一種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。這種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)和分別于單片機(jī)連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機(jī)、微型振動電機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果是：實(shí)現(xiàn)了方位控制系統(tǒng)的功能，其中包括實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II操作系統(tǒng)移植，三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)采樣，TFT屏顯二維圖像文字信息以及單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通信。同時該系統(tǒng)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了OpenGL三維場景的搭建，能對虛擬三維小球的方位進(jìn)行控制，還加入三維小球障礙物的碰撞識別功能，并能使用鍵盤對上位機(jī)運(yùn)行/停止進(jìn)行設(shè)置。
【專利說明】一種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種方位控制系統(tǒng)，更具體說，它涉及一種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)械加工技術(shù)(下文簡稱MEMS, Micro Electro - Mechanical System)的快速發(fā)展，各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生。MEMS器件主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路幾部分。米用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及消費(fèi)類電子領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]三軸加速度傳感器作為基于MEMS技術(shù)的典型電子器件,能提供方向、雙擊、搖晃、傾斜和振動等檢測功能。因其較低的成本、小尺寸、低功耗、高性能等優(yōu)勢，已大規(guī)模應(yīng)用到消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計中。比較成功的應(yīng)用有姿態(tài)與動作控制識別、趣味性擴(kuò)展功能、功耗控制等。
[0004]隨著MEMS技術(shù)的成熟，微機(jī)械三軸加速度傳感器的各項指標(biāo)都已經(jīng)基本達(dá)到了現(xiàn)階段應(yīng)用開發(fā)的要求。其目的就是要獲取測量目標(biāo)在相對于地球引力方向的位置關(guān)系，一般反應(yīng)為x、y、z三軸的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)可以是模擬量也可以是數(shù)字量，取決于所選傳感器的信號處理電路類型。應(yīng)用開發(fā)者通過獲取三組數(shù)據(jù)，并在計算機(jī)上對其進(jìn)行處理，就可以得到測量目標(biāo)物在三個基準(zhǔn)軸上的角度傾斜程度，從而判斷出測量目標(biāo)物在空間中的相對姿態(tài)。
[0005]目前，微機(jī)械三軸加速度傳感器被廣泛的應(yīng)用于消費(fèi)類電子，汽車電子、醫(yī)療保險、工業(yè)控制等領(lǐng)域。但由于其適用范圍的限制和開發(fā)流程的復(fù)雜化，導(dǎo)致了它的開發(fā)門檻并沒有隨著其產(chǎn)品性能的優(yōu)化而有所降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理，適用范圍廣，開發(fā)流程簡單的基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)。
[0007]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。這種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)和分別于單片機(jī)連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機(jī)、微型振動電機(jī)；
[0008]所述單片機(jī)為ST公司的STM32F103ZET6單片機(jī)，以下簡稱STM32 ；其CPU的PA9-US1-TX (P6.8)、PA IO-US1-RX (P6.9)、PA9-US2-TX (P2.5)、PA10-US2-RX (P2.6)通過MAX3232實(shí)現(xiàn)兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上，用于同上位機(jī)通信；
[0009]所述三軸加速度傳感器為ADI公司的ADXL345型三軸數(shù)字式加速度傳感器；三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接；
[0010]所述顯示屏為2.4寸TFT顯示器集成ILI9325控制器，IXD片選CS采用FSMC_NEl (P8.8)，F(xiàn)SMC_A16 (P5.8)作為 LCD 的 RS 選擇，F(xiàn)SMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，F(xiàn)SMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET 腳用 STM32 的 PEl (P9.8)，F(xiàn)SMC_D0 ?FSMC_D15與LCD的Dl?D8、DlO?D17相互連接；觸摸接口采用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3 ；由于LCD背光使用恒流源芯片PT4101控制，采用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由roi3-LIGHT-PWM來控制；觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是:結(jié)構(gòu)合理，適用范圍廣，開發(fā)流程簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型硬件框架示意圖；
[0013]圖2為ADXL345模塊外圍電路圖；
[0014]圖3為ADXL345與STM32連接電路圖；
[0015]圖4為TFT顯示模塊與STM32連接電路圖；
[0016]圖5為RS232電平轉(zhuǎn)換電路圖；
[0017]圖6為硬件連接原理圖；
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。雖然本實(shí)用新型將結(jié)合較佳實(shí)施例進(jìn)行描述，但應(yīng)知道，并不表示本實(shí)用新型限制在所述實(shí)施例中。相反，本實(shí)用新型將涵蓋可包含在有附后權(quán)利要求書限定的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的替換物、改進(jìn)型和等同物。
[0019]總體設(shè)計:
[0020]本控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是基于ST公司的STM32F103ZET6單片機(jī)，傳感器則是應(yīng)用ADI公司的ADXL345型三軸數(shù)字式加速度傳感器，[4]并采用由ILI9320液晶控制以及ADS7841數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片共同控制的3.2英寸薄膜場效應(yīng)晶體管(TFT:Thin FilmTransistor)可觸摸顯示屏。并采用A1234型微型振動電機(jī)來拓展系統(tǒng)的碰撞感知功能。
[0021]其主要的運(yùn)作過程是這樣的，ADXL345根據(jù)物體運(yùn)動姿態(tài)采集提供該時刻的三軸(X-Y-Z)加速度(α X- a y- α Z)數(shù)值，并通過IIC總線將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)。單片機(jī)在收到來自ADL345的數(shù)據(jù)后將其進(jìn)行算法處理得到物體的相對于初始狀態(tài)的三軸傾斜角(β X- β y_ β ζ)，并根據(jù)三軸傾斜角度來判斷物體該時刻的姿態(tài)。最終得以控制TFT屏幕上2D物體的運(yùn)動方位狀態(tài)。同時上位機(jī)上可以同步顯示3D物體的運(yùn)動行為，并對該行為過程進(jìn)行監(jiān)控與記錄。
[0022]單片機(jī)處理器模塊:
[0023]STM32系列32位閃存控制器是ST公司基于ARM Cortox_M3內(nèi)核專門為嵌入式應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域而推出的，主要為MCU向32位架構(gòu)提供低成本的解決方案。受益于CortoX-M3結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型功能及性能改進(jìn)的代碼密度更高的Thumb-2指令集，STM32系列處理器不僅大幅提高了中斷響應(yīng)速度，同時兼具業(yè)內(nèi)最低的功耗，具有高集成度和易開發(fā)性的特點(diǎn)。
[0024]本設(shè)計所采用的STM32-V3開發(fā)板基于STM32F103VET6處理器。在存儲能力方面，它擁有128K的ROM以及高達(dá)20K的SRAM。在計算能力方面，它的最高工作頻率72MH，允許進(jìn)行單周期乘法和硬件除法。在外設(shè)方面，它具有多達(dá)80個快速I/O 口，所有I/O 口均可映像到16個外部中斷；多達(dá)9個通訊接口，其中包括2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、CAN接口和USB2.0接口。本設(shè)計涉及的接口主要有JTAG調(diào)試接口，RS232接口，用于控制TFT液晶顯示屏的FSMC接口，以及由跳線柱引出的用于與三軸數(shù)字加速度傳感器相連接的通用GPIO 口。
[0025]三軸加速度傳感器模塊:
[0026]ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計，分辨率高(13位)，測量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI (3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。
[0027]該三軸加速度傳感器由兩部分組成:重力感應(yīng)單元和信號轉(zhuǎn)換電路，其中重力感應(yīng)單元等效為兩個固定的電容極板中間放置一個可移動到的極板。當(dāng)有加速度作用于系統(tǒng)時，中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置的距離測量加速度值。距離變化與極板間電容值呈現(xiàn)比例關(guān)系，電容值的計算公式如下:
[0028]其中A為極板的面積，δ是極板間距離，ε是電介質(zhì)常數(shù)。
[0029]ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或 沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。
[0030]該器件提供多種特殊檢測功能?；顒雍头腔顒訖z測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動發(fā)生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。
[0031]這些功能可以獨(dú)立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。它獨(dú)有的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動加速度測量。
[0032]本設(shè)計采用ADXL345模塊外圍電路如圖2所示:
[0033]由于V3開發(fā)板的STM32片上I2C總線接口已經(jīng)被其他硬件所占用，唯一的辦法只能采用I/o 口實(shí)現(xiàn)模擬I2C接口。三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接。具體的連接硬件電路如圖3所示:
[0034]TFT顯示器模塊:
[0035]2.4 寸 TFT 顯示器集成 ILI9325 控制器，采用 STM32 的 FSMC(Flexible StaticMemory Controller)功能，LCD 片選 CS 采用 FSMC_NE1 (Ρ8.8)，F(xiàn)SMC_A16 (Ρ5.8)作為 LCD 的RS 選擇，F(xiàn)SMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，F(xiàn)SMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET腳用 STM32 的 PEl (Ρ9.8)，F(xiàn)SMC_D0…FSMC_D15 與 LCD 的 Dl...D8、D10…D17 相互連接。觸摸接口采用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3。由于LCD背光使用恒流源芯片PT4101控制，采用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由PD13-LIGHT-PWM來控制。觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。具體的連接電路如圖4所示:
[0036]RS232通訊模塊:
[0037]STM32V3 開發(fā)版擁有兩路 RS-232 接口，CPU 的 PA9-US1-TX (P6.8)、PA10-US1-RX(P6.9)、PA9-US2-TX (Ρ2.5)、PA10-US2-RX (Ρ2.6)通過 ΜΑΧ3232 實(shí)現(xiàn)兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上。如圖5所示。[0038]由于許多現(xiàn)有筆記本電腦中沒有配備RS232接口，為了解決這個問題，可以通過連接RS232-USB轉(zhuǎn)接線，將開發(fā)板上的RS232接口與上位機(jī)電腦的USB接口相連接。對于配有RS232接口的臺式工程機(jī)，大可不必如此，直接通過RS232連接線連接即可完成數(shù)據(jù)傳輸。
[0039]硬件連接方式:
[0040]首先要把STM32-V3開發(fā)板上的供電接口連接通過一根B型轉(zhuǎn)A型USB接口線連接到PC上，通過PC上的USB接口為開發(fā)版提供穩(wěn)定的5V供電。然后將排線連接STM32-V3開發(fā)板上的JTAG接口與J-Link仿真器相連接，再通過一根B型轉(zhuǎn)A型USB接口線連接PC上的USB接口。接著，將串口公母轉(zhuǎn)換延長線一端連接開發(fā)板，另一端與RS232轉(zhuǎn)USB線相連接。連接方式如圖6所示:
[0041]在連接過程中最容易出錯的就是三軸加速度模塊，在連接該模塊時，可通過排線的顏色來區(qū)分，排線從模塊接出時，黃線為VCC，需要注意的是該VCC電壓值為3.3V ;綠線為GND，藍(lán)線為SDA，紫線為SCL。排線接入STM32-V3開發(fā)時候，由于轉(zhuǎn)接了一段排線延長線，排線顏色發(fā)生變化。黃線為VCC，橙線為GND，紅線為SDA，棕線為SCL。[0042]JLink仿真器設(shè)置:
[0043]在連接好Jink的硬件接口之后，還不能直接進(jìn)行片上調(diào)試，需要在KeiluVision4中對其相應(yīng)的選項進(jìn)行正確的配置。將光標(biāo)放置在工程文件夾的圖標(biāo)上，點(diǎn)擊右鍵，選擇 Options for Target Flash…選項,在 Link 配置頁選擇 Use Cortex-M/R JLINK/J-Trace0 然后點(diǎn)擊 Settings,在 Flash Download 配置頁選擇 Download Function 為 EraseFull Chip,并在 Programming Algorithm 中選擇 STM32F10x High-density Flash 類型。
[0044]ADXL345不但可以采用I2C總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時還可以采用SPI總線方式。比較于I2C，SPI作為三線接口具有更高的時鐘工作頻率，并且不需要上拉電阻。由于I2C只有作為二線接口只有一條數(shù)據(jù)線，只能工作在半雙工模式下，而SPI則可以在全雙工模式下運(yùn)行。除了在傳輸速率方面的優(yōu)點(diǎn)，SPI總線無需上拉電阻，抗干擾能力也在I2C之上。唯一美中不足就是會占用較多的總線數(shù)量用于通訊，但對于管腳資源豐富的STM32單片機(jī)而言，這也不會是什么太大的負(fù)擔(dān)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三軸加速度計的方位控制系統(tǒng)，其特征在于:包括單片機(jī)和分別于單片機(jī)連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機(jī)、微型振動電機(jī)； 所述單片機(jī)為ST公司的STM32F103ZET6單片機(jī)，以下簡稱STM32 ；其CPU的PA9-US1-TX (P6.8)、PA IO-US1-RX (P6.9)、PA9-US2-TX (P2.5)、PA10-US2-RX (P2.6)通過MAX3232實(shí)現(xiàn)兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上，用于同上位機(jī)通信； 所述三軸加速度傳感器為ADI公司的ADXL345型三軸數(shù)字式加速度傳感器；三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接； 所述顯示屏為2.4寸TFT顯示器集成ILI9325控制器，IXD片選CS采用FSMC_NEl (P8.8)，F(xiàn)SMC_A16 (P5.8)作為 LCD 的 RS 選擇，F(xiàn)SMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，F(xiàn)SMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET 腳用 STM32 的 PEl (P9.8)，F(xiàn)SMC_D0 ?FSMC_D15與LCD的Dl?D8、DlO?D17相互連接；觸摸接口采用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3 ；由于LCD背光使用恒流源芯片PT4101控制，采用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由roi3-LIGHT-PWM來控制；觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。
【文檔編號】G05D3/12GK203759547SQ201320761277
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】畢崗, 王增剛 申請人:浙江大學(xué)城市學(xué)院