基于國產化平臺的三軸姿態檢測系統設計

李肅義，楊 帆，楊 強

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130061）

0 引言

隨著中國制造2025、工業4.0、新工科建設等國家戰略的提出，高校教學實踐、課程實驗、實習等成為鍛煉學生動手能力、增強學生創新實踐能力、促進產學研結合以及培養更多復合型優秀人才的重要環節［1-3］。在部分工科實驗教學中，儀器儀表、微處理器、傳感器以及操作系統、軟硬件平臺都是支撐實驗順利開展的基本條件。由于國際貿易戰、專利戰等制裁的影響，部分企業已經出現芯片短缺、專利不再授權、原材料限制等問題的發生，甚至部分高校也在被制裁名單之中，一些專業的軟件也不再被授權使用［4-5］。這些現象的發生無疑對新冠肺炎疫情下的復工復產、學術科研有著嚴重影響，如果國際形式持續惡化，最終高校相關實踐教學環節也會由于上述問題而無法順利開展。推進高校實驗教學軟、硬件平臺的國產化，是在滿足國家戰略、順利實現不同階段的新發展目標以及為社會可持續培養復合型優秀人才的必經之路［6-7］。

姿態信息檢測在無人機、體感遙控、機器人、慣性導航等多個領域都有著重要作用［8-9］。姿態檢測裝置一般體積和功耗較大，且使用的傳感器及配套上位機軟件均為進口，成本較高。開展姿態檢測系統設計，有助于姿態檢測系統向小型化、智能化、國產化方向推進，服務于更多姿態檢測領域。

大學生創新實驗項目是專業理論和實踐相結合的培養方法，不但可鍛煉學生獨立分析和動手的能力，而且也能培養學生創新思維。本文以儀器專業大學生創新實驗項目為例，設計一套基于國產微處理器及傳感器實現的三軸姿態信息檢測裝置以及一套基于國產CPU和國產操作系統運行的上位機軟件。本實驗項目可讓學生在實驗過程中熟悉國產軟、硬件平臺的發展及應用示例，通過原理圖與PCB設計、焊接調試、嵌入式編程、上位機編程與二次開發、平臺移植與部署、軟硬件聯合調試等步驟，全方位培養學生的創新實踐能力。

1 創新訓練項目總體方案設計

1.1 實驗目的

本文依托儀器專業大學生創新實驗項目，根據課題立項需求，通過硬、軟件設計，軟、硬件聯合調試等過程，完成實驗項目的預期指標。實驗設計思路如圖1所示，學生通過在項目中對軟硬件設計和聯合調試過程，在完成項目成果驗收的同時，其獨立分析設計能力、動手實踐能力、邏輯與創新思維以及問題定位與解決能力都能得到有效的鍛煉和培養。

圖1 實驗設計思路

1.2 系統總體設計

本文設計的三軸姿態信息采集系統，主要包含硬件采集裝置與上位機監測軟件。硬件部分主要通過微處理器配合傳感器實現三軸角速度、三軸加速度、三軸磁場以及翻轉角、俯仰角、航向角等姿態信息的檢測。通過按鍵輸入、光敏輸入、RGB 狀態燈實現顯示模式切換和系統狀態提示，同時支持北斗的經緯度定位、氣壓海拔參數的檢測功能。采集的多種參數可通過TFT液晶屏動態刷新，同時支持將數據流通過串口輸出至上位機，通過軟件實現對數據流進一步的解析和動態渲染功能。檢測系統設計方案如圖2 所示。

2 硬件設計

硬件設計主要分為采集、控制以及數據狀態顯示系統，如圖3 所示。采集系統主要包括姿態、北斗、光敏傳感器的數據采集以及多路按鍵掃描；控制系統通過微處理器對采集的數據進行分析處理，傳送至數據顯示系統；數據狀態顯示系統包括液晶屏、軟件上位機的實現數據顯示功能，RGB 指示燈用于提示系統不同運行狀態。

圖3 硬件總體設計

2.1 采集系統

系統采用國產JY901B 三軸姿態傳感器，該傳感器支持三軸角速度、三軸加速度、三軸磁場、翻轉角、俯仰角、航向角、氣壓、海拔等信息的檢測，與微處理器之間采用全速400KB的I2C通信。

北斗傳感器采用國產ATGM332D-5N31 傳感器，與微處理器之間采用USART通信，支持北斗獨立定位模式，冷啟動捕獲靈敏度高達－148 dBm，跟蹤靈敏度可達－162 dBm，定位精度2.5 m（CEP50），配合外置1 580 MHz天線完成搜星工作。

光敏電阻采用主控模塊的A／DC GPIO通道采集；按鍵電路通過主控模塊對多路GPIO 進行電平掃描，實現按鍵識別，采集系統原理如圖4 所示。

圖4 采集系統原理圖

2.2 控制系統

本文中微處理器選擇的是國產ESP32-WROOM-32E模組，與以往STM32 同主頻、價格的系列相比，ESP32 模組擁有更大的片上內存、豐富的外設接口、自集成藍牙、WiFi 射頻功能，在一些物聯網以及采集和控制場景中，基本可以滿足硬件配置需求，主控系統原理如圖5 所示。

圖5 控制系統原理圖

2.3 顯示系統

為方便多種信息的實時觀察，硬件裝置采用8.1 mm TFT LCD屏，分辨率240 ×320，采用ILI9341 四線制SPI驅動，18 pin FPC底座連接，整體功耗約為0.32 W。通過控制系統處理過后的數據也可通過硬件串口傳輸到上位機進行后續的數據刷新和動態曲線渲染。RGB指示燈用于提示系統運行中的不同種狀態及異常等。顯示系統原理如圖6 所示。

圖6 顯示系統原理圖

2.4 PCB設計

雙層電路板焊接后實物如圖7 所示，硬件裝置多數元器件均采用模組化封裝，以便于學生在實驗過程中完成焊接和器件更換。硬件系統電源由5 V USB接口輸入，經AMS1117-3.3 降至3.3 V，可供主控模組以及液晶屏使用；除供電外，USB 接口與CP2102 芯片進行串口通信，配合下載電路實現嵌入式程序的燒錄以及將采集數據流通過串口傳送至上位機。4 路按鍵輸入實現對硬件系統的重啟和重置、液晶屏翻頁以及屏幕亮度模式的切換。1 路光敏電阻完成對外界環境光照的采集，實現對屏幕亮度的自動調節。1 路RGB 指示燈，用于提示系統不同工作中的狀態。

圖7 電路板

3 軟件設計

軟件設計主要包括嵌入式程序和上位機監測軟件設計。嵌入式程序采用開源編輯器Visual Studio Code開發，基于Arduino 框架完成ESP32 主控的嵌入式開發工作［10］；液晶屏顯示驅動基于LVGL 開源UI 框架完成圖形界面的開發［11］。上位機監測軟件基于Qt開源跨平臺框架完成用戶界面和應用［12-14］。

3.1 嵌入式軟件設計

嵌入式軟件設計流程如圖8 所示。在硬件裝置供電后，對串口、模擬串口、I2C、SPI和傳感器進行配置和初始化，如果某一分支出現異常則會通過RGB指示燈提示，初始化正常后開始傳感器數據采集；整體嵌入式程序包括兩種數據顯示方法，一是將采集的數據整合協議流，通過串口傳輸至上位機，二是通過基于LVGL視覺框架渲染，將檢測到的多種數據參數傳入框架，并在液晶屏上完成顯示；設計4 路按鍵電平采集和一路光敏電阻A／D采集，分別完成硬件系統的重啟、重置，液晶屏的頁面切換以及配合光敏電阻實現對液晶屏亮度的自動調節功能。

圖8 嵌入式軟件設計流程

3.2 上位機終端軟件設計

上位機終端軟件設計流程如圖9 所示。軟件開啟時，對系統的線程、信號槽以及各部分功能模塊進行初始化，使用QtSerialPort 類實現與硬件的串口通信，待硬件端與上位機主機連接后，自動檢測相關COM口實現開關功能。串口線程開啟后，等待硬件采集端發送的數據流，并校驗是否完整，如果數據流在傳輸過程中因為外界干擾、通信異常而導致協議不完整，則自動舍棄當前數據流，等待下一次的通信。使用Qtcharts 等類實現對檢測數據的動態刷新、曲線動態渲染等功能。

圖9 終端軟件設計流程

4 系統測試與分析

4.1 硬件裝置測試

硬件測試裝置如圖10 所示。電路板尺寸為7.69 cm×5.11 cm，與液晶屏尺寸基本一致，電路板四周共有4 個M3 的通孔，整體質量113 g，可安裝在無人機、無人車等需要采集姿態信息的裝置上。裝置接通5 V電源后，系統開始初始化，調度傳感器完成相關參數的檢測。在使用北斗傳感器檢測經緯度時，需將天線置于室外或窗邊，可加速搜星完成定位和授時功能。

圖10 硬件測試

4.2 上位機終端軟件測試

上位機硬件測試環境：飛騰D2000 處理器，8GB內存，256GB SSD 固態硬盤；軟件測試環境：麒麟操作系統V10，Qt 7.0.2 版本。將USB 供電線連接至主機，打開系統終端，執行“sudo chmod a ＋rw ／dev／ttyUSB0”命令，使該串口獲得通信權限，打開上位機軟件，在串口處下拉選擇當前串口ttyUSB0，并點擊右側打開按鈕，在軟件上方面板實時刷新硬件檢測的數據。終端軟件測試如圖11 所示。

圖11 終端軟件測試結果

為保證曲線顯示效果，可通過選擇不同種類參數實現動態曲線的渲染。在軟件右側狀態欄中，會顯示每一次系統切換檢測類別、曲線的時間節點；下方的接收和發送狀態欄，可顯示當前系統接收和發送的數據總量。

憑借開源框架Qt在跨平臺方面的優勢，使得上位機軟件在多系統平臺部署成為可能。在Windows 11系統按照上位機監測軟件設計流程進行部署和開發，主要完成串口開關、數據解析、檢測種類切換、數據刷新顯示和動態曲線渲染等功能。開發完成后，在麒麟平臺同樣安裝Qt 開發環境，經過系統權限配置、進程管理調度和部分UI適配，完成本次上位機軟件在麒麟平臺的部署過程，所有在Windows 系統上的功能全部在麒麟平臺實現，上位機雙平臺部署如圖12 所示。

圖12 雙平臺部署結果

針對上位機軟件的部署運行，相比較Windows 系統，基于開源Linux 的麒麟操作系統在安全性、穩定性、啟動速度都具備明顯的優勢。而國產化軟硬件平臺在進行一些復雜圖形渲染時，相比Windows 軟硬件平臺仍具有一定的差距，但大部分功能均可實現。

上位機部署的過程中，分別在Windows和麒麟系統中進行軟件運行測試，其性能對比見表1。國產化軟硬件平臺編譯后的應用程序在體積和啟動時間上得益于Linux底層優化，相比Windows 平臺具有一定的優勢；在程序啟動后但未運行時，內存占用基本一致，但程序開始運行后，動態曲線的實時渲染，其內存占用情況相比Windows平臺差距較大，且在執行一些復雜渲染任務時，卡頓明顯。

表1 內存占用對比

5 國產化軟硬件平臺的展望

硬件平臺，無論是CPU、GPU還是硬件開發板，國外平臺性能較強，并且由于產量高、產業鏈條完善，價格也具有一定優勢。軟件平臺，國內操作系統起步較晚、開發者較少，無論是從平臺的優化程度、適配軟件的豐富程度、更新迭代的速度來看，國產軟件平臺也存在較大差距［15-18］。但針對高校教學和實驗課程，在一些基礎的實驗場景中，國產軟硬件平臺基本可滿足需求。而對于國產化軟硬件平臺的發展來說，用戶群體的數量是平臺穩定的關鍵，熟悉的用戶越多、使用的群體越龐大是平臺發展的基礎。加速推進國產化軟硬件平臺教材、課程的布局是關鍵，能在高校中培養人才，并加大國產化平臺在相關領域的宣傳力度和企業中相關崗位需求，讓更多的開發者加入到國產化軟硬件平臺的建設。

市場需求量是平臺發展的關鍵。需要加速軟硬件平臺上下游的產業布局，推動科技企業相關產品國產化的替代進程，協調推進供需兩端。

生態社區建設是平臺創新的關鍵。國產化軟硬件平臺的發展需要更多技術人才共同維護和迭代更新，以防入門的開發者遇到問題無法快速解決，逐漸失去熱情。加強開源社區的生態建設，吸引更多國內甚至國際的開發者共同維護，不斷發現指出當前版本的不足和漏洞，讓開發者參與版本迭代，讓更多的開發經歷能被記錄，對后續入門開發者具有指導意義。

關注度是平臺可持續的關鍵。不僅是高校、企業開發者的關注，更重要的是國家政策和投資市場的關注度。隨著近年來技術制裁、貿易問題不斷加劇，國家出臺了相關政策，大力推動國產化的進程。發展軟硬件平臺的國產化是個長期過程，需要不斷地投入研發成本、產品驗證再到量產。隨著國家政策補貼的加持，讓更多企業得到資本市場的關注，企業為社會提供更多國產化平臺服務矩陣和崗位需求，增強校、企聯動，共同促進國產化平臺的可持續發展。

6 結語

通過本次國產化平臺的三軸姿態信息采集系統的設計與實現，學生結合自身專業基礎知識和相關實踐訓練，過程進行硬件設計、軟件設計以及聯合調試，可鍛煉學生獨立分析、動手能力和培養學生的創新思維。可讓學生了解國產化軟硬件平臺目前的發展以及國內外軟硬件的差距和需要重點突破的技術方向。相信未來隨著國家對芯片半導體、自主操作系統的持續推進，更多的高校學生能夠成為專業的開發者，讓更多的教學實驗項目可以應用在國產化軟硬件平臺。

實施創新驅動發展戰略，必須緊緊抓住科技創新這個“牛鼻子”，切實營造實施創新驅動發展戰略的體制機制和良好環境，加快形成我國發展新動源。

——《在中央財經領導小組第七次會議上的講話》（2014 年8 月18 日）