无人机测试数据采集系统设计

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摘 要： 针对无人机的旋转运动和短距离移动等环节的测试，给出一种数据采集系统硬件平台的设计方案，设计了以STM32F103VE，C8051F340为控制核心的主控制器模块、信号采集模块等硬件系统。在此基础上，进一步完成了硬件设备的程序设计，数据采集系统通信协议设计以及LabVIEW测试软件的开发。最后，对数据采集系统进行调试试验，最终验证和实现了系统的数据采集，无线数据传输，上位机数据显示存储等功能。

关键词： 数据采集； 无人机测试； 无线数据通信； LabVIEW

中图分类号： TN911⁃34； TQ028.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）01⁃0049⁃05

0 引 言

随着无人机相关技术的发展，无人机的使用范围已拓展至军事、民用和科研三大领域[1]。目前无人机已经可以完成很多高难度的任务，飞行控制系统也更加复杂，无人机在执行工作任务中出现故障的几率也越来越高[2]。因此在研制无人机过程中必须通过测试试验才能最后完成研制工作，通过对无人机测试参数的测量，获得无人机关键设备的工作状态[3]，对于提高无人机性能和故障诊断具有重要的意义。

以往的数据采集系统使用的较多的是PCI总线或者PXI总线的数据采集卡，采用并行方式进行数据传输，因此这种数据采集系统可以达到较高的数据采集、传输速度，但是由于通用计算机通常不具备PCI和PXI总线接口，所以这种数据采集系统只能应用在某些固定场合[4]，通用性比较低。本文基于虚拟仪器技术和数据采集系统的射频技术，设计了一种基于LabVIEW和射频通信技术的数据采集系统，完成了数据采集系统的软硬件设计，并通过对数据采集系统软硬件的协同调试，完成了数据采集系统采集数据、无线数据传输、上位机数据显示和存储等功能。

1 设计需求与总体方案

1.1 设计需求

无人机测量信号的类型包含电压、电流、开关量信号、脉冲频率信号和标准通信协议接口信号[5]。无人机数据采集系统的功能组成如下：

（1） 信号调理部分。根据传感器的电特性和输出决定信号调理电路的结构和性能，包括电压的限幅和电平转换、电隔离、电流电压转换、阻抗变换、滤波等。

（2） 数据采集部分。包括采集电压信号（-10～10 V）、电流信号（0～20 mA）、频率信号（最低测试频率为10 Hz）、开关量信号，同时设计RS 232接口、RS 485接口、USB接口完成数字信号的采集和传输。

（3） 无线数据收发部分。主要用于数据采集端与上位机的数据通信。无线传输技术增加了测试系统数据传输灵活性，满足旋转测试和长距离运动测试过程数据收发要求。

（4） 上位机测试软件。通过集成硬件平台设备驱动，完成上位机与下位机通信，上位机通过发送采集命令控制数据采集卡工作，实现采集数据的实时显示、分析、存储功能。

1.2 总体方案

数据采集系统主要由数据采集传输部分和终端计算机数据显示处理部分组成。其中数据采集部分放置于无人机测试端，终端处理部分放置于一定距离以外的地面进行数据的接收和显示[6]。系统的具体实现是在将数据采集装置置于无人机测试端，由终端计算机软件发送采集命令信息，数据采集板卡接收采集命令数据包，按照上位机发送的命令完成指定功能的数据采集，并将采集数据实时发送到上位机端进行实时显示、存储并完成后续的数据回放和分析工作。整个数据采集系统的总体构成如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 数据采集主控制器模块设计

在本设计中，数据采集主控制芯片选取基于ARM Cortex⁃M3内核的STM32F103VE微控制器，采用适合于微控制器应用的三级流水线并增加了分支预测功能。指令总线和数据总线各自独立，微控制器能够同时进行指令读取和数据读/写操作，采用位绑定的方法解决了ARM内核不支持位操作的问题。

STM32F103VE通过外接8 MHz高速晶振，工作频率可达72 MHz，在此工作频率下的执行速度为1.25 DMIPS/MHz，内置512 KB的闪存存储器和64 KB的SRAM，具有80个增强的通用I/O口和多种外设，包括：3个12位的ADC，拥有16个采样通道和多种采样模式，12通道DMA控制器，4个通用16位定时器，2个PWM定时器和2个看门狗定时器，2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART、1个USB和1个CAN接口，非常适合应用于工业控制领域。4个片选端的静态存储器控制器，提供并行LCD接口，兼容8080/6800模式，支持扩展SD卡，SRAM，PSRAM，NOR和NAND存储器。

2.2 无线数据发射与接收模块设计

在本设计中，无线数据采集系统的数据发射与接收功能通过TI公司生产的CC1101无线射频芯片来实现，CC1101无线射频芯片连接数据采集端与PC机端，用于完成两端的数据通信，包括上位机采集命令，采集参数的发送以及采集数据的回传。

基于STM32F103VE控制器的数据采集板卡通过GPIO端口和SPI总线接口与CC1101相连，完成对CC1101射频芯片寄存器的读/写和工作状态监测，实现采集数据的发送。PC机数据通信模块选用Silicon Labs的专利CIP⁃51微控制器C8051F340作为数据收发控制器，其具有的流水线结构，大大提升了CISC结构运行速度，在USB接口电路设计中通过标准的B型4针USB接口实现上位机与下位机的硬件连接。

2.3 信号调理电路设计

（1） 电压信号调理。设计中采用双电源供电，使用DC⁃DC电源模块MDB12⁃12D12提供±12 V电压，选择TL431产生电压基准源，TL431是可控精密稳压源，电压精度可达0.5%，可以为电压调理通道提供高精度的电压基准，实际应用中使用TL431提供3 V电压并转换为-3 V，作为后续电压平移和衰减电路的输入电压，为了减小被采集信号中高频信号的干扰以及抗混叠，对信号调理通道中加入一个低通滤波器，使用运放构成一个压控电压源低通滤波器。

（2） 电流信号调理。对于电流信号的信号调理，选用精度为0.1%的电阻分压的方法得到电压信号，并且通过二极管进行输入电压保护。电流输出型传感器输出信号一般为4～20 mA，因此选取了150 Ω的精密电阻将电流信号转换为0.6～3 V的电压信号，通过STM32 F103VE的ADC进行采集。

2.4 串行接口电路设计

本设计采用MAXIM（美信）公司生产MAX232作为RS 232接口的收发器芯片，该芯片可完成接口电平的转换。该系统中的数据采集系统RS 485接口收发器采用Sipex公司生产的3.3 V电源低功耗半双工RS 485收发器芯片SP3485，SP3485完全满足RS 485串行协议的要求，兼容工业标准规范，数据传输速率高达10 Mb/s。

3 系统的软件设计

3.1 数据采集主程序设计

主控制器的主要工作流程是：上电复位，进入主循环，中断响应，进入中断服务程序，中断返回。其中中断事件由CC1101无线射频模块的GDOx管脚触发，根据数据手册当GDOx_CFG[5：0]寄存器写入0x07时，GDOx在当数据包接收完成并且CRCOK时置“1”，当第一个字节从RXFIFO被读出时置“0”。通过将与CC1101无线模块GDOx相连的GPIO管脚配置为外部中断功能，就可以实现数据的中断方式接收。中断服务程序的功能是分析接收到的数据包，判断是否进行数据采集。主控制器主循环功能是：等待上位机发送采集命令，判断数据采集标志位，数据采集与处理，数据回传。数据采集控制器程序流程图如图2所示。

3.2 数据采集主程序设计

主控制器上电初始化主要完成对外设和内核模块的配置。如图3所示，主控制器系统总线时钟是以8 MHz外部晶振为时钟源，通过内部锁相环倍频到72 MHz，时钟初始化时，系统总线（AHB）时钟频率和高速外围总线（APB2）时钟频率为72 MHz。高速外围总线挂接的外设主要有通用输入/输出端口、ADC，由于ADC的输入时钟不能超过14 MHz，因此ADC的时钟被分频为12 MHz。低速外围总线（APB1）时钟频率为36 MHz，USART2，UART5，CAN控制器和定时器等外设挂接在低速外围总线上。

3.3 电压信号数据采集程序设计

数据采集系统接收传感器或变送器输出的标准信号，如-10～10 V的电压信号，4～20 mA电流信号。这些模拟信号通过信号调理转换为0～3 V的电压信号，由控制器的12位ADC转换为数字量，再通过SPI接口的无线射频模块将采集数据发送到PC机。STM32F103VE的ADC模块有两种转换组模式：规则通道组和注入通道组。

在扫描模式下，将多次转换的结果通过DMA存储到SRAM中，并将这些数据求平均，可以使采样值更加精确。在程序设计时，通过控制DMA传输缓冲区大小，将每个通道采集的20个数据保存起来。然后关闭ADC和DMA，求取每个通道转换的平均值，再进行下一系类的数据转换和传输。

3.4 脉冲频率信号采集程序设计

以测量无人机转速为例，选用的是光电传感器，其测试码盘有30个齿轮，一般小型固定翼无人机的最高螺旋桨转速为1 200 r/min，即20 r/s，那么传感器产生的脉冲频率范围在0～600 Hz。实际设计中，使用STM32F103VE的通用定时器功能进行脉冲频率信号的采集。

将定时器管脚选择为上升沿触发，当上升沿信号触发时，计数器开始计数，当下一个上升沿到来时，在中断程序中记下定时器的计数值，根据定时器工作时钟频率，可以计算出外界输入信号的频率。当定时器工作在72 MHz时，那么当满足16定时器不发生计数器溢出的情况下测得的最低频率为：

[f=72 000 00065 536≈1 098 Hz] （1）

因此在配置定时器时，需要对时钟进行预分频，时钟分频系数定为100，即通用定时器的时钟被分频为7.2 MHz，这时系统可以采集到的最低频率为：

[f=72 000 000（65 536×100）≈11 Hz] （2）

满足当无人机螺旋桨转速为20 r/min左右时，数据采集系统也可以采集到准确的转速信息。

4 系统的LabVIEW终端设计与调试试验

4.1 LabVIEW终端设计

试软件前面板包括采集命令发送、数据显示和数据存储三个部分，程序设计好后，使用者可以通过前面板向下位机数据采集板卡发送数据采集指令，查看采集到的数据，保存测试数据以便进行后续的分析处理，测试软件界面如图4所示。

采集命令和参数设计模块主要完成采集命令和采集参数的发送，主要包括采集开始、停止命令，电压采集、电流采集和采集通道，采集频率等。数据包的组成遵守上位机与下位机的数据通信协议。数据显示模块的主要功能是根据上位机发送的采集命令和参数，将下位机返回的数据分类显示。首先经过计算出返回数据包长度，然后通过判断采集命令进入不同数据显示和保存子程序。在数据保存模块中，将采集到的数据存储到Excel表格中的数据进行分析，按照采集数据参数类型分别进行数据存储。

4.2 数据采集系统功能的调试试验

4.2.1 无线数据收发功能调试

为了测试无线模块数据收发性能，对无线模块进行调试实验。实现过程如下：数据采集端通过串口与计算机相连，计算机通过串口调试助手发送数据“radio⁃frequency module test”到数据采集板卡，数据采集板卡将接收到的数据通过无线模块发出，数据经由PC机数据通信板卡接收通过USB接口显示在上位机测试程序上[7]，测试结果如图5所示，结果表明数据采集系统完成了数据无线收发功能。

4.2.2 电压采集功能调试

实现数据采集系统的无线数据收发功能以后，进行数据采集板卡的A/D转换功能调试。实验中使用信号发生器产生电压信号，数据采集卡进行信号采集，测试结果如图6所示。

图2所示信号发生器产生2 V直流电压，直接连接STM32F103VE的ADC模块，将采集到的电压值通过上位机显示，测试中信号发生器分别产生0.5 V，1 V，2 V，3 V的直流电压信号，获得采集数据，部分实验数据结果如表1所示。可以看出实际测得的电压与标准电压最大浮动在0.007 V左右，电压值不确定度为0.007 V，通过信号调理板卡进行电压调理，然后由数据采集卡进行采集，实验结果如图7所示。

输入幅值为10 V的正弦波信号，采集到的波形应为0～3 V的正弦波，对测得数据进行观察分析，整理得到采集信号的峰⁃峰值结果如表2所示。

采集电压值与理论值相差0.03 V左右，不确定度为0.03 V，信号调理通道带来的影响是误差增大的原因，运放本身的温漂、电压基准本身误差以及通道间干扰都会对最终转换结果带来影响[8]。就总体而言，信号调理通道能够按照设计指标完成电压转换工作，无线数据采集系统实现了电压信号的采集和显示功能，测量精度满足无人机测试系统要求。

4.2.3 脉冲频率信号采集功能调试

脉冲频率信号采集功能测试选用信号发生器产生一定频率的方波信号，通过光耦隔离电路，经控制器通用定时器采集，并且通过计算得出采集信号频率，发送到上位机测试软件进行显示、存储。信号发生器分别产生1 kHz和50 Hz的方波信号，采集的频率数据如图8所示。实验数据表明数据采集系统可以满足无人机测试系统对螺旋桨转速信号采集功能的要求，并且能够达到较高精度。

5 结 论

针对无人机测试系统的功能需要，通过总体设计、硬件设计、软件设计和软硬件调试，最终完成了基于LabVIEW和射频技术的无人机测试数据采集系统构建。该系统调试运行稳定，各项数据采集功能正常执行，有效地解决了旋转测试和短距离测试数据传输的问题。该系统以其丰富的数据采集接口，还可以应用到其他工业测试场合。在今后的研究中将进一步完善通信协议，提高系统运行效率，增强系统人机交互功能。

参考文献

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