IC課程講座報(bào)告

個人設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)及所用的IC背包式單人智能飛行系統(tǒng)中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院摘要：像鳥兒一樣自由自在地飛行是人類千百年來的夢想，近年來四軸、六軸飛行器被發(fā)明，這表明能夠?qū)崿F(xiàn)空中懸停等多種復(fù)雜動作的小型飛行器成為可能，于是我們設(shè)計(jì)了背包式單人智能飛行系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:飛行器、集成電路智能控制、芯片模塊、STM32F105、NIPCI-6221、控制學(xué)原理作者：鄭永鋒，男，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，學(xué)號13342107一?概述已有的單人機(jī)動飛行器需要高溫噴氣的推力來飛行，其危險(xiǎn)性導(dǎo)致其不能在大眾中得到充分推廣，故本次設(shè)計(jì)上我們采用旋翼式，由于旋翼的承重根據(jù)其葉面積，所以本設(shè)計(jì)的旋翼部分可能會偏大，或者考慮渦輪發(fā)動。本背包式單人智能飛行系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其傻瓜式操作，即將通過控制學(xué)原理與反饋機(jī)制實(shí)時對飛行姿態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，而使用者只需進(jìn)行簡單的方向控制、高度控制，其他調(diào)節(jié)工作將由電子系統(tǒng)根據(jù)飛行采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，并作出迅速、人體舒適度高的調(diào)節(jié)，目的是保證飛行者飛行的安全、舒適的體驗(yàn)。其電子系統(tǒng)分為四個部分控制單元、檢測單元、執(zhí)行單元、驅(qū)動單元?？刂颇K在本模塊需要有CPU的存在，并在CPU上設(shè)置參考飛行模式，用于控制各旋翼的轉(zhuǎn)速，以此來控制飛行形態(tài)。同時又需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物理量來對各旋翼的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)現(xiàn)在的總結(jié)，需要考慮的有飛行者的姿態(tài)變化對重心及平穩(wěn)性的影響、空中氣流的流向與流速，同時，控制模塊需要對電源進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控，即電源管理，并及時提醒飛行者需要結(jié)束飛行的時機(jī)，甚至在緊急的情況下，將手動模式切換自動模式以保證飛行者安全地降落。由于單人飛行具有一定的危險(xiǎn)性，對其處理器也有極高的要求，因此我們使用STM32F105“互連型”。其核心是ARM的32位Cortex-M3d的處理器，有1.2微秒的A/D轉(zhuǎn)換器，2x24位D/A處理器，有32kHz振蕩器用于RTC與校準(zhǔn)，并且含有電源管理模塊避免空中停電情況。低漂移帶隙參考，溫度傳感器和電壓比較器使ADC外圍設(shè)備更加完善，能快速高性能的完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，達(dá)到系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的高精度采集與處理的要求。所以關(guān)鍵是具有下面的特點(diǎn)：(1)具有高精度A/D轉(zhuǎn)換器，以提高系統(tǒng)檢測精度；（2）足夠的內(nèi)部ROM和RAM；（3）具有足夠快的處理速度；（4）具有多個定時/計(jì)數(shù)器。驅(qū)動模塊使用無位置傳感器無刷直流電機(jī)作為螺旋槳的驅(qū)動電機(jī)，采用反電勢過零檢測法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，從而得到換向信號，并以此控制逆變電路中功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯。設(shè)計(jì)中，作為無刷電機(jī)驅(qū)動橋的三相全橋逆變電路上下橋臂6個MOSFET（金氧半場效晶體管）均采用變脈寬控制，就是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，因?yàn)樽兠}寬控制是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，既節(jié)省處理時間，又能夠讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。檢測模塊為了獲得足夠的數(shù)據(jù)以供處理器參考、判斷、調(diào)整分析飛行姿態(tài)，并根據(jù)控制學(xué)原理進(jìn)行調(diào)控。（一）MEMS陀螺儀模塊。我們需要在檢測模塊中加入MEMS陀螺儀模塊，考慮到檢測精度、測速范圍以及模型體積限制，所以采用陀螺儀模塊STIM210光纖陀螺儀，分別用于敏感飛行器俯仰、橫滾、偏航通道上姿態(tài)變化速率°STIM210是一款成本和能耗低、重量輕而可靠度高的3軸陀螺儀模塊。STIM210的重量只有55克，工作溫度范圍內(nèi)的零偏穩(wěn)定性為10度/小時，零偏不穩(wěn)定性為0.5度/小時。（二）風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r測量與反饋模塊。測量裝置由無刷電機(jī)驅(qū)動、以恒定角速率轉(zhuǎn)動的剛性旋桿，剛性旋桿兩端裝有測壓探頭，測壓探頭連接在一個壓差傳感器上。當(dāng)風(fēng)吹向恒定轉(zhuǎn)動的剛性旋桿時，兩測壓探頭間的壓差為一周期性余弦信號。該信號的幅值與風(fēng)速大小成正比，信號的相位包含了風(fēng)向角信息。因此，通過合理地選擇剛性旋桿轉(zhuǎn)速和旋臂長度，在大氣密度很低的情況下也能得到較大的信號量，從而能可靠地提取出風(fēng)速風(fēng)向信息。此處需要一個微處理器將各種信息處理并傳遞給主處理器，同樣可以采用STM32F105,主要是利用了其“互連型，，的特性，關(guān)于此處理器的優(yōu)點(diǎn)參考控制模塊的說明。（三）GPS模塊。本模塊采用SiRF芯片公司在2004年發(fā)布了最新的第三代芯片SiRFstarm（GSW3.0/3.1），該芯片采用20萬次/頻率的相關(guān)器（Correlators提高了靈敏度，冷開機(jī)/暖開機(jī)/熱開機(jī)的時間分別達(dá)到42s/38s/8s，可同時追蹤20個衛(wèi)星信道。2005年以后推出的最新非獨(dú)立式GPS接收機(jī)很多都采用了這一芯片。數(shù)據(jù)經(jīng)過反饋信號調(diào)理模塊NIPCI-6221模塊，并傳遞給主處理器。四.執(zhí)行模塊執(zhí)行模塊為背包式單人智能飛行器實(shí)物模型，其中帶螺旋槳的無刷直流電機(jī)、操作手柄、各類模式設(shè)置按鈕為主要執(zhí)行器件。執(zhí)行模塊需要一些解碼芯片，而該類芯片應(yīng)該保證其穩(wěn)定性與耐用性，所以可以使用一般玩具直升機(jī)使用的解碼芯片，這里可以采用PT2272解碼芯片。PT2272芯片采用4位控制數(shù)據(jù)；解碼數(shù)據(jù)為4位數(shù)據(jù)的鎖存輸出方式。不能擔(dān)心其位數(shù)較低，因?yàn)轱w行中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)是由STM32F105芯片中的預(yù)置程序與STIM210反饋的數(shù)據(jù)根據(jù)控制學(xué)原理進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而操作者進(jìn)行的控制只是少數(shù)量，所以PT2272芯片可以滿足要求。反饋信號調(diào)理反饋信號來檢測模塊，陀螺感應(yīng)飛行器的姿態(tài)變化后輸出相應(yīng)的電壓值，該電壓值作為反饋信號輸入到主控芯片ADC端口。為避免在飛行器轉(zhuǎn)速變化較大時輸入主控STM32F105芯片的反饋電壓過高燒毀芯片，采用分壓+穩(wěn)壓的方式分別對3路反饋信號進(jìn)行調(diào)理，反饋電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器一級跟隨作用后，為了防止電路異常產(chǎn)生輸入電壓過大超出AD轉(zhuǎn)換范圍而燒毀芯片，電路中還加入了穩(wěn)壓管，使其最大輸入不超過設(shè)定值，確保在任何情況下AD輸入電壓均在要求范圍內(nèi)，此外，輸入端還加入了濾波電容以去除干擾。經(jīng)過分壓+穩(wěn)壓+濾波調(diào)理之后的信號再經(jīng)一級跟隨后輸入主控STM32F105芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。此模塊可以加入NIPCI-6221模塊，含有2路16位模擬輸出(833kS/s);，24路數(shù)字I/O線，32位計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)(Correlated)DIO(8條時鐘線,1MHz),NI-MCal校準(zhǔn)技術(shù)提高了測量精度，另有5倍采樣速率的高速M(fèi)系列和4倍分辨率的高精度M系列可供選擇，使用NI-DAQmx驅(qū)動軟件和NILabVIEWSignalExpressLE交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。特點(diǎn)總結(jié)背包式單人智能飛行系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其通過MEMS陀螺儀模塊、風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r測量與反饋模塊、GPS模塊三大模塊，采用兩組STM32F105芯片微處理器，分別負(fù)責(zé)實(shí)時測量與控制學(xué)原理的調(diào)節(jié)，保證了使用者操作的安全性與簡便性，對用戶的飛行專業(yè)要求較低，具有極大的推廣前景。在細(xì)節(jié)方面，采用STIM210光纖陀螺儀、SiRFstarIII(GSW3.0/3.1)、PT2272解碼芯片，考慮了芯片在不同功能下應(yīng)該采用的標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省