基于STM32F103CBT6微控制器的操控器设计

龙玮洁 李康 夏伟

摘  要：设计了一种基于微控制器的军用操控器，该操控器采用了开关检测电路和信号处理电路，然后通过微控制器自身的片上资源采集开关信息和霍尔传感器信息。同时，将相应信息经微控制器处理后通过RS422串口转换电路和以太网口转换电路发送给目标计算机，以实现对无人直升机的航速和航向进行协调控制。该设计已成功应用于某型军用无人直升机，性能稳定可靠。

关键词：STM32F103CBT6;微控制器;操控器

中图分类号：TP273      文献标识码：A 文章编号：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

军用无人机能够完成空中侦察、打击或电子干扰等任务，也可被作为靶机进行军事训练。操控器是军用无人机操控领域的基础产品，用于远程遥控无人机飞行动作，是无人机飞行必不可少的部件之一，也可应用于无人车或无人艇领域。操控器一般部署在有人战车上，也可与无人机便携站进行数据通信。现有军用无人机多采用进口的民用操控器进行飞行控制，国内自研军用产品较少。民用操控器多采用8位单片机芯片，性能较低，控制精度还有提高的空间;此外，民用操控器多采用无线Wi-Fi通信，其通信距离较短且容易受到外界干扰，无人机的飞行任务会受到影响，严重时会危害无人直升机的安全，无法满足军用无人直升机控制的可靠性需求。

基于本公司对军用操控器的数据处理和通信的研究，本文以STM32F103CBT6微控制器为核心，使用了传感器信号处理技术、RS422通信技术和以太网通信技术等[1]。军用操控器获得了高于8位单片机的性能，同时，RS422通信技术具有抗干扰能力强、传输距离远等优点[2]，满足了军用无人直升机的控制功能需求和可靠性需求。

1  系统结构

操控器由霍尔传感器、开关、控制板、连接器等组成，具有4路控制量和6路开关量输出。操控器采用+24 V供电，具有电源开关和电源指示灯。它包括两个霍尔传感器输出的4路模拟信号和3个开关输出的6个开关信号，所有信号分别经过信号处理电路和开关检测电路进行初步处理后，再经微控制器STM32F103CBT6转换为串口信号，然后经RS422接口转换电路和以太网接口转换电路分别转换为RS422信号和网口信号输出，信号传输包括接受和发送，其原理框图如图1所示。

2  硬件设计

本系统采用意法半导体公司的微控制器STM32F103 CBT6，该芯片是为基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的32位Cortex-M3内核，其时钟频率可达72 MHz。此种型号的微控制器在工程中使用较多，稳定性较C8051F系列和CYPRESS系列单片机更好。该芯片具有如下特点：

（1）内置128 KB可在线编程FLASH ROM和20字节的片内RAM;

（2）具有3个USART串行接口;

（3）片上集成16通道12位ADC;

（4）支持JTAG接口调试下载。

2.1  电源电路

操控器采用了滤波器加DC/DC隔离电源模块组成的电源电路，如图2所示。+24 V直流电源经过V6瞬态抑制二极管进行浪涌保护后，再流入小型EMI滤波器N4，该滤波器集成度高，可有效抑制直流电源线干扰。DC/DC隔离电源模块N2，支持+18 V～+36 V宽压直流电输入转+5 V输出，+5 V再经过电压转换芯片转为+3.3 V给微控制器进行供电。DC/DC隔离电源模块主要特点如下：

（1）支持2：1宽输入电压范围;

（2）具有短路保护、输出可关断、开关机无过冲等特点;

（3）输入输出之间隔离电压≤1.5 kV;

（4）信號地与电源地使用特殊容值的电容连接可抑制其空间辐射。

2.2  开关检测电路

由于开关在闭合动作和断开动作的瞬间存在高低电平不稳定问题，即伴随约5 ms～10 ms的电平抖动。这种现象可能会导致操控器的开关信号误触发或者频繁触发，因此采用了硬件防抖措施来避免这种情况[3]。

而只有电阻和滤波电容的简单硬件消抖电路可能会导致低电平下冲持续时间更长，对后级电路危害性大。一般情况下，微控制器A/D采集的I/O引脚最大输入电压范围为0 V到VCC，若下冲电平超出其范围（如为-2 V时）且保持时间较长时，就会对IO引脚造成不可逆的物理损伤。针对该问题，在开关导线中串接电阻R4可以起到调节二阶系统的阻尼比作用，降低或消除下冲。串接电阻应选择较小的电阻值，防止开关闭合瞬间电容C1放电形成的瞬间大电流，同时有效降低了负电压冲击。此外，为减少静电对开关电路的影响，增加了瞬态抑制二极管V1进行保护。开关检测电路如图3所示。

2.3  信号处理电路

霍尔传感器输出的模拟电压信号范围为0 V～+5 V，而微控制器支持的A/D模拟输入电压范围为0 V～+3.6 V，需要运算放大器来保证传感器与微控制器中A/D转换器的跨度匹配，信号处理电路为电阻分压和电压跟随器组合。本设计中选择了轨对轨的精密运放，可以降低失调电压和温度漂移对信号处理精度的影响。此外，电感L1可以限制运放输出电流，降低电流对微控制器I/O口的冲击，起到一定的保护作用。因为4路传感器信号调理电路均相同，只列出其中一路传感器的信号调理电路，如图4所示。

2.4  通信接口设计

设计中采用微控制器STM32F103CBT6片内集成的2个USART串行接口，串行接口1扩展出一个RS422接口，串行接口2通过串口转网口模块转换为以太网接口。

RS422接口转换电路将串行接口1通过N1芯片转换为RS422电平。RS422的最大传输距离可达1 200米，而且RS422采用平衡发送和差分传输方式，可以抵抗衰减，有极强的抗共模干扰能力，在增加传输距离的基础上保证传输精度。信号噪声和电源纹波会对RS422通信接口的信号产生干扰，静电、浪涌则会对元器件造成电流冲击。为了对信号进行退耦合滤波处理，在+5 VD、Z、Y和數字地DGND之间串入0.1 μF电容以减少噪声和纹波的影响。在RS422信号线上串入退耦电阻R7～R10和四线静电防护二极管V2和V3，主要实现放电电路和限压电路的能量配合，减少静电、浪涌对器件的冲击，其电路如图5所示。

以太网接口转换电路通过N2转换模块实现，可以将一个带有标准串口的设备转换为网络设备，方便接入以太网。该电路结构小巧，支持RFC2217标准，IC集成度高，性能稳定可靠，其电路如图6所示。

3  软件设计

3.1  软件基本功能

软件目的是采集4路模拟信号和6路开关信号，并将数据通过串口输出。该软件功能主要包括：数据采集功能、数据处理功能、数据输出功能。

3.1.1  数据采集功能

软件通过微控制器A/D模块定时采集霍尔传感器输出的模拟量信号，同时通过检查微控制器I/O口状态来采集开关产生的开关量信号。系统上电并完成初始化后，每1 ms检查一次微控制器I/O口，输出的数字信号范围：0x0000～ 0xFFFF。

3.1.2  数据处理功能

对A/D转换后的数字信号进行限幅并采用巴特沃斯滤波器进行滤波，将数据缩放至0x8000～0x0000～0xFFFF（16位有符号数）的范围，并对不操作状态下的零位设置死区。

3.1.3  数据输出功能

使能微控制器内部2路串口，将数据处理后的数据按帧输出，满足软件协议要求。

该软件设计基于模块化设计思想，将软件分解成若干功能模块，通过主程序将其组织起来构成。软件设计模块主要包括：主程序、A/D转换数据采集处理、端口初始化、参考电压设置、晶振初始化等。主程序框图如图7所示。

3.2  软件特色功能设计

3.2.1  故障检测功能

在操控器中，霍尔传感器和开关为关键操纵部件和器件，因此对霍尔传感器的四个轴向和开关工作异常检测显得尤为重要，主要需进行上电自检和周期自检。

上电自检主要是在上电初始阶段，不操纵操控器，根据采集到的霍尔传感器的电压和开关的初始化状态判断传感器输出和开关输出是否正常、是否超出正常工作范围。

周期自检主要是在操控器的整个工作周期内对两个霍尔传感器状态进行检测，若霍尔传感器电压超出阈值且保持一定周期，则可判断传感器断线，需通过串口向目标计算机上报传感器掉线故障。

3.2.2  软件滤波功能

由于军用操控器的应用电磁环境较复杂，操控器可能会受到周期性干扰和非周期的不规则随机信号干扰，因此采用了算术平均值法和中值滤波法来削弱或滤除干扰信号[3]。对于消除周期性干扰，软件中采用的算术平均值法就是在每个周期内的20个时间点分别对模拟信号数据取样，然后求20个数据的平均值。对于非周期的不规则随机信号，软件中采用了中值滤波法，其原理是将采集到的每3个周期中所有数据进行升序排序，然后选择所有数据的中间值，以此防止突发的脉冲干扰对采集数据的影响。通过上述两种算法的融合，保证了数据的稳定性。

4  结  论

针对民用操控器以单片机为主控芯片控制精度不高的问题及无线通信作为无人机操控的通信方式存在的传输距离短、抗干扰性较弱的缺点，本设计采用了上述软硬件结合的设计方法，充分利用高性能微控制器自身的片上资源，完成开关检测、A/D采集和串口通信功能，实现的军用操控器结构简单、数据采集精确;采用RS422通信，能够实现远距离传输，具有较高的抗干扰能力。该设计已成功应用于某型军用无人直升机上，完全符合工程要求，性能稳定，可靠性强，解决了以往民用操控器在使用中的技术问题。

参考文献：

[1] 沈红卫，任沙浦，朱敏杰，等.STM32单片机应用与全案例实践 [M].北京：电子工业出版社，2017.

[2] 李夏如，王慧忠，姜周曙，等.模拟发控装置RS422通信单元可靠性设计研究 [J].测控技术，2018，37（8）：107-110+116.

[3] 颜福才.按键消抖电路瞬态分析和设计 [J].现代电子技术，2014，37（6）：51-55.

[4] 赵国亮，叶东升，董丽，等.嵌入式软件测试与实践 [M].北京：清华大学出版社，2018.

作者简介：龙玮洁（1987—），女，汉族，重庆人，电子工程师，工程师，硕士，研究方向：人机操控技术;李康（1990—），男，汉族，江苏徐州人，电子工程师，工程师，硕士，研究方向：人机操控技术;夏伟（1981—），男，汉族，新疆乌鲁木齐人，研发副部长，高级工程师，硕士，研究方向：轴角转换技术、人机操控技术。