摘 要： 介紹了基于DSP和BMP085數字氣壓傳感器的高精度高度采集系統在無人機上的設計，并對系統實際運行的結果數據進行測試分析，實現高度的測量與傳輸。重點描述了系統采集端軟硬件的設計與實現，闡述了軟件與硬件的設計要求。本系統功耗低、結構簡單、精度高、抗干擾能力強、且能減少環境因素變化的影響，該測量系統使用卡爾曼濾波算法對測量數據進行修正，以便更準確地計算出相對高度。
關鍵詞： DSP；BMP085；卡爾曼濾波；無人機
具有自主飛行能力的無人駕駛飛機是一個應用到多學科前沿性的研究課題，無人機在機艙內不需要有人進行操縱，它在飛行的過程中依靠各種電子設備，全自動地完成各種姿態飛行。高度信息作為無人機的一項飛行參數，是保障無人機飛行控制系統正常有維持飛機安全平穩飛行的一個重要指標。本文以BMP085氣壓傳感器為研究對象，采用卡爾曼濾波算法，通過TMS320F2812 DSP構建一種更為精確的高度采集系統[1]。
1 系統工作原理及硬件結構
基于DSP的無人機高度采集系統的硬件部分主要包括氣壓和溫度采集、數據處理及數據發送3個部分。該系統使用氣壓溫度傳感器采集無人機的氣壓和溫度值送到無人機的處理器，使用無線傳輸發送給地面控制中心并通過公式計算得到相對高度值，經過卡爾曼濾波算法修正數據得到更為精確的高度值，以便于地面站工作人員對無人機進行控制，使無人機運行在安全可靠的飛行高度。
1.1 系統總體框架
基于DSP的無人機高度采集系統總體結構如圖1所示，系統硬件部分由BMP085數字式氣壓傳感器、TMS320F2812 DSP、無線傳輸模塊、電源模塊以及其他外圍電路組成。TMS320F2812控制器通過I/O口模擬I2C總線與BMP085氣壓傳感器相連接，BMP085氣壓傳感器實時獲得測量點的壓強值與溫度值，通過I/O口發送給控制器處理，并將壓強值與溫度值數據通過無人機的無線傳輸模塊實時傳輸到無人機地面站。無人機地面站接收數據后，根據壓力與高度的轉換關系，求得在該氣壓下的相對應的高度值，對高度值進行補償，并用卡爾曼濾波算法進行數據修正，分析后進行存儲，再通過上行數據鏈把控制指令發送給飛控中心，調整無人機的姿態，從而控制無人機的高度，使無人機的飛行更加平穩[2]。
1.2 系統硬件選擇
TMS320F2812數字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器，是目前控制領域最先進的處理器之一。其頻率高達150 MHz，大大提高了控制系統的控制精度和芯片處理能力；處理數據位數也從16位定點躍升到32位定點；最大的亮點是其擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的A/D數據采集，支持JTAG邊界掃描接口；具有8 KB內部ROM存儲器和128 KB的內部Flash存儲器，3個32位CPU定時器；串口通信外設主要包括1個SPI串行接口、兩個SCI串行接口、增強型控制器局域網通信接口Ecan2.0B；56個可配置通用I/O引腳；具有低功耗模式和省電模式；外部I/O口電壓為3.3 V，內核電壓為1.8 V，Flash的編程電壓為3.3 V；有179引腳BGA封裝和176引腳的LQFP封裝[3]。
為了滿足系統的抗超過載的要求，采用德國Bosch公司基于MEMS的BMP085氣壓傳感器。BMP085采用強大的8-pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，其壓力測量范圍為30 kPa~110 kPa（相當于-500 m~9 000 m），絕對精度最低可以達到0.03 hPa（0.25 m），溫度測量范圍為-40℃~+85℃。BMP085傳送的是沒有經過補償的溫度和壓力值，要想得到補償過的溫度和壓力值可以通過BMP085的EEPROM存儲器中的標準數據進行補償。EEPROM儲存了176位單獨的標準數據，這些數據用于溫度和壓力補償，而176位的EEPROM被劃分為11個字，每個字16位，一共11個校準系數，每個器件模塊都有自己單獨的校準系數[4]。
1.3 DSP系統內部框架
由于壓力傳感器的數據都是通過I2C總線傳輸給DSP，而TMS320F2812缺少I2C總線接口，所以這里使用TMS320F2812的I/O模擬I2C總線。無線收發模塊則是通過SPI把數據發送給無人機地面站，因此在系統中要有SPI和I/O才能接收和發送數據，以完成該系統的完整設計。而DSP內部則包含了這兩部分，只需要調用這些模塊再配置好參數就可以與外部接口模塊進行數據的傳輸[5]，如圖2所示。
2 系統的軟件設計
測量系統的軟件設計程序是基于Keil uVision4，使用C語言編寫。程序設計思路為從頂層到底層，采用模塊化設計方案，主要包括系統及其初始化、I/O口模擬I2C口通信以及卡爾曼濾波算法修正數據等3個子程序模塊。主程序以循環方式進行，系統工作流程圖如圖3所示。
2.1 I/O口模擬I2C口通信
I/O口模擬I2C口通信主要用于TMS320F2812與BMP085之間的通信。對I/O口模擬I2C口通信進行設置后，控制器通過I2C接口提前將BMP085中的EEPROM的11個補償系數讀取出來，便于后面的溫度補償計算。DSP發送開始信號給BMP085傳感器，啟動傳感器的壓強與溫度測量。BMP085傳感器接到DSP發來的開始信號后，開始對當前壓強與溫度進行測量。經過4.5 ms的時間轉換后，DSP利用I2C接口讀取BMP085傳感器中測量的壓強與溫度，并結合獲取的補償系數對溫度和壓強進行溫度補償。
該無人機于2011年暑假期間制作完畢，經過遙控試飛調試后，整機載重可達2.5 kg，飛行時長可滿足一般性巡航任務。機艙內空間較為充足，可安裝的體積為7 cm×8 cm×9 cm，考慮到該點，硬件電路板采用接插板的形式進行設計。
BMP085數字式壓力傳感器對氣壓-海拔高度提供了參考公式，利用該公式配合傳感器采集到的氣壓值能得到較好的海拔高度，再經過卡爾曼濾波后得到的值更為精確。
其中氣壓-海拔高度公式為：
Altitude=44 330[1-（P-P0）（1/5.255）]
其中，Altitude是以m為單位的海拔高度值，P0為標準大氣壓值，P為當前某一高度的大氣壓強值。
整機測試結果如表1所示，以海拔高度測量結果作為理論值，將本機高度測量結果和海拔儀結果作對比。由于實驗條件有限，高度取值范圍為0~500 m。
從表1可以看出，經過系統解算出的高度誤差值在測量范圍內最大為0.52 m，系統誤差普遍小于1 m。氣壓高度采集系統誤差主要由傳感器本身誤差、電路誤差和解算誤差造成。系統經過傳感器校正、溫度補償、軟件濾波和解算高度公式，確保了測量結果的高精度，因此該高度測量系統滿足高度測量的需求。
采用BMP085大氣壓力傳感器和TMS320F2812 DSP設計的高精度高度采集測試系統，通過簡潔的電路和有效的軟件濾波算法，具有良好的穩定性和較高的精度，適用于精度高、體積小、方便攜帶等多功能的需求，在實際生活中有較為廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 王晅，李小民.高精度小型無人機氣壓高度測量系統的設計[J].測控技術，2012，31（2）：12-15.
[2] 梁勝展，郭雪梅，余曉填.基于BMP085氣壓傳感器及BP算法的高度測量研究與實現[J].傳感技術學報，2013（5）：654-659.
[3] 蔣樂平.基于DSP的太陽能飛艇飛控系統研究[D].南昌：南昌航空大學研究生院，2012.
[4] 王俊彩，王福平，侯瑞峰，等.基于BMP085的一種便攜式海拔高度測量系統設計[J].傳感器與微系統，2011，30（12）：123-125.
[5] 王琪，蔣樂平.基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統設計[J].電子技術應用，2012，38（1）：41-43.
[6] 敬喜.卡爾曼濾波器及其應用基礎[M].北京：國防工業出版社，1973.