組SPI 口以及四組I2C 模塊，一組QSPI 接口，可實現串口、USB、以太網多種與PC 的通信方式。多種通信方式接口滿足本設計中與傳感器和上位機的多種通信要求，對于本設計中的姿態解算要求可以實現較高的數據處理速度。

QSPI 是Motorola 公司推出的SPI 接口的擴展，應用范圍比SPI 更加廣泛。因為SPI 只有一個8 位發送數據寄存器，所以一次只能傳輸一個8 位數據，QSPI在SPI 協議的基礎上增加了隊列傳輸機制，可以一次性傳輸多達16 個8 位。QSPI 的傳輸過程不需要CPU干預，提高了傳輸效率。QSPI 是一種專用的通信接口，可連接單、雙或四條數據線。

處理器通過六條線與Flash 進行QSPI 通信，包括一根時鐘信號線，一根片選線和四根數據線[9]。QSPI傳輸隊列中，每個傳輸控制組由一個命令RAM、一個發送RAM 和一個接收RAM 組成。

本設計中采用一個大小為256MB 的大容量Flash存儲器，型號為MT25QL256，并通過QSPI 與處理器通信。選擇這種快速通信Flash 存儲器是為了存儲傳感器數據和姿態解算數據，不會丟失，方便處理器隨時調用。

2 軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計，思路清晰，調用方便：

●系統初始化模塊：首先對處理器片上資源進行初始化，傳感器MPU9250 的初始配置，SPI，UART，RMII 口的初始化。

●微慣性器件數據測量模塊：微處理器通過相應SPI 通信接口讀取慣性測量單元輸出的數據

●姿態信息處理模塊：此模塊需要處理傳感器輸出數據，進行姿態信息的解算，并將重要的數據信息儲存于Flash 中。

●姿態信息顯示模塊：系統通過串口或以太網方式與上位機進行通信，將姿態信息在上位機中顯示。

2.1 信號采集軟件設計

MEMS 傳感器為九軸集成芯片MPU9250，本文通過SPI 進行量程設定和數據采集。首先對MPU9250進行初始化設置：解除電源休眠狀態設置陀螺儀采樣率和陀螺儀低通濾波頻率，設置加速度計測量范圍和加速度計高通濾波范圍。

MPU9250 內部集成了MPU9150 的陀螺儀、加速度計和AK8963 磁力計。在芯片內部，AK8963 只能通過I2C 通信。所以需要先置位MPU9250 內部磁力計，然后設置其I2C 通信地址。

讀取傳感器數據模塊：首先進行設置讀取命令，讀取MPU9250 內部寄存器0x68，內部存儲固定值0x71，若讀出值正確，則SPI 通信時序正確，這可保證與陀螺儀和加速度計兩個傳感器通信成功。磁力計為內部集成AK8963，數據通信需要按照I2C 時序配置完成磁力計通信，如圖3 所示。

圖3 磁力計讀取流程圖

2.2 網口通信軟件設計

LwIP 是一套可簡便運行的互聯網協議，可以在無操作系統的平臺上運行，結構精簡且包含完整的TCP協議，適用于嵌入式系統，在STM32F7 可直接調用LwIP 集成庫，易于操作，方便移植。

在移植官方LwIP 庫時，只需根據情況主要修改enternetif.c 文件，在這個文件中包含了STM32F7 以太網外圍初始化函數low_level_int，以太網數據收發數據包low_level_output 和low_level_intput。ETH_MspInt中設置RMII 各個引腳并初始化，注意硬件軟件各個引腳對應正確。在完成初始化后，調用MX_Lwip_Process（）函數，進行PING 實驗，ping 成功代表硬件設計正確且LAN8742 初始化成功，可進行網口通信。

在ping 通后，代表硬件設計正確，然后通過調用TCP_Client_Init 函數進行TCP 客戶端初始化，初始化過程需要設定航姿系統IP 地址和端口號。在上位機網口通信界面，確定IP 地址和端口號是否一致完成網絡連接，最后調用TCP_Client_Send_Data（）函數完成姿態信息傳送。

IP 地址由兩部分組成，網絡標識和主機標識。以太網通信時要保證通信兩方網絡標識相同，但是主機標識不能重復，彼此不同，保證IP 地址的唯一性。

3 實驗

為了驗證航姿系統設計的可行性，采用以高精度6軸慣性傳感器ADIS16485 為核心的姿態檢測系統作為參考系統，進行實驗驗證。通過硬件電路采集各個MEMS 傳感器的信號，在STM32F769 內陀螺儀、加速度計、磁力計的測量數據進行實時解算與濾波。航姿系統通過串口或以太網將測量姿態數據傳到上位機，運用MATLAB 進行數據分析。分別進行低動態運動實驗和高動態單擺實驗，以俯仰角輸出結果為例，圖4為低動態實驗時姿態角對比示意圖，圖5 為單擺實驗時姿態角對比示意圖。

在上述對比示意圖中，紅色曲線是設計系統姿態角曲線，藍色曲線是高精度慣性航姿參考系統姿態角曲線。由以上兩組實驗結果可以看出：在靜態時，設計系統姿態角數據結果誤差小；在低動態運動時，航姿系統對比參考系統跟蹤能力強，誤差較小；在高動態單擺運動時，設計的航姿系統可實時跟蹤載體運動，但是姿態角誤差較大。實驗測試表明：該系統可以在靜態和低動態運動過程實時準確的測量載體姿態信息，滿足一般低成本航姿系統要求。但在高動態運動時，姿態角誤差大，在后續的實驗研究中可通過算法研究進一步提高測量精度。

圖4 低動態實驗姿態角對比示意

4 結語

圖5 單擺實驗姿態角對比示意

本文設計的基于MEMS 的低成本航姿系統結構簡單，實用性強，硬件電路能夠實現載體動態姿態測量，處理器可實時姿態解算，并實時解算姿態信息傳輸到上位機。在以太網通信軟件設計中調用適合嵌入式的LwIP 協議實現了小型化的資源占用，擴充了航姿系統與上位機通信方式。該系統為姿態測量系統的硬件平臺搭建奠定了基礎。