摘要：针对气球吊篮对姿势操控的要求，本文给出以TMS320F28335为渠道，开发规划出具有姿势数据收集、姿势数据处理、以及姿势实时监测功用的设备。姿势监测设备顶用MEMS电子陀螺仪和地磁计取得姿势的采样数据，采样数据经过TMS320F28335解算为航偏角、俯仰、横滚三姿势数据，PC作为显现终端监控姿势实时改动，设备可以满意气球吊篮对姿势监控和丈量的要求。
科学气球在大气物理、空间科学、遥感等范畴具有杰出的运用长处。现在科学气球作为高空勘探的渠道，由于其本钱廉价，施放简略，易于保护的长处，一向作为高空勘探的重要手法。科学气球由于体积大会在高空飞翔进程中遭到紊乱气流影响，致使外表风压不同形成随机缓慢的旋转现象，这也将导致挂载吊篮姿势的跟从改动。然而在一些范畴需求一种可控的勘探渠道，这就需求吊篮的姿势可以操控。科学气球在飞翔进程中吊篮处于视界观测规模外，需求规划一种搭载在科学气球吊篮内部而且可以实时丈量吊篮飞翔状况，将实时状况反应给姿势操控体系，然后完结吊篮的姿势操控，作为科学气球吊篮姿势操控的重要组成部分。文中提出了一种姿势丈量体系规划和完结，文中描绘了硬件规划、软件程序规划和最终测验成果。
1 体系结构及作业原理
科学气球吊篮姿势丈量体系分为挂载部分和地基部分，除PC终端将置于地上进行实时监测，其他模块均归于挂载部分，这些模块将跟从科学气球吊篮升空，在科学气球吊篮安稳飞翔进程中完结实时丈量、运算以及回传数据到地上设备。
挂载部分包括TMS320F28335渠道、电子罗盘、地磁传感器、电源、无线数传模块。首要体系结构如图1所示，数据处理中心为TMS320F28 335的数字信号操控器(DSCs)，外围包括传感器调度板，通讯模块，电源模块，外部扩展模块。
规划中运用底板作为外设及传感器模块衔接硬件接口，其间PC端选用RS232衔接在底板，单片机选用TTL电平串口衔接底板，HM5883和MPU 6050选用I2C总线衔接到单片机上。体系安稳作业时，HM5883以及MPU6050数据经过单片机发送给TMS320F28335，姿势数据由TMS320F28335发送给PC终端。
2 体系的硬件规划
TMS320F28335为TI公司最新DSPC28X系列32位浮点DSCs(Digital Signal Controllers)，具有150 MHz的时钟作业频率，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，而且具有3个SCI口(SCIA、SCIB、SCIC)，芯片高功能可以满意体系数据收发和姿势解算的要求。单片机选用STM32芯片，这种芯片是根据ARM Cortex—M3内核，具有72 MHz作业频率，64 kB闪存存储器。
姿势传感器选用应美盛公司的MPU6050芯片，这种微机电姿势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材，具有131 LSBs/°/sec活络度，其视点丈量规模在±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)技能，可以有用的使得罗盘精度操控在1°左右。这儿MPU6050和HMC5883均为数字型传感器，芯片别离内嵌16 bit和12 bit ADC模块，量化数据经过I2C总线传出。
图2中为MPU6050电路规划框图，其具有2条I2C通道，而且经过内部串行通道选择器相衔接，图中的衔接方法可以组成三轴陀螺仪、三轴加速度和三轴地磁计组成的9轴姿势传感器材;MPU6050的FSYNC和INT衔接到STM32上。
电路规划如图3中MPU6050供电电压规模为2.375～3.46 V，规划中选用LM1117-3.3 V供电芯片规划，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上升沿满意100 ms，VLOGIC上升沿3 ms，VLOGIC衔接线上串联10 mH电感可满意要求，SDA与SCL别离为I2C总线的是数据线和操控线衔接到STM32单片机的PB6、PB7，HMC5338地磁极SDA、和SCL别离衔接到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最小体系电路，运用STM32单片机作为量化数据的预收集处理并与DSCs进行应对式数据传送，这种方法比接连异步传输方法节省体系资源，一起减小DSCs的片上资源耗费和程序杂乱程度。规划中考虑STM32获取数据预备完结信号由HMC_INT管脚发生，PA5口衔接到HMC 5883传感器15管脚，一起串口通道与DSCs的SCITXDB与SCIRXDB衔接，用于采样数据交换。
3 体系的软件规划
体系软件规划包括STM32片上程序、DSCs片上程序和上位机显现程序。首先由STM32顺次初始化MPU6050和HMC5883，MPU6050初始化包括时钟、陀螺仪量程、加速度量程、I2C与HMC5883连通方法和中止信号发生条件。HMC5883初始化包括设置HMC5883作业形式、更新速率设置和传感器FIFO初始化。
图5为信号处理流程图，模拟信号经过AD采样取得量化数据，对量化数据进行初级滑润滤波后取得采样数据，采样数据经过速率115200串口发送给TMS320F28335，传输进程有0.02%的误差率，当TMS320F28335串口14级缓冲FIFO数据彻底载入后会向内核发生SICBRXINT中止信号，内核呼应中止并调用中止服务子程序，将FIFO缓冲寄存器中的数据导入到缓存数组中，然后调用四元数解算子函数对采样数据进行解算获取姿势传感的航偏角、俯仰、横滚等姿势数据。最终将姿势数据经过串口发送给PC进行实时更新和显现。
图6为DSCs程序规划流程图。程序采主体选用中止结构规划，将时刻轴分红若干片段，使DSCs时分多用，DSCs程序中首要包括：
在Time0中止服务子程序中，用CpuTimer0.InterruptCount作为时刻片选标志位，经过对其去余操作，使DSCs在不一起间处理不同使命，这在时刻逻辑性便于了解和把握，运用switch—case句子调用进程函数;CpuTimer0.InterruptCount%5=1时，敞开串口接纳中止敞开，数据选用14级FIFO设置，当接纳BUFF到达14级后，SCI模块将发生FIFO中止信号经过PIE模块传送给CPU，CPU保存寄存器值以及当时程序指针入栈，呼应中止服务子程序更新采样数据缓存数组;相同CpuTimer0.InterruptCount%5=2时，调用COT_IMU()(姿势解算子程序)获取丈量航偏角、横滚角，俯仰角姿势数据：CpuTimer0.InterruptCount%5=4时，DSCs将会调用UPto_PC_SC%&&&&&%()函数，把姿势数据编码后发送给上位机，由上位机软件对数据进行解码和动态显现。
图7为PC上位机程序规划流程图，程序选用以VB+Direct3D显现技能，程序规划中为了让下位机和上位机通讯杰出，上位机串口选用守时查询方法。当时刻到达条件后，体系将对接纳数据进行解码了校验，将新的姿势数据赋予D3D目标，等候改写时重绘图画。
上代码首要描绘显现改写部分，经过调用timer控件更新视角速度可以便利变得调整显现作用，设置其改写时刻经过改动Timer.Interval特点中的值，缩短改写时刻会使得显现作用更佳流通，经过上位机程序将采样的姿势数据记录下来以便剖析。
4 成果
经过测验和实验，本文中所述姿势丈量体系作业安稳，而且可以获取实时姿势信息，其姿势解算速率操控在400 Hz/s，显现改写速率操控在>60帧，串口速率设置在115 200 bps，传输误码率在0.02%，下位机上传数据帧数在20帧/s，姿势监控规模：俯仰角-90°至90°，航偏角-180至180°，横滚角-180°至180°，姿势丈量精确有用。
图9中对姿势丈量体系做了短时刻测验取得的监测数据。其间纵向坐标为视点信息，横向坐标为时刻信息，(上)(中)(下)三幅子图为单姿势测验，图中可以看出，在14s左右的丈量进程中，姿势传感器的呼应速度十分活络，经过对(下)图中180°到-180°跳变剖析，体系呼应速度在0.05s左右。由此体系在运转进程中姿势数据更新速度到达20fps，彻底可以满意吊篮缓慢运动下对完结姿势丈量的要求。
5 结束语
科学气球吊篮在空中的姿势直接影响勘探仪器作业，获取科学气球吊篮的姿势信息有助于对吊篮姿势的操控，也是作为姿势操控反应中的重要环节，姿势丈量体系的精度直接影响到姿势操控功能和精度。本文描绘的姿势检测体系硬件规划和软件规划，运用TMS320F28335的优胜功能，选用MPU6050和HMC5883丈量元件完结体系硬件和软件规划，选用D3D技能完结姿势实时监控而且到达预期作用。
