气压高度表设计毕业设计(编辑修改稿)

气压高度表设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

H 和大气温度变化产生的高度误差 0TH 之和，而忽略由于β变化引起的高度误差。 大连理工大学本科毕业设计 10 3 系统硬件方案设计 本款气压高度表是面向无人飞机或其他航天设备设计的，由于高空的温度较低，机械振动、冲击加大，工作环境十分恶劣，因此在选择器件时还需要考虑到工作环境的影响，根据使用现场的条件选择可靠性高的器 件。 对系统的抗干扰性，稳定性等指标有较高要求，另外，低功耗也是系统设计的一个重要指标。 单片机的选择 通过以上的应用分析，我们最终选择了抗干扰能力，功耗情况，芯片速度和芯片外设等方面均符合本系统设计要求的 STM32 单片机。 STM32 结构概述 STM32 系列是基于 CortexM3 核的微控制器，它在 CortexM3 内核的基础上扩展了高性能的外围设备。 CortexM3 是 ARM 公司最新推出的基于 ARMv7 体系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入 式应用领域设计。 ARMv7 架构采用了 Thumb2 技术，它是在 ARM 的 Thumb 代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存 ARM 解决方案完整的代码兼容性 \[3\]。 Thumb2 技术比纯 ARM 代码少使用 31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比 Thumb 技术高出 38%的性能。 在中断处理方面， CortexM3 集成了嵌套向量中断控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。 NVIC 是 CortexM3 处理器的一个紧耦合部分，可以配置 1~240 个带有 256 个优先级、 8 级抢占优先权的物理中断，为处理器提供出色的异常处理能力。 同时，抢占（ Pre emption）、尾链（ Tail chaining）、迟到技术（ Late arriving）的使用，大大缩短了异常事件的响应时间。 CortexM3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。 CortexM3 体系架构提出了新的单线调试技术，CortexM3 处理器的跟踪调试是通过调试访问端口 (Debug Access Port， DAP)来实现的。 DAP 端口可以作为串行 线调试端口（ SWDP）或串行 JTAG 调试端口（ SWJDP，允许 JTAG 或 SW 协议）使用。 其中 SWDP 只需要时钟和数据 2 个引脚，实现低成本跟踪调试，避免使用多引脚进行 JTAG 调试，并全面支持RealView 编译器和 RealView 调试产品。 此外 CortexM3 还具备高度集成化的特大连理工大学本科毕业设计 11 点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。 STM32 系列是基于 CortexM3 核的微控制器，它在 CortexM3 内核的基础上扩展了高性能的外围设备。 本系统采用的 STM32F103RBT6 芯片具有 72MHz 的最高主频，零等待的内存读取，单周期的乘除法计算， 128KB 的存储器空间， 20KB 的 RAM 空间，具有停止模式、睡眠模式和待机模式可提供高性能的低功耗模式，两个 12 位精度AD 转换器， 7 通道 DMA 控制器，支持外设 ADC,SPC,USART 等， 3 路 16 位定时器，每个定时器包含 4 路输入捕获输出比较单元，一路高级 16 位定时器，可产生 6 路 PWM 信号，包含 IIC,USART， SPI， CAN,USB 等总共 9 个通信接口。 图 31 STM32F10X系列系统结构 图 STM32 单片机特点 STM32 的特点很多，本系统选择 STM32 主要考虑其以下几个方面 的特点： 集成度高，供电电压低 STM32 是完全集成的混合信号系统级芯片，片内集成了 ADC、温 度传感器、 SPI、定时器等模拟和数字外设，这些功能部件的高度集成为系统减 大连理工大学本科毕业设计 12 小体积，降低功耗，提高可靠性提供了方便。 同时 STM32 摆脱了 5V 供电标 准，供电电压范围低至 ～ 之间，根据功耗与电源电压平方成正比的关 系，采用较低的工作电压将大大降低功耗。 低功耗功 能和特性 要使得单片机的电流消耗降低，具有低功耗功能十分重要。 低功耗单片机应可提供不同级别的低功耗工作方式。 STM32 具有两种功能级别的低功耗工作模式，即待机模式和停机工作模式。 在待机方式下， CPU 停止工作，所有外设仍处于工作状态，当有中断产生或系统复位， CPU 退出等待方式。 在停机方式下 CPU 和所有的数字外设都停止工作，当有内部或外部复位产生时处理器退出停机方式，停机方式下电源电流消耗仅为 14μ A。 而在待机模式下，芯片的工作电流为 2 至 3μ A。 可通过设置电源控制寄存器（ PCON）的相应位进 入低功耗工作模式。 合理的运用这两种工作模式，可减少非工作状态下得电流消耗。 快速灵活的时钟系统 时钟系统是降低单片机功耗的关键，进入或退出低功耗模式以及快速执行 指令处理数据的能力都与系统时钟有着密切的关系。 由于 CPU 在等待时钟稳定 下来期间会消耗电流，因此在低功耗系统中“即时启动”功能的时钟必不可少。 STM32 可以在 10μｓ～ 20μｓ时间内为 CPU 提供稳定的系统时钟，减少了 不必要的电流消耗。 同时 STM32 可提供内部振荡器和外部振荡器两种时钟源，内部时钟振荡器在无需外 部器件支持下可提供 2MHz、 4 MHz、 8 MHz、 16 MHz 的时钟；外部振荡器有晶体、 RC/C、外部 CMOS 时钟 4 种方式可供选择。 内部带有 PLL，可以轻易获得自己想要的时钟频率。 两种时钟振荡器可分别独立运行，也可同时使用，通过软件控制可以在两个时钟之间方便的转换，这样就为在低功耗和正常工作状态选择合适的工作频率提供了方便。 丰富的中断源 STM32 支持多达 60 多个中断，并且每个中断源的优先级分为响应优先级和抢占优先级，总共可配置为 7 个等级，丰富的中断源使得系统的事件驱动能力增强 ， CPU 的执行效率增加。 对于单片机系统而言，中断越多，其防止浪费电流的 CPU 查询和降低功耗的灵活性越大。 CPU 的查询意味着 CPU 工作在等待事件的发生状态，不仅造成 CPU 带宽的浪费而且消耗了额外的电流。 比如在键盘或按键的应用中，如果采用查询方式，不仅查询自身会消耗功率，而且需要定时器控制轮询间隔时间，增加额外的定时器电流消耗。 如果采用中断方式， CPU 只在按键按下时响应中断，其他时间处于等待方式。 另外， STM32 单片机官方提供很齐全的参考资料，特别是中文资料很丰富，加上 STM32 市场 占有率高，因此在使用 STM32 过程中如果遇到问题，可以比大连理工大学本科毕业设计 13 较方便的解决，特别是对经验并不丰富的学生来说。 STM32F103RBT6 单片机的最小系统如图 32 所示。 BOOT060NRST7OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16PA0WKUP14PA115PA216PA317PA420PA521PA622PA723PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI50PB026PB127PB2/BOOT128PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PB557PB658PB759PB861PB962PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC08PC19PC210PC311PC424PC525PC637PC738PC839PC940PC1051PC1152PC1253PC13TAMPERRTC2PC14OSC32_IN3PC15OSC32_OUT4PD254VBAT1VDD_132VDD_248VDD_364VDD_419VDDA13VSS_131VSS_247VSS_363VSS_418VSSA12U1STM32F103RBT63V310kR1100nFC1S1PA4PA5PA6PA7PA8UA_TXUA_RXPA11PA12JTMSJTCKJTDIPD212Y112M27pFC227pFC310kR210kR3100nFC43V3S2231S33V33V3PB0PB13V3JTDOJNTRSTPB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PC0PC1PC2PC3PC4PC5AD_DIO1AD_DIO2PC8PC9PC10PC11PC12PC1312Y210pFC510pFC6NRST10kR4231S4DIDOCLK 图 32 STM32F103RBT6单片机最小系统 气压传感器 本系统为气压高度表，因此控制器需要先测量当前气压，再通过一定计算公式计算得出当前高度，所以，气压测量精度直接影响到高度的计算，因此气压传感器的选型非常重要，它的性能直接决定了整个系统的性能。 本系统采用了MS5534BP 数字气压传感器。 气压传感器概述 MS5534BP 气压传感器是一个数字传感器，它内部包含一个气压传感器、一个 AD 转换器和一个数字通信接口，传感器先将气压这一非电量转化成为一个电量，但其为模拟量， AD 转换器将这个模拟量转化为数字量，并通过数字通信接口将数字量输出到外部控制器，供其计算和控制。 大连理工大学本科毕业设计 14 MS5534BP 传感器具有如下特性： 测量范围从 1KPa 至 110KPa。 片上存储了 6 组软件校正数据。 具有 15 位精度的模数转换器。 具有三线式数字通信接口。 供电电压可在 围内。 MS5534BP 传感器的结构图如图 33 所示。 图 33 MS5534BP传感器结构图 气压传感器一般为压阻式压力传感器，它是利用单晶硅的压阻效应制成的，其压敏元件为分布在硅膜片特定方向上的四个半导体电阻，这四个电阻构成惠斯登电桥，当膜片受到外界压力时，电桥失去平衡，如果对电桥加以恒流源或恒压源激励，便可得到与被测压力成比例的输出电压，间接的测出压力值。 由于气压测量还跟当前的气温有很大关系，所以传感器内还有一个温度传感器，可以测量当前环境温度，并将温度值作为气压计算 的修正参数，进一步提高传感器的测量精度。 由图 34 可以看出，传感器的输出是与气温有很大关系的。 大连理工大学本科毕业设计 15 图 34 气压与气压关系 从图中可以看出，温度不同时，传感器在相同气压下的输出值是有一定差别的，但是从图中还可以看到，在相同温度下，传感器的输出和实际气压值基本呈线性关系，因此温度对测量的影响可以再引入一个参数进行修正，就是当前气温，所以传感器内部也包含一个温度传感器，这样通过单片机进行修正计算，便能得到较为准确的气压值。 气压传感器的校正 根据 MS5534B 的数据手册 说明，此传感器的输出值是未经校正的测量值，必须通过外部的控制器进行校正后，才能得到较为准确的测量值。 在芯片上，针对温度测量和气压测量分别写入了两组校正参数，每组有 2 个 16 的数据，即总共有 64 位的校正数据，这些数据必须通过外部控制器通过数字接口读出，读取可以在芯片初始化之后。 WORD1， WORD2,WORD3 和 WORD4 为芯片内存存储的四组校正参数，每组为 16 位长度，这四组参数需要通过异味和累加，得到 6 组实际校正参数，分别为 C1， C2， C3， C4， C5 和 C6，这六组实际校正参数在芯片内的存储方式如图 35 所示。 大连理工大学本科毕业设计 16 图 35 实际校正参数在芯片内的存储方式 通过上图，可以看到实际校正参数 C1， C2， C3， C4， C5 和 C6 在校正参数WORD1， WORD2,WORD3 和 WORD4 中的存储位置，通过控制器的计算，可以从校正参。