基于STM32F103CBT6微控制器的操控器設計

龍瑋潔 李康 夏偉

摘 ?要：設計了一種基于微控制器的軍用操控器，該操控器采用了開關檢測電路和信號處理電路，然后通過微控制器自身的片上資源采集開關信息和霍爾傳感器信息。同時，將相應信息經微控制器處理后通過RS422串口轉換電路和以太網口轉換電路發送給目標計算機，以實現對無人直升機的航速和航向進行協調控制。該設計已成功應用于某型軍用無人直升機，性能穩定可靠。

關鍵詞：STM32F103CBT6;微控制器;操控器

中圖分類號：TP273 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0042-04

Abstract：This paper designs a kind of military controller based on microcontroller. The controller adopts switch detection circuit and signal processing circuit，and then collects switch information and Hall sensor information through microcontrollers own resources on chip. At the same time，the corresponding information is sent to the target computer through RS422 serial port conversion circuit and Ethernet port conversion circuit after being processed by microcontroller，so as to realize coordinated control of speed and course of unmanned helicopter. The design has been successfully applied to a certain type of military unmanned helicopter，and its performance is stable and reliable.

Keywords：STM32F103CBT6;microcontroller;controller

0 ?引 ?言

軍用無人機能夠完成空中偵察、打擊或電子干擾等任務，也可被作為靶機進行軍事訓練。操控器是軍用無人機操控領域的基礎產品，用于遠程遙控無人機飛行動作，是無人機飛行必不可少的部件之一，也可應用于無人車或無人艇領域。操控器一般部署在有人戰車上，也可與無人機便攜站進行數據通信。現有軍用無人機多采用進口的民用操控器進行飛行控制，國內自研軍用產品較少。民用操控器多采用8位單片機芯片，性能較低，控制精度還有提高的空間;此外，民用操控器多采用無線Wi-Fi通信，其通信距離較短且容易受到外界干擾，無人機的飛行任務會受到影響，嚴重時會危害無人直升機的安全，無法滿足軍用無人直升機控制的可靠性需求。

基于本公司對軍用操控器的數據處理和通信的研究，本文以STM32F103CBT6微控制器為核心，使用了傳感器信號處理技術、RS422通信技術和以太網通信技術等[1]。軍用操控器獲得了高于8位單片機的性能，同時，RS422通信技術具有抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點[2]，滿足了軍用無人直升機的控制功能需求和可靠性需求。

1 ?系統結構

操控器由霍爾傳感器、開關、控制板、連接器等組成，具有4路控制量和6路開關量輸出。操控器采用+24 V供電，具有電源開關和電源指示燈。它包括兩個霍爾傳感器輸出的4路模擬信號和3個開關輸出的6個開關信號，所有信號分別經過信號處理電路和開關檢測電路進行初步處理后，再經微控制器STM32F103CBT6轉換為串口信號，然后經RS422接口轉換電路和以太網接口轉換電路分別轉換為RS422信號和網口信號輸出，信號傳輸包括接受和發送，其原理框圖如圖1所示。

2 ?硬件設計

本系統采用意法半導體公司的微控制器STM32F103 CBT6，該芯片是為基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的32位Cortex-M3內核，其時鐘頻率可達72 MHz。此種型號的微控制器在工程中使用較多，穩定性較C8051F系列和CYPRESS系列單片機更好。該芯片具有如下特點：

（1）內置128 KB可在線編程FLASH ROM和20字節的片內RAM;

（2）具有3個USART串行接口;

（3）片上集成16通道12位ADC;

（4）支持JTAG接口調試下載。

2.1 ?電源電路

操控器采用了濾波器加DC/DC隔離電源模塊組成的電源電路，如圖2所示。+24 V直流電源經過V6瞬態抑制二極管進行浪涌保護后，再流入小型EMI濾波器N4，該濾波器集成度高，可有效抑制直流電源線干擾。DC/DC隔離電源模塊N2，支持+18 V～+36 V寬壓直流電輸入轉+5 V輸出，+5 V再經過電壓轉換芯片轉為+3.3 V給微控制器進行供電。DC/DC隔離電源模塊主要特點如下：

（1）支持2：1寬輸入電壓范圍;

（2）具有短路保護、輸出可關斷、開關機無過沖等特點;

（3）輸入輸出之間隔離電壓≤1.5 kV;

（4）信號地與電源地使用特殊容值的電容連接可抑制其空間輻射。

2.2 ?開關檢測電路

由于開關在閉合動作和斷開動作的瞬間存在高低電平不穩定問題，即伴隨約5 ms～10 ms的電平抖動。這種現象可能會導致操控器的開關信號誤觸發或者頻繁觸發，因此采用了硬件防抖措施來避免這種情況[3]。

而只有電阻和濾波電容的簡單硬件消抖電路可能會導致低電平下沖持續時間更長，對后級電路危害性大。一般情況下，微控制器A/D采集的I/O引腳最大輸入電壓范圍為0 V到VCC，若下沖電平超出其范圍（如為-2 V時）且保持時間較長時，就會對IO引腳造成不可逆的物理損傷。針對該問題，在開關導線中串接電阻R4可以起到調節二階系統的阻尼比作用，降低或消除下沖。串接電阻應選擇較小的電阻值，防止開關閉合瞬間電容C1放電形成的瞬間大電流，同時有效降低了負電壓沖擊。此外，為減少靜電對開關電路的影響，增加了瞬態抑制二極管V1進行保護。開關檢測電路如圖3所示。

2.3 ?信號處理電路

霍爾傳感器輸出的模擬電壓信號范圍為0 V～+5 V，而微控制器支持的A/D模擬輸入電壓范圍為0 V～+3.6 V，需要運算放大器來保證傳感器與微控制器中A/D轉換器的跨度匹配，信號處理電路為電阻分壓和電壓跟隨器組合。本設計中選擇了軌對軌的精密運放，可以降低失調電壓和溫度漂移對信號處理精度的影響。此外，電感L1可以限制運放輸出電流，降低電流對微控制器I/O口的沖擊，起到一定的保護作用。因為4路傳感器信號調理電路均相同，只列出其中一路傳感器的信號調理電路，如圖4所示。

2.4 ?通信接口設計

設計中采用微控制器STM32F103CBT6片內集成的2個USART串行接口，串行接口1擴展出一個RS422接口，串行接口2通過串口轉網口模塊轉換為以太網接口。

RS422接口轉換電路將串行接口1通過N1芯片轉換為RS422電平。RS422的最大傳輸距離可達1 200米，而且RS422采用平衡發送和差分傳輸方式，可以抵抗衰減，有極強的抗共模干擾能力，在增加傳輸距離的基礎上保證傳輸精度。信號噪聲和電源紋波會對RS422通信接口的信號產生干擾，靜電、浪涌則會對元器件造成電流沖擊。為了對信號進行退耦合濾波處理，在+5 VD、Z、Y和數字地DGND之間串入0.1 μF電容以減少噪聲和紋波的影響。在RS422信號線上串入退耦電阻R7～R10和四線靜電防護二極管V2和V3，主要實現放電電路和限壓電路的能量配合，減少靜電、浪涌對器件的沖擊，其電路如圖5所示。

以太網接口轉換電路通過N2轉換模塊實現，可以將一個帶有標準串口的設備轉換為網絡設備，方便接入以太網。該電路結構小巧，支持RFC2217標準，IC集成度高，性能穩定可靠，其電路如圖6所示。

3 ?軟件設計

3.1 ?軟件基本功能

軟件目的是采集4路模擬信號和6路開關信號，并將數據通過串口輸出。該軟件功能主要包括：數據采集功能、數據處理功能、數據輸出功能。

3.1.1 ?數據采集功能

軟件通過微控制器A/D模塊定時采集霍爾傳感器輸出的模擬量信號，同時通過檢查微控制器I/O口狀態來采集開關產生的開關量信號。系統上電并完成初始化后，每1 ms檢查一次微控制器I/O口，輸出的數字信號范圍：0x0000～ 0xFFFF。

3.1.2 ?數據處理功能

對A/D轉換后的數字信號進行限幅并采用巴特沃斯濾波器進行濾波，將數據縮放至0x8000～0x0000～0xFFFF（16位有符號數）的范圍，并對不操作狀態下的零位設置死區。

3.1.3 ?數據輸出功能

使能微控制器內部2路串口，將數據處理后的數據按幀輸出，滿足軟件協議要求。

該軟件設計基于模塊化設計思想，將軟件分解成若干功能模塊，通過主程序將其組織起來構成。軟件設計模塊主要包括：主程序、A/D轉換數據采集處理、端口初始化、參考電壓設置、晶振初始化等。主程序框圖如圖7所示。

3.2 ?軟件特色功能設計

3.2.1 ?故障檢測功能

在操控器中，霍爾傳感器和開關為關鍵操縱部件和器件，因此對霍爾傳感器的四個軸向和開關工作異常檢測顯得尤為重要，主要需進行上電自檢和周期自檢。

上電自檢主要是在上電初始階段，不操縱操控器，根據采集到的霍爾傳感器的電壓和開關的初始化狀態判斷傳感器輸出和開關輸出是否正常、是否超出正常工作范圍。

周期自檢主要是在操控器的整個工作周期內對兩個霍爾傳感器狀態進行檢測，若霍爾傳感器電壓超出閾值且保持一定周期，則可判斷傳感器斷線，需通過串口向目標計算機上報傳感器掉線故障。

3.2.2 ?軟件濾波功能

由于軍用操控器的應用電磁環境較復雜，操控器可能會受到周期性干擾和非周期的不規則隨機信號干擾，因此采用了算術平均值法和中值濾波法來削弱或濾除干擾信號[3]。對于消除周期性干擾，軟件中采用的算術平均值法就是在每個周期內的20個時間點分別對模擬信號數據取樣，然后求20個數據的平均值。對于非周期的不規則隨機信號，軟件中采用了中值濾波法，其原理是將采集到的每3個周期中所有數據進行升序排序，然后選擇所有數據的中間值，以此防止突發的脈沖干擾對采集數據的影響。通過上述兩種算法的融合，保證了數據的穩定性。

4 ?結 ?論

針對民用操控器以單片機為主控芯片控制精度不高的問題及無線通信作為無人機操控的通信方式存在的傳輸距離短、抗干擾性較弱的缺點，本設計采用了上述軟硬件結合的設計方法，充分利用高性能微控制器自身的片上資源，完成開關檢測、A/D采集和串口通信功能，實現的軍用操控器結構簡單、數據采集精確;采用RS422通信，能夠實現遠距離傳輸，具有較高的抗干擾能力。該設計已成功應用于某型軍用無人直升機上，完全符合工程要求，性能穩定，可靠性強，解決了以往民用操控器在使用中的技術問題。

參考文獻：

[1] 沈紅衛，任沙浦，朱敏杰，等.STM32單片機應用與全案例實踐 [M].北京：電子工業出版社，2017.

[2] 李夏如，王慧忠，姜周曙，等.模擬發控裝置RS422通信單元可靠性設計研究 [J].測控技術，2018，37（8）：107-110+116.

[3] 顏福才.按鍵消抖電路瞬態分析和設計 [J].現代電子技術，2014，37（6）：51-55.

[4] 趙國亮，葉東升，董麗，等.嵌入式軟件測試與實踐 [M].北京：清華大學出版社，2018.

作者簡介：龍瑋潔（1987—），女，漢族，重慶人，電子工程師，工程師，碩士，研究方向：人機操控技術;李康（1990—），男，漢族，江蘇徐州人，電子工程師，工程師，碩士，研究方向：人機操控技術;夏偉（1981—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，研發副部長，高級工程師，碩士，研究方向：軸角轉換技術、人機操控技術。