氣壓高度表設(shè)計說明

1、 .PAGE41 / NUMPAGES46理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）理工大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目The Subject of Undergraduate Graduation Project (Thesis) of DUT氣壓高度表設(shè)計理工大學DalianUniversity of Technology摘 要 航空航天事業(yè)的日益發(fā)展促使航空儀表向著智能化方向發(fā)展。同時新能源在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，小型飛行器的研制使航空儀表出現(xiàn)了向低功耗方向發(fā)展的趨勢。氣壓高度表是一種重要的航空儀表，其主要作用是向載體提供準確的高度數(shù)據(jù)。體積小、重量輕、功耗低正成為氣壓高度表的新的發(fā)展趨勢。 基于上述原因，本文

2、基于ARM系統(tǒng)的低功耗原理，完成了低功耗氣壓高度表的研制工作，主要包括整機的硬件設(shè)計，軟件編程以與從硬件和軟件兩個角度降低功耗的設(shè)計。該氣壓高度表主要由數(shù)字氣壓傳感器、主控制器、電源管理組成。 主機以意法半導體公司的 STM32F103RBT6 單片機為核心，直接讀取數(shù)字氣壓傳感器的氣壓信號，之后再通過氣壓與海拔的關(guān)系換算得到實際海拔，即高度值。關(guān)鍵詞：氣壓高度表，低功耗設(shè)計，STM32，小型化設(shè)計AbstractAerospace business to the development of aircraft instruments to intelligent direction. At

3、the same time the new energy in aviation, the application of the development of small aircraft that aircraft instruments appeared to the trend of the development of the direction of low power consumption. Air pressure altimeter is a kind of important aircraft instruments, its main function is to pro

4、vide accurate height data carrier. Small volume, light weight, low power consumption is becoming the new development trend of air pressure altimeter.Based on the above reasons, this paper based on ARM system of low power consumption principle, the completion of the low power consumption of the air p

5、ressure altimeter research work, including the machines hardware design, software programming and from two aspects of hardware and software design of the lower power consumption. The air pressure altimeter digital pressure sensor, mainly by main controller and power management component.The host to

6、ST company STM32F103RBT6 microcontroller as the core, digital pressure sensor directly read the pressure of the signal, and then through the air pressure and elevation of the relationship between the actual conversion get altitude, namely high value.Key Words：Pressure altimeter；Low power design；STM3

7、2；Miniaturization design目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc2627 摘 要 PAGEREF _Toc2627 I HYPERLINK l _Toc4092 Abstract PAGEREF _Toc4092 II HYPERLINK l _Toc15281 1 緒論 PAGEREF _Toc15281 1 HYPERLINK l _Toc18533 1.1 氣壓高度表概述 PAGEREF _Toc18533 1 HYPERLINK l _Toc24447 1.2 氣壓高度表的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc24447 1 HYPERLIN

8、K l _Toc23680 1.3 目前氣壓高度表存在的問題 PAGEREF _Toc23680 2 HYPERLINK l _Toc28864 1.3.1 氣壓高度表的功耗問題 PAGEREF _Toc28864 2 HYPERLINK l _Toc23463 1.3.2 氣壓高度表的抗干擾問題 PAGEREF _Toc23463 2 HYPERLINK l _Toc1970 1.3.3 氣壓高度表的小型化問題 PAGEREF _Toc1970 2 HYPERLINK l _Toc21053 1.4 本課題的意義 PAGEREF _Toc21053 3 HYPERLINK l _Toc198

9、5 2 大氣壓力高度測量原理 PAGEREF _Toc1985 4 HYPERLINK l _Toc25657 2.1 高度和壓力的基本概念 PAGEREF _Toc25657 4 HYPERLINK l _Toc25208 2.1.1 高度的概念 PAGEREF _Toc25208 4 HYPERLINK l _Toc19636 2.1.2 靜壓的概念和測量 PAGEREF _Toc19636 5 HYPERLINK l _Toc16194 2.2 標準大氣壓力-高度公式 PAGEREF _Toc16194 6 HYPERLINK l _Toc29509 2.2.1 國際標準大氣 PAGER

10、EF _Toc29509 6 HYPERLINK l _Toc5605 2.2.2 大氣壓力PH與標準氣壓高度H 函數(shù) PAGEREF _Toc5605 7 HYPERLINK l _Toc3319 3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計 PAGEREF _Toc3319 10 HYPERLINK l _Toc31260 3.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc31260 10 HYPERLINK l _Toc11792 3.1.1 STM32結(jié)構(gòu)概述 PAGEREF _Toc11792 10 HYPERLINK l _Toc2236 3.1.2 STM32單片機特點 PAGEREF _Toc2236 1

11、1 HYPERLINK l _Toc6926 3.2 氣壓傳感器 PAGEREF _Toc6926 13 HYPERLINK l _Toc11080 3.2.1 氣壓傳感器概述 PAGEREF _Toc11080 13 HYPERLINK l _Toc23165 3.2.2 氣壓傳感器的校正 PAGEREF _Toc23165 15 HYPERLINK l _Toc19682 3.2.3 二階溫度補償 PAGEREF _Toc19682 18 HYPERLINK l _Toc22168 3.2.4 氣壓傳感器通信接口 PAGEREF _Toc22168 19 HYPERLINK l _Toc1

12、3300 3.2.4.1 傳感器初始化 PAGEREF _Toc13300 20 HYPERLINK l _Toc5331 3.2.4.2 傳感器原始數(shù)據(jù)讀取 PAGEREF _Toc5331 20 HYPERLINK l _Toc3602 3.2.4.3 傳感器修正參數(shù)讀取 PAGEREF _Toc3602 20 HYPERLINK l _Toc31413 3.3 晶體振蕩器設(shè)計 PAGEREF _Toc31413 21 HYPERLINK l _Toc26582 3.4 上位機通信設(shè)計 PAGEREF _Toc26582 21 HYPERLINK l _Toc4799 3.5 電源設(shè)計 P

13、AGEREF _Toc4799 23 HYPERLINK l _Toc22737 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc22737 26 HYPERLINK l _Toc6436 4.1 系統(tǒng)整體軟件流程 PAGEREF _Toc6436 26 HYPERLINK l _Toc11201 4.2 傳感器原始數(shù)據(jù)讀取 PAGEREF _Toc11201 27 HYPERLINK l _Toc6045 4.3 初次校正計算 PAGEREF _Toc6045 27 HYPERLINK l _Toc19877 4.4 二階溫度補償計算 PAGEREF _Toc19877 28 HYPERLINK

14、l _Toc20649 結(jié)論 PAGEREF _Toc20649 29 HYPERLINK l _Toc25206 致 PAGEREF _Toc25206 30 HYPERLINK l _Toc32243 附錄1 PAGEREF _Toc32243 32 HYPERLINK l _Toc5250 附錄2 PAGEREF _Toc5250 351 緒論 進入新世紀以來，無人機在世界各國得到廣泛研究和發(fā)展，尤其是微小型無人機以其低成本靈活機動隱蔽性好等優(yōu)點，在軍事和民用方面都獲得了廣泛應(yīng)用 高度信息作為無人機的一個重要飛行參數(shù)，是保障無人機安全飛行以與保證地面操縱人員正確引導并順利完成飛行任務(wù)的關(guān)

15、鍵，要實現(xiàn)無人機的自主著陸，必須精確測量無人機相對于機場跑道平面的高度 為了滿足飛行控制以與自主著陸對高度表系統(tǒng)的需求，以與高度表系統(tǒng)微型化高精度 高實時性的要求，本文設(shè)計了以 MS5534-BP 氣壓傳感器為核心傳感器，以 STM32F103 為數(shù)據(jù)采集控制器的微小型高度測量系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進行了研究。1.1 氣壓高度表概述準確地測量飛機相對于地面某一預定地點的垂直距離即高度，對確保飛機飛行安全和正常飛行是非常重要的。飛機安全地飛越障礙物，順利地起飛與著陸需要準確的飛行高度指示；無人駕駛飛機的自動起飛和盲目著陸系統(tǒng)也需要比較精準的高度信號；在空通管制方面，高度更是不可缺少的重要參數(shù)

16、。測量飛行高度的儀表即為高度表。高度表的種類很多，例如雷達高度表，激光高度表、聲學高度表、電容高度表等。雖然都是測量高度，但它們的工作原理和測量圍各不一樣。氣壓高度表是以壓敏元件作為傳感器采集大氣壓力數(shù)據(jù)，再利用大氣壓力隨高度變化的規(guī)律來間接測量載體高度的儀表。氣壓高度表是重要的大氣數(shù)據(jù)儀表之一。目前飛機上所用氣壓高度表按構(gòu)造基本可分為機械式和電氣式。它們的共同特點是壓力敏感元件均為真空膜盒。機械式高度表的誤差補償和信號轉(zhuǎn)換均采用機械傳動原理制成，利用傳動機構(gòu)和指針指示高度；而電氣式高度表則是把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理給出高度指示。1.2 氣壓高度表的發(fā)展趨勢 氣壓高度表的發(fā)展趨勢

17、，直接受到應(yīng)用趨勢的影響，其變化趨勢主要表現(xiàn)在： 1、市場從僅為飛機等航空器使用拓寬到民用野外勘測。隨著氣壓高度表的精度和靈敏度的逐步提高，氣壓高度表逐漸從空中走向地面，用作野外勘測、登山等場合下的高度、氣壓測量儀表。地面所用的氣壓高度表由于使用場合的要求，正向著智能化儀器方向發(fā)展。 2、性能上向著低功耗、小尺寸、低成本方向發(fā)展。無論是在航空領(lǐng)域還是地面民用，尤其是地面民用，降低功耗和尺寸，擁有較高的性價比是擴大應(yīng)用市場的動力。 3、對氣壓高度表的測高精度要求不斷提高。隨著對飛行質(zhì)量的日益關(guān)注，飛機飛行不僅要安全，而且要能發(fā)揮飛機的最佳性能，節(jié)省飛行油耗。對氣壓高度表的測高精度要求不斷提高。傳

18、統(tǒng)的機械式氣壓高度表由于采用機械部件進行傳動誤差大，精度低，逐漸被電氣式氣壓高度表代替。利用單片機作為氣壓高度表的核心是目前電氣式氣壓高度表發(fā)展主流。1.3 目前氣壓高度表存在的問題 雖然氣壓高度表的研制技術(shù)日趨完善，相關(guān)產(chǎn)品也已投入使用多年，但隨著氣壓高度表在新領(lǐng)域和新場合的應(yīng)用，暴露出一些問題需要改進。1.3.1 氣壓高度表的功耗問題 隨著航空航天事業(yè)的日益發(fā)展和航空航天技術(shù)的不斷進步，對航空儀表提出了新的更高的要求，要求航空儀表不僅要性能可靠，而且要節(jié)能、輕便、環(huán)保。特別是目前新能源在航空領(lǐng)域的開發(fā)和利用，使航空儀表出現(xiàn)了向低功耗方向發(fā)展的趨勢。如目前正在研制的太陽能無人機晴天采用太陽能

19、供電，夜間、陰雨天采用蓄電池供電，要求持續(xù)飛行六個月左右，因此要在此供電方式下保證較長的飛行時間，降低機載儀表的功耗是十分必要的。 目前機載氣壓高度表多為傳統(tǒng)的機械式或電氣式，其功耗對于普通飛機雖說微不足道，但對于無人飛機、輕型飛機等新型飛機，傳統(tǒng)的氣壓高度表功耗就顯得較大。地面用氣壓高度表從可靠、實用、使用成本控制等方面綜合考慮，一般都采用普通干電池作為氣壓高度表的供電電源，但普通的干電池供電容量有限，必須把高度表的功耗降到最低，以延長電池壽命，避免頻繁更換電池。 因此如何解決氣壓高度表的功耗問題，降低氣壓高度表整體功耗，是氣壓高度表擴大應(yīng)用領(lǐng)域，跟上航空航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。1.3.2

20、氣壓高度表的抗干擾問題 由于氣壓高度表直接安裝在飛機上，飛機上的電子儀表很多，存在著各種電磁干擾，因此，如何提高氣壓高度表的抗干擾能力，包括采取軟件和硬件的抗干擾措施，使氣壓高度表的工作性能可靠，輸出數(shù)據(jù)精確穩(wěn)定，是氣壓高度表設(shè)計中所要重點考慮的問題之一。1.3.3 氣壓高度表的小型化問題 機載機械式氣壓高度表結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，不利于安裝和維護，不利于飛機節(jié)省燃油。這種高度表對于輕型飛機是非常不適合的，首先體積大意味著占用較大的空間，同時龐大金屬結(jié)構(gòu)必然帶來很大的重量，加重機載重量，飛機耗油增多。地面用的氣壓高度表，多要求能隨身攜帶，“傻、大、笨、粗”型產(chǎn)品不易被用戶接受。因此選用合適的器件

21、，進行小型化設(shè)計，減小氣壓高度表的體積，也是氣壓高度表設(shè)計中的一個十分重要的問題。1.4 本課題的意義如今在很多航空航天設(shè)備上，氣壓高度計已經(jīng)成了不可或缺的一項測量儀，高度信息對于無人機來說是一項非常重要的飛行參數(shù)，是保障無人機安全飛行以與保證地面操縱人員正確引導并順利完成飛行任務(wù)的關(guān)鍵。因此氣壓高度計的發(fā)展也越來越受到重視，本文真是針對現(xiàn)階段氣壓高度計的發(fā)展狀況，提出了一種基于數(shù)字氣壓傳感器的氣壓傳感器方案，并對其軟硬件進行了設(shè)計。 2 大氣壓力高度測量原理2.1 高度和壓力的基本概念 在重力場中，大氣壓強與高度呈一定規(guī)律變化。即大氣壓強隨著高度的增加而減小。氣壓高度表正是利用這一原理，通過

22、壓力感應(yīng)器測量出大氣壓強，根據(jù)氣壓與高度的關(guān)系，間接計算出高度。正確地測量高度對保障飛行安全，充分發(fā)揮飛機飛行性能，節(jié)省油耗具有十分重要的意義。 飛行高度是載體到某一基準水平面的垂直距離，航空器在飛行時需要測量多種飛行高度。因此在設(shè)計氣壓高度表之前，我們有必要了解相關(guān)的高度和壓力的基本概念。 2.1.1 高度的概念 確定航空器在空間的垂直位置需要二個要素：測量基準面和自該基準面至航空器的垂直距離。我國民航飛行高度的測量通常以以下三種氣壓面作為基準面： 標準大氣壓（QNE）是指在標準大氣條件下海平面的氣壓。其值為101325 帕 （或760毫米汞柱或29.92 英寸汞柱）。 修正海平面氣壓（QN

23、H）是指將觀測到的場面氣壓，按照標準大氣壓條件修正到平均海平面的氣壓。 3) 場面氣壓（QFE）是指航空器著陸區(qū)域最高點的氣壓。 航空器在飛行中，根據(jù)對應(yīng)的不同測量基準面，在同一垂直位置上會有不同的特定名稱，高度的概念如下所示。 高（Height） ：是指自某一個特定基準面量至一個平面、一個點或者可以視 為一個點的物體的垂直距離。 高度(Altitude)：是指自平均海平面量至一個平面、一個點或者可以視為一個點的物體的垂直距離。 飛行高度層（Flight Level）：是指以1013.2百帕氣壓面為基準的等壓面，各等壓面之間具有規(guī)定的氣壓差。 標準氣壓高度：是指以標準大氣壓，其值為 1013.

24、2 百帕（或 760 毫米汞柱或 29.92 英寸汞柱）修正高度表壓力值，上升至某一點的垂直距離。 5）真實高度：是指飛行器相對于直下方地面的距離。6）修正海平面氣壓高度（修正海壓高度或海壓高度或海高） ：是指以海平面氣壓調(diào)整高度表數(shù)值為零，上升至某一點的垂直距離。 7）絕對高度：是指飛行器相對于某一實際海平面并用重力勢高度表示的高度。 8）相對高度：是指飛行器從空中到某一既定地面的垂直距離。 9）場壓高度（場高） ：是指以著陸區(qū)域最高點氣壓，調(diào)整高度表數(shù)值為零，上升至某一點的垂直距離，是相對高度的一種。 以上每一種飛行高度都有各自不同而重要的用途，相對高度是飛機起飛、 近進著陸時飛行員最為關(guān)

25、心的參數(shù)，而標準氣壓高度則是所有航線飛行飛機的共同基準。此外根據(jù)最近制定的中國民用機場高度表撥正程序和過渡高度層改革方案 ，使用氣壓式高度表表示高時，必須使用場面氣壓作為高度表撥正值；表示高度時，必須使用修正海平面氣壓作為高度表撥正值；表示飛行高度層時，必須使用標準大氣壓作為高度表撥正值。因此在設(shè)計氣壓高度表時，需要根據(jù)不同的基準面，采用不同的計算方法，設(shè)計相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能，根據(jù)不同的應(yīng)用場合給出相應(yīng)的飛行高度參數(shù)，并且輔以高度預警，在到過渡高度或設(shè)置高度以下時報警。 2.1.2 靜壓的概念和測量一、靜壓的概念 大氣壓力有兩種：靜壓和全壓。靜壓為流體流過物體時垂直于流體流動表面的流體壓力，對飛機

26、來說就是飛機飛行面上的大氣壓力。全壓是靜壓和沖壓的總和，沖壓是飛機向前飛行時的速度產(chǎn)生的。雖然靜壓每天都在變化，但是在任何時候或地點靜壓隨著高度的減小一般都是連續(xù)的。因而靜壓測量可以作為壓力高度的指示量。二、靜壓的測量原理 本文設(shè)計的氣壓高度表測量的大氣壓強實際上是靜壓。靜壓是飛機周圍自由流動空氣的絕對壓,可用靜壓作為大氣壓力代入壓高公式計算。 靜壓的測量原理如圖2-1所示。 （a）剛發(fā)生流動 （b）流動穩(wěn)定后 圖2-1 靜壓測量原理 在沿著空氣流動的壁開一個孔來進行，在剛發(fā)生流動時圖2-1（a）發(fā)生繞棱角的流動，漸漸地形成不連續(xù)面圖2-1（b），孔中的空氣靜止，產(chǎn)生和不連外側(cè)氣流一樣的壓力，

27、通過孔底的壓力導入變換器來測定靜壓。 2.2 標準大氣壓力-高度公式2.2.1 國際標準大氣 大氣壓強與高度的變化關(guān)系受很多因素的影響，如大氣溫度，緯度，季節(jié)等都會導致變化關(guān)系發(fā)生變化。因此國際上統(tǒng)一采用了一種假想大氣“國際標準大氣” ，國際標準大氣滿足理想氣體方式，并以平均海平面作為零高度，國際標準大氣的主要常數(shù)有： 平均海平面標準大氣壓 平均海平面標準大氣溫度 平均海平面標準大氣密度 空氣專用氣體常數(shù) 自由落體加速度 大氣溫度垂直剃度如表（2-1）所示，高度越高溫度越低，不同高度層對應(yīng)不同的溫度剃度。 每一層溫度均取為標準氣壓高度的線性函數(shù)，即 2-1式中和分別是相應(yīng)層的標準氣壓高度和大氣

28、溫度的下限值， 為溫度的垂直變化率（dT/dH ）。 表2-1 大氣溫度、溫度剃度與高度的分層標準氣壓高度H，公里溫度T，開溫度剃度，開/公里-2.00301.15-6.500.00288.15-6.5011.00216.650.0020.00216.65+1.0032.00228.65+2.8047.00270.650.0051.00270.65-2.8071.00214.65-2.0080.00196.652.2.2 大氣壓力PH與標準氣壓高度H 函數(shù)一、壓高公式 假設(shè)空氣為理想氣體，并相對與地球為靜止大氣，即空氣沒有水平和垂直方向的運動時，那么理論上大氣壓力與標準氣壓高度有如下關(guān)系： 當

29、大氣溫度對標準氣壓高度變化時（dT/dH0） 2-2 2-3當大氣溫度對標準氣壓高度不變化時（dT/dH 0） 2-4 2-5 式（2-2）（2-5）中帶有 b 下標的各參數(shù)均指相關(guān)高度層的下限值。由上述四式可以看出大氣壓力隨標準氣壓高度的增加按指數(shù)規(guī)律變化。在標準氣壓高度的基礎(chǔ)上，加上不同基準面之間的高度差，就可以得到滿足不同需要的飛行高度 但在實際應(yīng)用中對于 20000m以上的大高度與進近著陸時的小高度， 由于原理上的原因，氣壓高度表的測量精度達不到要求，因此一般這兩種應(yīng)用場合不用氣壓高度表測高。在 020000m 之間有兩個高度層，即對流層和同溫層。對流層的下界海拔高度為0m，同溫層的下

30、界海拔高度為 11000m。如果將式（2-3）和（2-5）中的 b P 、 b T 、 b H 、 n g 、R和 用標準大氣狀態(tài)下各相應(yīng)層中的數(shù)值代替，可得對流層和同溫層的標準氣壓高度近似式， 當0H11000m時 2-6 當11000H20000m時 2-7二、高度誤差修正 標準氣壓高度公式是在假設(shè)空氣為理想標準大氣下推出的，如果高度表所在地點的實際大氣狀況不符合標準大氣時，高度表所測的高度值就不能正確反應(yīng)所在地點的絕對高度，相對高度或真實高度，存在原理性誤差。原理性誤差主要由海平面大氣壓力變化、氣溫變化、溫度剃度變化造成，在變化不大的情況下，它們產(chǎn)生的原理性誤差可由標準壓高公式的增量方程

31、求得。增量方程可表示為式（2-8） 。 2-8 式中：（儀表值減真實值），（計算值減真實值），（計算值減真實值），（計算值減真實值）。 下面僅在 011000 米高度圍，給出誤差修正公式（ = 0.0065 ） 1、修正由海平面大氣壓力改變引起的高度誤差，按公式（2-9）修正： 2-9 式中：，為海平面標準大氣壓（101325Pa），為真實海平面大氣壓，H為儀表指示高度。修正由海平面大氣溫度改變引起的高度誤差，按公式（2-10）修正： 2-10 式中：，為海平面標準溫度（288.15K），為海平面實際溫度。但是有時海平面的實際溫度無法知道，由于，因此可以用式近似計算實際的絕對高度H ： 2-1

32、1 式中：H 和分別為氣壓高度表的指示數(shù)和大氣環(huán)境溫度。這兩個值可以較為容易地獲到，從而方便地進行誤差修正。 3、溫度剃度 變化引起的誤差原則上可以分析，但實際上即使粗略地了解的真實變化也是很困難，其定量計算幾乎是不可能的。 因此，通過分析得出，本設(shè)計中的氣壓高度表所要修正的原理性誤差為大氣壓力變化產(chǎn)生的高度誤差和大氣溫度變化產(chǎn)生的高度誤差之和，而忽略由于變化引起的高度誤差。 3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計 本款氣壓高度表是面向無人飛機或其他航天設(shè)備設(shè)計的，由于高空的溫度較低，機械振動、沖擊加大，工作環(huán)境十分惡劣，因此在選擇器件時還需要考慮到工作環(huán)境的影響，根據(jù)使用現(xiàn)場的條件選擇可靠性高的器件。對系統(tǒng)的

33、抗干擾性，穩(wěn)定性等指標有較高要求，另外，低功耗也是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要指標。3.1 單片機的選擇 通過以上的應(yīng)用分析，我們最終選擇了抗干擾能力，功耗情況，芯片速度和芯片外設(shè)等方面均符合本系統(tǒng)設(shè)計要求的STM32單片機。3.1.1 STM32結(jié)構(gòu)概述 STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3核的基礎(chǔ)上擴展了高性能的外圍設(shè)備。 CortexM3是ARM公司最新推出的基于ARMv7體系架構(gòu)的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點，專門為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計。ARMv7 架構(gòu)采用了Thumb2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存A

34、RM解決方案完整的代碼兼容性3。 Thumb2技術(shù)比純ARM代碼少使用31%的存，減小了系統(tǒng)開銷，同時能夠提供比Thumb技術(shù)高出38%的性能。 在中斷處理方面，CortexM3集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是CortexM3處理器的一個緊耦合部分，可以配置1240個帶有256個優(yōu)先級、8級搶占優(yōu)先權(quán)的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時，搶占（Preemption）、尾鏈（Tailchaining）、遲到技術(shù)（Latearriving）的使用，大大縮短了異常事件的響應(yīng)時間。CortexM3異常處

35、理過程中由硬件自動保存和恢復處理器狀態(tài)，進一步縮短了中斷響應(yīng)時間，降低了軟件設(shè)計的復雜性。CortexM3體系架構(gòu)提出了新的單線調(diào)試技術(shù)，CortexM3處理器的跟蹤調(diào)試是通過調(diào)試訪問端口(Debug Access Port，DAP)來實現(xiàn)的。DAP端口可以作為串行線調(diào)試端口（SWDP）或串行JTAG調(diào)試端口（SWJDP，允許JTAG或SW協(xié)議）使用。其中SWDP只需要時鐘和數(shù)據(jù)2個引腳，實現(xiàn)低成本跟蹤調(diào)試，避免使用多引腳進行JTAG調(diào)試，并全面支持RealView編譯器和 RealView調(diào)試產(chǎn)品。此外CortexM3還具備高度集成化的特點，大大減小了芯片面積，部集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，合

36、理利用了芯片空間，使系統(tǒng)滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。 STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3核的基礎(chǔ)上擴展了高性能的外圍設(shè)備。 本系統(tǒng)采用的STM32F103RBT6芯片具有72MHz的最高主頻，零等待的存讀取，單周期的乘除法計算，128KB的存儲器空間，20KB的RAM空間，具有停止模式、睡眠模式和待機模式可提供高性能的低功耗模式，兩個12位精度AD轉(zhuǎn)換器，7通道DMA控制器，支持外設(shè)ADC,SPC,USART等，3路16位定時器，每個定時器包含4路輸入捕獲輸出比較單元，一路高級16位定時器，可產(chǎn)生6路PWM信號，包含IIC,USART，SPI，CAN,USB等

37、總共9個通信接口。圖3-1 STM32F10X系列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.2 STM32單片機特點 STM32 的特點很多，本系統(tǒng)選擇 STM32 主要考慮其以下幾個方面的特點：1、集成度高，供電電壓低 STM32是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，片集成了 ADC、溫度傳感器、SPI、定時器等模擬和數(shù)字外設(shè)，這些功能部件的高度集成為系統(tǒng)減小體積，降低功耗，提高可靠性提供了方便。同時STM32擺脫了 5V 供電標準，供電電壓圍低至 2.0V3.6V 之間，根據(jù)功耗與電源電壓平方成正比的關(guān)系，采用較低的工作電壓將大大降低功耗。2、低功耗功能和特性 要使得單片機的電流消耗降低，具有低功耗功能十分重要。低功耗

38、單片機應(yīng)可提供不同級別的低功耗工作方式。STM32 具有兩種功能級別的低功耗工作模式，即待機模式和停機工作模式。在待機方式下，CPU 停止工作，所有外設(shè)仍處于工作狀態(tài)，當有中斷產(chǎn)生或系統(tǒng)復位，CPU 退出等待方式。在停機方式下 CPU 和所有的數(shù)字外設(shè)都停止工作，當有部或外部復位產(chǎn)生時處理器退出停機方式，停機方式下電源電流消耗僅為 14A。而在待機模式下，芯片的工作電流為2至3A?？赏ㄟ^設(shè)置電源控制寄存器（PCON）的相應(yīng)位進入低功耗工作模式。合理的運用這兩種工作模式，可減少非工作狀態(tài)下得電流消耗。3、快速靈活的時鐘系統(tǒng) 時鐘系統(tǒng)是降低單片機功耗的關(guān)鍵，進入或退出低功耗模式以與快速執(zhí)行指令處理

39、數(shù)據(jù)的能力都與系統(tǒng)時鐘有著密切的關(guān)系。由于 CPU 在等待時鐘穩(wěn)定下來期間會消耗電流，因此在低功耗系統(tǒng)中“即時啟動”功能的時鐘必不可少。STM32 可以在 1020時間為 CPU 提供穩(wěn)定的系統(tǒng)時鐘，減少了不必要的電流消耗。 同時 STM32可提供部振蕩器和外部振蕩器兩種時鐘源，部時鐘振蕩器在無需外部器件支持下可提供 2MHz、4 MHz、8 MHz、16 MHz 的時鐘；外部振蕩器有晶體、RC/C、外部 CMOS 時鐘 4 種方式可供選擇。部帶有PLL，可以輕易獲得自己想要的時鐘頻率。兩種時鐘振蕩器可分別獨立運行，也可同時使用，通過軟件控制可以在兩個時鐘之間方便的轉(zhuǎn)換，這樣就為在低功耗和正常

40、工作狀態(tài)選擇合適的工作頻率提供了方便。4、豐富的中斷源 STM32 支持多達60多個中斷，并且每個中斷源的優(yōu)先級分為響應(yīng)優(yōu)先級和搶占優(yōu)先級，總共可配置為7個等級，豐富的中斷源使得系統(tǒng)的事件驅(qū)動能力增強，CPU 的執(zhí)行效率增加。對于單片機系統(tǒng)而言，中斷越多，其防止浪費電流的 CPU 查詢和降低功耗的靈活性越大。CPU 的查詢意味著 CPU 工作在等待事件的發(fā)生狀態(tài)，不僅造成 CPU 帶寬的浪費而且消耗了額外的電流。比如在鍵盤或按鍵的應(yīng)用中，如果采用查詢方式，不僅查詢自身會消耗功率，而且需要定時器控制輪詢間隔時間，增加額外的定時器電流消耗。如果采用中斷方式，CPU 只在按鍵按下時響應(yīng)中斷，其他時間

41、處于等待方式。 另外，STM32單片機官方提供很齊全的參考資料，特別是中文資料很豐富，加上STM32市場占有率高，因此在使用STM32過程中如果遇到問題，可以比較方便的解決，特別是對經(jīng)驗并不豐富的學生來說。STM32F103RBT6單片機的最小系統(tǒng)如圖3-2所示。圖3-2 STM32F103RBT6單片機最小系統(tǒng)3.2 氣壓傳感器 本系統(tǒng)為氣壓高度表，因此控制器需要先測量當前氣壓，再通過一定計算公式計算得出當前高度，所以，氣壓測量精度直接影響到高度的計算，因此氣壓傳感器的選型非常重要，它的性能直接決定了整個系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)采用了MS5534-BP數(shù)字氣壓傳感器。3.2.1 氣壓傳感器概述 M

42、S5534-BP氣壓傳感器是一個數(shù)字傳感器，它部包含一個氣壓傳感器、一個AD轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)字通信接口，傳感器先將氣壓這一非電量轉(zhuǎn)化成為一個電量，但其為模擬量，AD轉(zhuǎn)換器將這個模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過數(shù)字通信接口將數(shù)字量輸出到外部控制器，供其計算和控制。 MS5534-BP傳感器具有如下特性： 測量圍從1KPa至110KPa。 片上存儲了6組軟件校正數(shù)據(jù)。 具有15位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 具有三線式數(shù)字通信接口。 供電電壓可在2.2V-3.6V圍。 MS5534-BP傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。圖3-3 MS5534-BP傳感器結(jié)構(gòu)圖 氣壓傳感器一般為壓阻式壓力傳感器，它是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)

43、制成的，其壓敏元件為分布在硅膜片特定方向上的四個半導體電阻，這四個電阻構(gòu)成惠斯登電橋，當膜片受到外界壓力時，電橋失去平衡，如果對電橋加以恒流源或恒壓源激勵，便可得到與被測壓力成比例的輸出電壓，間接的測出壓力值。 由于氣壓測量還跟當前的氣溫有很大關(guān)系，所以傳感器還有一個溫度傳感器，可以測量當前環(huán)境溫度，并將溫度值作為氣壓計算的修正參數(shù)，進一步提高傳感器的測量精度。 由圖3-4可以看出，傳感器的輸出是與氣溫有很大關(guān)系的。圖3-4 氣壓與氣壓關(guān)系 從圖中可以看出，溫度不同時，傳感器在一樣氣壓下的輸出值是有一定差別的，但是從圖中還可以看到，在一樣溫度下，傳感器的輸出和實際氣壓值基本呈線性關(guān)系，因此溫度

44、對測量的影響可以再引入一個參數(shù)進行修正，就是當前氣溫，所以傳感器部也包含一個溫度傳感器，這樣通過單片機進行修正計算，便能得到較為準確的氣壓值。3.2.2 氣壓傳感器的校正 根據(jù)MS5534B的數(shù)據(jù)手冊說明，此傳感器的輸出值是未經(jīng)校正的測量值，必須通過外部的控制器進行校正后，才能得到較為準確的測量值。在芯片上，針對溫度測量和氣壓測量分別寫入了兩組校正參數(shù)，每組有2個16的數(shù)據(jù)，即總共有64位的校正數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須通過外部控制器通過數(shù)字接口讀出，讀取可以在芯片初始化之后。 WORD1，WORD2,WORD3和WORD4為芯片存存儲的四組校正參數(shù)，每組為16位長度，這四組參數(shù)需要通過異味和累加，得

45、到6組實際校正參數(shù)，分別為C1，C2，C3，C4，C5和C6，這六組實際校正參數(shù)在芯片的存儲方式如圖3-5所示。圖3-5 實際校正參數(shù)在芯片的存儲方式 通過上圖，可以看到實際校正參數(shù)C1，C2，C3，C4，C5和C6在校正參數(shù)WORD1，WORD2,WORD3和WORD4中的存儲位置，通過控制器的計算，可以從校正參數(shù)得到實際校正參數(shù)的結(jié)果，在STM32中的計算代碼如下： C1=WORD11; C5=(WORD1&0X1)|(WORD26); C6=WORD2&0X3F; C4=WORD36; C3=WORD46; C2=(WORD3&0X3F)6)|(WORD4&0X3F); 在讀取并計算得到

46、實際校正參數(shù)之后，控制器需要再讀取溫度值和氣壓值D1和D2，讀取完畢之后，控制器就可以根據(jù)這些參數(shù)計算得到想要的溫度值和氣壓值，計算過程主要分三部分。計算標準溫度 首先控制器需要根據(jù)C5計算標準溫度，其過程如圖3-6所示。圖3-6 標準溫度計算計算實際溫度 第二步控制器根據(jù)標準溫度，D2和C6計算得到實際溫度，其計算過程如圖3-7所示。圖3-7 實際溫度計算計算經(jīng)過溫度校正的氣壓值。 第三步控制器需要根據(jù)C2，D2，C5，C1，C3,和D1計算溫度補償?shù)臍鈮褐?，其計算過程如圖3-8所示。圖3-8 溫度校正的氣壓計算 經(jīng)過以上三個步驟，即可初步計算得到溫度值和氣壓值。 此部分計算過程在STM32

47、單片機中的代碼如下所示： UT1=8*C5+20224; dT=D2-UT1;TEMP=200+dT*(C6+50)/1024;OFF=C2*4+(C4-512)*dT)/4096;SENS=C1+(C3*dT)/1024+24576;X=(SENS*(D1-7168)/16384-OFF;P=X*10/32+2500; 但是僅通過以上計算，仍然會存在一定的誤差，為了盡量減少這個誤差，在MS5534-BP的數(shù)據(jù)手冊中提出了二階溫度補償?shù)恼`差校正方式，可以進一步減少由于溫度導致的測量誤差。3.2.3 二階溫度補償 為了在整個溫度圍獲得最佳的誤差校正，控制器需要采用二階溫度補償計算來消除由于溫度傳

48、感器輸出非線性問題導致的誤差，此部分的計算方法比較簡單，根據(jù)測量的溫度值，在不同圍采取不同的算法計算出一個溫度補償參數(shù)和一個氣壓補償參數(shù)，最后，用測量到的初始溫度值和氣壓值減去補償參數(shù)，就可以得到經(jīng)過二階溫度補償?shù)臏囟戎岛蜌鈮褐?，此部分的計算過程如圖3-9所示。圖3-9 二階溫度補償算法 此部分計算過程在STM32單片機中的代碼如下所示：if(TEMP=200)&(TEMP=450) T2=P2=0; else T2=3*(C6+24)*(450-TEMP)*(450-TEMP)/pow(2,20); P2=T2*(P-10000)/pow(2,13); TEMP=TEMP-T2;P=P-P2

49、; 二階溫度補償可以有效的解決由于溫度傳感器非線性問題導致的測量誤差，在溫度很低或者很高的時候，此補償方法尤為有效，可以大幅減少誤差，采用二階溫度補償和不采用此補償?shù)臏囟日`差情況如圖3-10所示。圖3-10 二階溫度補償效果圖 從上圖可以看出，在極端溫度情況下，二階溫度補償計算可以將誤差值從10度以上降至1度以，效果非常明顯。3.2.4 氣壓傳感器通信接口 傳感器與控制器之間的通信采用三線同步串行通信接口，三個接口分別為SCLK，DOUT和DIN，其中，SCLK是通信的同步時鐘信號，DOUT是傳感器的輸出端口，即控制器的輸入端口，DIN是傳感器的輸入端口，即控制器的輸出端口。 時鐘信號由控制器

50、產(chǎn)生輸入至傳感器，傳感器的輸出端是數(shù)據(jù)的輸出端，也是傳感器的狀態(tài)引腳，通過檢測此信號的電平，控制器可以知道傳感器處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)或者轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)，以便于與時接收數(shù)據(jù)，控制器通過對DIN信號輸入正確的數(shù)據(jù)，就可以控制傳感器輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在控制器對傳感器輸入數(shù)據(jù)時，正確的數(shù)據(jù)應(yīng)該保持在時鐘信號的上升沿期間。3.2.4.1 傳感器初始化 在第一次操作傳感器時，控制器需要給傳感器發(fā)送初始化命令，將傳感器初始化之后才能進行后續(xù)操作，傳感器的初始化操作時序如圖3-11所示。圖3-11 傳感器初始化時序 由圖可以看出，初始化命令為控制器連續(xù)對傳感器發(fā)送21位的數(shù)據(jù)，這21位數(shù)據(jù)為0 x155540，初始化命令

51、后傳感器不會返回數(shù)據(jù)。3.2.4.2 傳感器原始數(shù)據(jù)讀取 每次要計算當前的溫度值和氣壓值時，控制器就需要從傳感器重新讀取原始數(shù)據(jù)D1和D2，讀取D1數(shù)據(jù)的信號時序圖如圖3-12所示。圖3-12 傳感器讀取D1時序圖 由圖可知，讀取數(shù)據(jù)時，控制器要先給傳感器發(fā)送一段數(shù)據(jù)，傳感器才會開始進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢之后，傳感器會通過DOUT信號返回控制器，告之轉(zhuǎn)換完畢，之后控制器即可開始對D1的值進行讀取，16位數(shù)據(jù)的高8位在前，低8位在后。D2的讀取過程和D1的讀取過程類似，只是輸入數(shù)據(jù)稍有差別。3.2.4.3 傳感器修正參數(shù)讀取 為了減少傳感器自身的誤差，控制器需要將存儲在傳感器部的修正參數(shù)讀出，以

52、便后續(xù)計算，讀取WORD1的時序圖如圖3-13所示。圖3-13 傳感器WORD1讀取時序圖 與讀取D1值類似，控制器也需要先對傳感器發(fā)送信號，但是由于傳感器在這里不需要進行AD轉(zhuǎn)換，所以也就沒有DOUT的返回信號，控制器在發(fā)送完命令后即可直接讀取，同樣是高8位數(shù)據(jù)在前，低8位數(shù)據(jù)在后。WORD2，WORD3和WORD4的讀取過程與WORD1的讀取過程類似，僅數(shù)據(jù)輸入稍有差別。3.3 晶體振蕩器設(shè)計 氣壓傳感器需要一路系統(tǒng)時鐘輸入，推薦頻率為32.768KHz，由于本款單片機不具備輸出此低頻時鐘的功能，所以需要外接一個信號發(fā)生器，產(chǎn)生此時鐘信號的方法很多但最好的是采用有源晶振直接產(chǎn)生此頻率的時鐘

53、信號。 有源晶振相對無源晶振最大的好處在于不需要借助單片機部的振蕩電路，可以自行振蕩，產(chǎn)生一定頻率的信號，因此有源晶振可以簡化電路設(shè)計。有源晶振的電路圖如圖3-14所示。圖3-14 有源晶振電路圖3.4 上位機通信設(shè)計 本系統(tǒng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過計算和誤差補償，并根據(jù)氣壓和高度的關(guān)系，計算得到當前高度，但是這個高度值是存儲在控制器部的，使用者無法直接讀得這個高度值，因此本系統(tǒng)需要一個人機界面，讓使用者可以直觀的觀測高度數(shù)據(jù)，據(jù)此本系統(tǒng)設(shè)計了一個可以和上位機PC進行通信的接口，將高度數(shù)據(jù)直接發(fā)送到PC機上顯示。 STM32單片機上集成了很多通信接口，例如USART，SPI ，IIC以與以太

54、網(wǎng)和USB接口等，其中USART ，USB和以太網(wǎng)均可以直接和PC機進行通信，其中以太網(wǎng)還需要再外加硬件接口才能和PC實現(xiàn)通信，另外它和USB一樣，存在設(shè)計相對復雜的問題，且其主要面對于大量數(shù)據(jù)通信，而在本系統(tǒng)信數(shù)據(jù)僅為高度值，數(shù)據(jù)量很小，所以采用以太網(wǎng)和USB通信方式性價比太低，因此本系統(tǒng)最終采用了異步串行通信的方式。串行HYPERLINK :/baike.baidu /view/159864.htm接口Serial Interface是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點是HYPERLINK :/baike.baidu /view/2199056.htm通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向

55、通信，并可以利用線，從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信，但傳送速度較慢。 一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。HYPERLINK :/baike.baidu /view/2069841.htm串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。 串口的出現(xiàn)是在1980年前后，數(shù)據(jù)傳輸率是115kbps230kbps。串口出現(xiàn)的初期是為了實現(xiàn)連接計算機外設(shè)的目的，初期串口一般用來連接HYPERLINK :/baike.baid

56、u /view/2199.htm鼠標和外置HYPERLINK :/baike.baidu /view/46657.htmModem以與老式HYPERLINK :/baike.baidu /view/16175.htm攝像頭和寫字板等設(shè)備。串口也可以應(yīng)用于由于兩臺計算機（或設(shè)備）之間的互聯(lián)與數(shù)據(jù)傳輸。由于串口（COM）不支持HYPERLINK :/baike.baidu /view/7091.htm熱插拔與HYPERLINK :/baike.baidu /view/389471.htm傳輸速率較低目前部分新主板和大部分便攜電腦已開始取消該接口，目前串口多用于工控和測量設(shè)備以與部分通信設(shè)備中。雖然

57、現(xiàn)在大部分個人電腦正在逐漸取消串口設(shè)置，但是串口在工控設(shè)備和測量設(shè)備上仍然是一種十分有效且仍在大量應(yīng)用的通信接口，另外，與時電腦上沒有串口，我們還可以通過一個USB轉(zhuǎn)串口芯片虛擬一個串口進行通信，此方法相對于直接使用USB通信來講，設(shè)計難度會降低很多，因此這種方式也是主流應(yīng)用。 在下位機和上位機PC之間使用串口進行通信時，還需要考慮一個問題，就是電平問題，在下位機，串口信號的電平為TTL電平，即3.3V或者5V的高電平，這是下位機自身的供電特點決定的，而上位機PC的串口為了增強抗干擾能力，其電平為12左右，所以下位機的TTL電平串口不能直接和PC機之間進行連接，否則會有燒壞下位機的危險，為了解

58、決這一問題，我們采用了一款電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，這款芯片專用于串口的電平轉(zhuǎn)換，使用非常簡單，僅需要少量的外圍元件就可以工作，其電路圖如圖3-15所示。圖3-15 串口電平轉(zhuǎn)換電路3.5 電源設(shè)計 本系統(tǒng)采用的STM32單片機和MS5534-BP傳感器均采用3.3V電壓供電，而一般外接供電不會直接輸出3.3V電壓，所以我們要把輸入電壓進行一次轉(zhuǎn)換得到我們需要的3.3V電壓供給系統(tǒng)使用。 電源設(shè)計一般可分為線性電源和開關(guān)電源，線性電源的優(yōu)點在于輸出紋波小，沒有電磁干擾問題，缺點在于功率密度小，效率低，發(fā)熱嚴重。本次畢業(yè)設(shè)計由于是實驗驗證，電源采用了5V直流供電，所以直接使用了線性穩(wěn)壓器LM11

59、17-33芯片，可以方便的直接從5V電壓得到所需的3.3V電壓，LM1117-33降壓電路圖如圖3-16所示。圖3-16 LM1117-33電路圖 由于此處的輸入電壓為5V，所以采用線性穩(wěn)壓器進行降壓，壓降不大，功率損耗也不大，因此效率不會太低，如果輸入電壓是一個比較高的電壓，首先是線性穩(wěn)壓器可能不能承受高電壓，另外就是從一個高電壓降至3.3V時，壓降太大，會導致功率損耗很大，效率極低，更重要的是穩(wěn)壓器會產(chǎn)生嚴重發(fā)熱，可能威脅到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，所以，系統(tǒng)再設(shè)計了一套開關(guān)電源穩(wěn)壓器方案，可以在高電壓輸入情況下使用。 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓

60、的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。 開關(guān)電源的工作過程很容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，HYPERLINK :/baike.baidu /view/10897.htm電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的HYPERLINK :/bai