基于的汽车无线姿态测量系统设计
第14卷第17期2014年6月
1671
科学技术与工程
ScienceTechnology-andEngineering
V01.14
No.17Jun.2014
1815(2014)17—0087—05
⑥2014
Sei.Teeh.Engrg。
计算机技术
基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计
刘百芬
李图之陈鹏展杜汉亭
(华东交通大学电气与电子工程学院,南昌330013)
摘要设计一种基于nRF51822芯片的汽车无线姿态测量系统;该系统以新型无线射频芯片nRF51822作为处理单元和无线发射模块,结合MPU6050传感器设计而成,两者之间通过12C接口通信。nRF51822通过无线模块与上位机通信,上位机采用LabVIEW平台对汽车原始数据和姿态角数据进行实时显示、存储,实现一种高性能、低成本、低功耗的无线汽车姿态测量系统。实验测试表明:无线通信姿态测量系统实时性好、精度高,能够满足一般汽车姿态测量要求。关键词汽车姿态测量中图法分类号TP274.2;
nRF51822
MPU6050
LabVIEW
数据采集无线通信
文献标志码A
人们越来越重视汽车行驶的安全性问题,对汽
车运行稳定性的要求也越来越高。汽车运行时的姿
电源供电。
态是对车辆运行稳定性、安全陛判定的标准之一,姿
态实时准确地测量是汽车动力学研究的基础。本设计主要包括数据采集和分析处理,将其转换成姿态
信息,并经过无线通信的方式传输到上位机,然后在
LabVIEW平台上对汽车姿态数据进行实时显示和数据存储。
MPU6050是6轴运动处理传感器,它集成了3
Fig.1
图1系统设计框图
Diagramof
thedesignedsystem
轴陀螺仪、3轴加速度传感器和一个数位运动处理
器(digital
tegrated
motion
processor,DMP),通过12C(inter—in—
1.1
nRF51822与MPU6050硬件接口模块nRF51822作为系统的控制核心可直接控制
cilvuit)总线串行输出三轴方向上的加速度
和角速度。DMP可处理运动感测的复杂数据,降低了运动处理运算对操作系统的负荷,测量精度高¨。;nRF51822是NORDIC公司设计生产的一款多
MPU6050的工作状态和数据采集,并将MPU6050采集的数据经过解算处理然后通过无线射频传输给PC端。
nRF51822与MPU6050通过12C总线接口进行
协议的超低功耗的无线芯片,它集成了功能强大且
低功耗的32位ARMCortex—MO处理器,并且支持蓝牙4.0、ANT和专有2.4GHz等协议的非并行和并行操作旧J。在当下移动终端快速发展,nRF51822在
通信,其电路结构如图2所示。总线拥有二线接口,
包括串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。通过串行数据线和串行时钟线在连接到总线的器件间传
汽车电子技术无线通信领域有着广阔的应用前景。
递信息,数据从高位到低位依次传输。接口串行数
据传输速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达3.4
Mbit/s_lJ,
1系统硬件设计
系统硬件设计框图如图1所示,图1中虚线表示无线传输,实线表示接口传输。硬件电路主要包括两片nRF51822、一片MPU6050和FT232RL芯片。系统采用两种供电方式:3.3V锂电池和外接5
2014年1月18日收到
V
工作模式是主从式,连接到接口的设备可做主设备或从设备。
设计中nRF51822作为主设备,拥有一个两线接口(twowireinterface,TwI)模块,能够兼容总
线旧o。传输速率模式采用快速模式。nRF51822负
国家自然科学基金(61164011)、
江西省自然科学基金(20114BAB201023)资助
责向MPU6050写入控制指令,MPU6050作为从设
备向nRF51822传送采集的数据和中断事件。
第一作者简介:刘百芬(1957),男,教授。研究方向:检测技术、电
科学技术与工程
14卷
VDD
3V
SCL
丢k耋
24
2。}
结束标志(P)结束。拒绝应答信号定义为SDA数据在第9个时钟周期一直为高。
,。
1.2通信模块
采用两片nRF51822来实现数据采集系统与上
k
"(LOGIC
SDA
15
lNT
1,17
位机无线通信功能。nRF51822Radio模块工作在
2.4
GND
GHz频段悼o。根据功能需求对Radio模块进行
相应配置,首先配置工作模式:下位机发送、上位机
图2
nRF51822和MPU6050的12C接口电路
Fig.2
接收;然后对两芯片Radio模块数据通道进行配对,
The12CinterfacecircuitbetweennRF51822andMPU6050
保证数据仅在两Radio模块间传输;传输速率均配
置为2Mbit/s;按照nRF51822Radio模块包配置协
DMP数字运动处理引擎减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷uJ。同时
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位
的模数转换器,将其测量的模拟量转化为可输出的
议设置数据包索引、模块地址、数据缓冲区地址、数据长度、CRC校验位。模块配置结束后,在数据传输过程中使能两模块进行数据收发。
nRF51822可以通过串口和上位机之间进行通
数字量,提高了控制端的效率;拥有一个片上1024字节的FIFO,有助于降低系统功耗;MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的接口。外
部nRF51822对传感器的操作控制就是对功能寄存器的读写。图3为对MPU6050的读写操作时序图。
信,所以通过无线通信接收的数据可经串口传输到
Pc端。接收端的nRF51822与上位机之间的通信采用的是串口转USB模块(FT232RL)进行连接。
大体通信流程可参照图1所示。
2系统软件设计
2.1
nRF51822程序设计
nRF51822的开发环境采用的是Keil4.72版本,
使用C语言进行编程开发。nRF51822软件设计部分包括主程序和一些相关子程序,子程序包括接口
子程序、中断子程序、串口子程序、Radio子程序等。
图3
Fig.3
12C时序图
12C
DataTransfer
车辆姿态数据测量主程序如图4(a)所示,数据采集部分中断服务程序流程图如图4(b)所示。
Complete
从图3可以了解,MPU6050的总线数据字节定
义为8bits长度,每次传送的总字节数量没有限制。
开始标志(S)发出后,主设备会传送一个7位的从地址,并且后面跟着一个第8位,称为读/写位:0为写;1为读。接着主设备释放SDA线,等待从设备的应答信号(ACK),每个字节的传输都要跟随一个应答位。应答产生时,从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。数据传输总是以停止标志(P)结束,然后释放通信线路。然而,主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备,而不发出结束标志。综上可知,所有的SDA信号变化都要
在SCL时钟为低电平时进行uJ。
当读取MPU6050寄存器的值时,首先主设备产生开始信号(S),然后发送从设备的地址位和一个
写数据位,然后发送寄存器地址,才能开始读寄存
图4(a)主程序流程图
Fig.4(a)
Flowchartofthemainprogram
器。收到应答后,主设备再发一个开始信号,然后发送从设备地址位和一个读数据位。然后,作为从设图4(a)中数据处理部分包括两个部分,首先通过均值滤波抑制噪声对三轴加速度计和数字陀螺仪
数据带来的影响,然后通过四元数法将原始数据转
刘百芬,等:基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计
<TWI—ENABLE—ENABLE—Pos;//使目BTwI
89
voidnrfInt
Init(void)//中断初始化
nrf_gpio—cfg_input(MPU6050一INT—PIN,NRF—GPIO—PIN—PULL—DOWN);//将NRF51822中P0.11配置为中断触发引脚NVIC—EnablelRQ(GPIOTE—IRQn);NRF—GPIOTE一>CONFIG[0]=
(GPIOTE—CONFIG—POLARITY—LoToHi<<GPIOTE—CONFIG—POLARITY—Pos)
l(MPU6050一INT—PIN<<GPIOTE—CONFIG—PSEL~Pos)
l(GPIOTE—CONFIG—MODE—Event<<GPIOTE—CONFIG—
MODE—Pos);//高电平触发
NRF—GPIOTE一>INTENSET=GPIOTE—INTENSET—INO—Set<<
GPIOTE—INTENSET_INO—Pos;//使能中断
2.2上位机LabVIEW程序设计
图4(b)Fig.4(b)
数据采集中断服务程序流程图
Flowchartofdataacquisitionof
interruptprogram
2.2.1
LabVIEW概述
LabVIEW是一种基于图形化编程语言的测试
系统软件开发平台,与其他的开发平台相比,Lab—
的姿态信息口_5]。同时由于系统耦合和6轴传感器本身存在零偏与漂移的影响,使得测量得到的值存
在一定误差,解算后得到的姿态角也产生误差,而且
VIEw图形化的编程环境使编程效率大大提高;开发功能高效、通用;支持多种仪器和数采硬件驱动;
网络功能强大、开放性强o7I。经过不断改进和完
陀螺仪误差随时间积累,因此通过将三轴加速度和三轴陀螺仪参数结合对姿态角进行补偿和修正来提高精度。通过Kahnan滤波算法完成对陀螺仪和加速度参数的融合,修正得到汽车姿态角的最优值_6J。
TwI和中断的初始化程序如下:
void
善,已成为数据采集等方向一种标准的软件开发环境,广泛应用于航空、航天、通信、汽车等众多领域。
2.2.2
LabVIEW实现方案设计
总体上LabVIEW软件设计包括三个部分:串口通信、数据转换、数据显示。
(1)串口通信。在LabVIEW中可以使用标准的
I/O应用程序接口(virtual
instrument
softwarealvhi—
nff—TWI—Init(void){
NRF—GPIO一>PIN—CNF[TwI—MASTER—CONFIG—CLOCK—PIN—NUMBER]=0x6c
//将NRFSl822中Po.10的管脚配置为时钟线SCL
NRF—GPIO一>PIN—CNF[TwI—MASTER—CONFIG—DATA—PIN—NUMBER]=0x6c
//将NRF51822中P0.09的管脚配置为数据线SDA
NRF—TWllNRF—TWll
>EVENTS—RXDREADY=0:>EVENTS_TXDSENT=0:
tecture,VISA)来完成仪器的控制。VISA是对其他总线驱动统一封装的高层API,使用相同的函数和类似的方法控制各类不同仪器‘7『,包括USB、串口、GPIB等。本设计串口通信主要包括三个节点。
④VISA配置串口节点:对指定的串口按特定设置初始化,例如配置串口号、波特率、数据比特、停止位等;
NRF_TWFl——>PSELSCL=TWI—MASTER—CONFIG—CLOCK—
PIN—NUMBER;
②VISA读取节点:从指定的设备或接口读取
设置数量的字节,并将数据返回至读取缓冲区;
NRF_TWll——>PSELSDA=TWI—MASTER—CONFIG—DATA—PIN
—NUMBER;
NRF—TWll——>FREQUENCY=TwI—FREQUENCY—FREQUEN—CY—K100<<TwI—FREQUENCY—FREQUENCY—Pos;//TwI酉己
置
NRF—PPI一>CH[0].EEP=(uint32一t)&NRF—TWll——>EVEN—
TS—BB;
③VISA关闭节点:可以关闭VISA资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。
(2)数据转换。在设计中,从nRFSl822发送数据和上位机在LabVIEW接收数据都是以字符串的形式进行的;而且从nRFSl822上传输的每一组数
据中是包含了x、y、z三轴的加速度原始数据、陀螺
NRF—PPI一>CH[0].TEP=(uint32一t)&NRF—Twll——>TASKS—
SUSPEND;
仪原始角速度数据和计算姿态角数据,所以Lab—
VIEw需要先对字符串进行拆分,然后将拆分后的
NRF—PPI一>CHENCLR=PPI~CHENCLR—CH0一Msk;//PPI的
二一
眵眵
o
ooi065
科学技术与工程14卷
~
一
r
a
Ⅱ
圆凰一
一摩是一
堡户
眵圜
e凰s圜
置
图5
Fig.5
LabVIEW程序框图
LabVIEWblock
program
Diagramof
(3)数据显示。LabVIEW拥有强大的图像显示
功能,设计采用的是三幅波形图表来分别表示采集的加速度数据、陀螺仪角速度数据和转换后的姿态角数据,并将数据存储在Excel文档中。
LabVIEW具体程序实现如图5所示。3
,0
4:
实验结果
试验时将系统安装在一个立方体小盒中,将其
堇住卜、~≯~.o,√\、、≯>-~心.。乏一o,-。一二—一一一一嚣0卜∥矗≯>∥、一。乏二。,。奠一一~二_J型0刊…趔
型一爿
4F
一
一
固定于小车质心位置处,并保证小车与系统固结与
同一坐标轴。采集的加速度实时数据波形如图6
图6(b)
Fig.6(b)
三轴角速度曲线
Curvesof3一axisangularvelocity
(a)所示,陀螺仪实时数据如图6(b)所示,经过解
算的姿态角数据波形如图6(c)所示。图6中横轴均为时间轴;图6(a)纵轴为实际采集的加速度数据
值与重力加速度的比值,图6(b)纵轴为实测的数字
陀螺仪的角速度,图6(c)纵轴是将三轴加速度和三轴角速度经过四元数法换算得到的姿态角值。图7为实验得到的汽车姿态估计误差曲线,从图7中可知,估计误差不大于1。,能够满足基本汽车运动姿
态要求。
二N
=
蛞怕蚺
图6(C)汽车姿态角曲线
Fig.6(C)
Curvesofvehicleattitudeangles
4
结束语
汽车姿态测量系统通过MPU6050传感器采集
三轴加速度和陀螺仪角速度数据,经过nRF51822
图6(a)三轴加速度曲线
Fig.6(a)
Curvesof3-axisacceleration
对数据进行处理和解算,然后通过与另一片
nRF51822芯片的无线通信将数据传输到上位机,并
刘百芬,等:基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计
91
图7汽车姿态角估计误差曲线
Fig.7
Estimated
errorcurveof
vehicleattitudeangles
HeJL.YuanZ.XieXH.eta1.Research
gyroscope
on
量数据的实时显示。实验证明本设计的无线汽车姿
态测量系统工作稳定,显示精确,实时性好,能对汽
single
antennaGPS/
integratedattitudeestimationmethod.JournalofComputer
906
车安全系统挺高提供可靠数据支持。
参考文献
1
InvenSense.MPU一6000andMPU一6050productspecification.WWW.invensense.conl.2012—5—162
NordicSemiconductor.nRF51ik.conl.2012—03_08
seriesreferencemanual.WWW.rutron—
Measurenlent&Control,2012:20(4):903
5翟海廷,丛丽,秦红磊,等.基于单天线的MEMS—INS/GPS组合
定姿方法.计算机工程与设计,2012;33(10):3999—4003
ZhaiHT.Conggrated
attitude
L.QinHL.eta1.MethodforMEMS—INS/GPSinte.
detemfination
based
on
single
antenna.Journalof
Computer
Engineering&Design,2012;33(10):3999—4003
6刘军,何国国,岳兴连,等.基于IMEMS传感器的汽车运动姿
态测量系统研究.传感器与微系统,2009;28(11):12
“uJ.HeGG.YueXL.eta1.Researc'hvehiclemotionattitudebased
on
on
15
of
3刘付强.基于MEMS器件的捷联姿态测量系统技术研究.哈尔
滨:哈尔滨工程大学,2007
LiuF
lneasul’elnen[svs[eln
IMEMSsensor.JournalofTransduc.
15
Q.Research
on
on
strapdownattitude
nleasurenlent
systemtech—
er
andMicrosystem
Technologies,2009;28(11):12
nologybasedsity,2007
MEMSdevices.Harbin:HarbinEngineeringUniver—7陈国顺,于涵伟,王格芳,等.测试工程及LabVIEW应用.北京:
清华大学出版社,2013
ChenGS,YuH
4贺继林,袁政,谢习华,等.单天线GPS/陀螺仪组合测姿方法研
究.计算机测量与控制,2012;20(4):903
906
W,WangGF,eta1.MeasurenlentEngineeringand
LabVIEWApplication.Beijing:TsinghuaUniversityPress,2013
DesignofRadioAttitude
on
MeasurementSystem
Based
nRF51822forAutomotive
LIUBai—fen,LITu—zhi,CHENPeng—zhan.DUHan.ting
(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,EastChina
JiaotongUniversity,Nanchang
330013,P.R.China)
l
Abstract
JAradioattitudenleasuremen[systembased
a
on
nRF51822for
a
car
isdesigned.Thesystemconsistsof
MPU6050andMPU6050
can
novelnRF51822which
actsasa
processingunitandwirelesstransmitternlodule.nRF51822and
uses
communicatewitheachotherthrough12Cinterface.PC
car
LabVIEW
asa
developIllentDlatfoilll
to
displaytheoriginaldataandattitudeangleofthe
via
communicatingwithradionloduleofnRF51822inreal.
can
time.Thesystemachieveshighperfommnce,low—costandlow—power
consumption.Experiments
vantageofthedesignedsystemwhich
can
provethead—
meetthegeneralrequirementofautomotiveattitudemeaSHreinent.
[Keywords]
nRF51822MPU6050LabVIEW
dataacquisition
wirelesscommunication