基于iNEMO模塊的姿態(tài)檢測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 iNEMO模塊簡(jiǎn)介

　　iNEMO慣性導(dǎo)航模塊的基本原理如圖2所示，利用MEMS傳感器和主控芯片STM32F103RET6提供動(dòng)靜態(tài)方向和慣性測(cè)量功能。集成3個(gè)(4種)意法半導(dǎo)體傳感器：3軸陀螺儀(L3GD20)、3軸加速度計(jì)+3軸磁力計(jì)(LSM303DLHC)以及氣壓傳感器(LPS331AP)，iNEMO傳感器平臺(tái)主控制器通過(guò)I2C總線與各傳感器通信。iNEMO傳感器平臺(tái)可以通過(guò)串口向外界提供各傳感器原始數(shù)據(jù)，還可以提供各傳感器經(jīng)AHRS算法融合后的橫滾、偏航及俯仰角度。

　　圖2 iNEMO慣性導(dǎo)航模塊框圖

　　3.2主控制器電路設(shè)計(jì)

　　圖3為系統(tǒng)主控板電路圖，其中處理器采用了STM32F103VCT6，STM32系列單片機(jī)以Cortex-M3為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率可達(dá)到72M Hz，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)使其成為32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。主控板拓展了多個(gè)串行接口，和iNEMO腿部模塊、iNEMO腰部模塊和GPRS模塊進(jìn)行串口通信。穩(wěn)壓芯片選用了LM2576D2T-5，其最大輸入電壓為45V，可穩(wěn)定輸出5V電壓，再經(jīng)過(guò)REG1117-3.3的穩(wěn)壓電路，產(chǎn)生3.3V工作電壓，當(dāng)電流異常導(dǎo)致溫度過(guò)高時(shí)，保險(xiǎn)絲F1、F2可以自身熔斷切斷電流，起到保護(hù)電路的作用。另外主控電路還包括復(fù)位電路、晶振電路、電容濾波電路以及JTAG下載接口等。

　　圖3主控板電路圖

　　3.3 GPRS電路設(shè)計(jì)

　　圖4為GPRS電路圖，主要包括MCU、SIM300模塊、SIM卡卡槽、穩(wěn)壓電路四部分。MCU同樣采用了STM32F103VCT6，圍繞它設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括晶振電路、復(fù)位電路、電容濾波電路等，MCU通過(guò)串口向SIM300發(fā)送控制指令以及接收SIM300返回的數(shù)據(jù);SIM300模塊與PCB板的連接方式為60引腳的板板連接器，全部引腳從該連接器引出，SIM300的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈引腳可根據(jù)模塊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)輸出不同頻率的電壓脈沖，方便觀測(cè)模塊是否正常工作，對(duì)于不需要用的音頻接口、LCD接口等，對(duì)應(yīng)的引腳懸空即可;穩(wěn)壓芯片選擇方面，可以使用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片或者LDO線性穩(wěn)壓芯片，開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換效率高，但是需要的外圍器件較多，且多為功率器件，占用空間比較大，為了節(jié)省PCB空間，設(shè)計(jì)中采用MIC5219-3.3BM5穩(wěn)壓芯片作為SIM300的電源調(diào)理芯片。

　　圖4 GPRS電路圖

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1系統(tǒng)軟件整體流程圖

　　圖5所示為系統(tǒng)軟件整體流程圖，首先對(duì)STM32進(jìn)行初始化配置，包括時(shí)鐘電路RCC高速時(shí)鐘和低速時(shí)鐘的起振、通用引腳GPIO輸出輸出模式的配置、串口USART波特率的設(shè)置，然后將SIM300設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接(具體過(guò)程可參考3.3)，成功連接網(wǎng)絡(luò)之后，配置iNEMO模塊各傳感器的分辨率、字節(jié)對(duì)齊方式、讀取頻率等，然后分別讀取腰部和腿部iNEMO模塊的加速度、陀螺儀、磁力計(jì)原始數(shù)據(jù)，獲得原始數(shù)據(jù)之后根據(jù)分別率的設(shè)置計(jì)算磁力計(jì)、陀螺儀、加速度的大小，最后通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波融合得到腰部的俯仰角PITCH、腿部的偏航角YAW，結(jié)合兩個(gè)角度信息通過(guò)查表法進(jìn)行姿態(tài)判斷，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，通過(guò)GPRS將姿態(tài)標(biāo)志位打包后發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

　　圖5系統(tǒng)軟件整體流程圖

　　4.2姿態(tài)檢測(cè)

　　如圖6所示，iNEMO模塊中L3GD20、LSM303DLHC以及LPS331AP通過(guò)I2C串行總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，I2C總線兩根雙向信號(hào)線一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL，通過(guò)上拉電阻接到正電源VDD，每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址，主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，如果相同，則認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址。

　　圖6 I2C串行總線示意圖