四轴飞行器运动控制系统设计.doc

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1、摘 要 旋翼式飞行器因其起飞和降落所需空间较少，在障碍物密集环境下的操控性较高，以及飞行器姿态保持能力较强的优点，在民用和军事领域都有广泛的应用前景。其中，小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟，并为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器人智能控制，三维路径规划，多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。 四轴飞行器具有不稳定、非线性、强耦合等特性, 姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心; 通过分析四轴飞行器的飞行原理, 根据其数学模型和系统的功能要求, 设计了四轴飞行器的姿态控制系统;该系统由以无刷直流

2、电机为动力核心的动力驱动系统、以微控制器及陀螺仪为核心的核心控制系统、以2.4 GHz的无线遥控接收器为核心的无线遥控控制系统组成。采用脉冲宽度调制信号控制四旋翼控制动力驱动模块。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程实现、模拟相应的飞行姿态。关键词：脉冲宽度调制；陀螺仪；姿态控制；无刷直流电机Abstract Rotary-wing air-crafts have many military and civilian applications due to their requiring small areas for taking off and landing

3、, great maneuverability in Obstacle-heavy environment and great ability to maintain the position and orientation.The research of small scale quad rotors, one kind of rotary wing air-crafts, have gradually become mature in recent years, and also provided an important platform for investigations in su

4、ch fields as the autonomous control, advanced sensor technology and computer science. Investigations on the control system of small scale quad rotor proved to be of high value in such applications as intelligent control of the aerial robot,3D trajectory planning and the air traffic management and co

5、llision avoidance of mufti aircraft . Quad-rot or is a complex system with instability, non-lin ear and high coupling. The attitude control system is the key of quad rotor. The flight theory of quad rotor is analyzed firstly. Based on the math emetical model and flight control requirement , the atti

6、tude control system of quad rot or is proposed. Fourrotor aircraft system mainly includes drive system composed by brushless DC motors，master control system composed by the micro-controller and gyroscopes and wireless remote control system composed by the 24 GHz wireless remote control receiverFirst

7、ly，the author uses the PWM (Pulse Width Modulation)signal produced by MCU to drive the control moduleSecondly，after the analysis of fourrotor aircraft，the author studies control parameters and achieves the corresponding control algorithmThirdly，the author programme to simulate the corresponding flig

8、ht attitudeKey words：pulse width modulation;gyro scop;attitude control；brushless DC motors 目录 摘 要IAbstractII第一章 概述11.1 引言11.2 本课题的国内外的研究现状11.3 本文的主要内容31.4 本章小结3第二章 总体方案设计42.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理42.2 四轴飞行器控制系统结构52.3 本章小结7第三章 硬件设计83.1 概述83.2 主控制器的选择83.3 信息采集143.3.1 加速度传感器与陀螺仪143.3.2 数字罗盘173.4 无线通讯203.5

9、 电机驱动253.5.1 无刷电机253.5.2 PWM调速263.5.3 可控开关的选择263.6 供电电路293.6.1 电池选择293.6.2 电压变换器的选择293.7 本章小结31第四章 控制算法324.1 标定加速度324.2 姿态结算344.3 融合算法354.4 控制算法384.5 本章小结405.1 STM32F103T8U6的端口分配415.2 流程设计435.3 无线通讯455.4 控制计算485.5 本章小结50第六章 设计总结51参考文献52致谢65III第一章 概述1.1 引言 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器。与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降

10、，具有很强的机动性，负载能力强，能快速、灵活地在各个方向进行机动，结构简单，易于控制，且能执行各种特殊、危险任务等特点。 因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。多旋翼无人机飞行原理上比较简单，但涉及到的科技领域比较广，从机体的优化设计、传感器的算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。虽然国内的一些研究机构已经在进行多旋翼飞行器的研究，但大多数还是停留在理论探讨与模拟的阶段，缺乏多旋翼机硬件与控制上自己的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，在国内至今尚未有高性能的多旋翼无人机研制成功的报道。现在国内一些对该类无人机有需求的机构都是花高价从国外购买，每架

11、成本在20万到40万人民币之间。本课题针对四旋翼无人机进行研究，它的研究将有利于打破多旋翼无人机技术欧美日垄断的局面，推动中国多旋翼无人机的研究发展，为无人机在气象、防灾、环境保护、侦查追踪等民用警用领域实现产业化作出贡献。廉价高性能的无人机的研究将会带来巨大的经济效益，同时可以推动关联科研项目的发展，为我国的科研事业做出巨大贡献。 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩, 实现六自由度(位置与姿态)控制，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外, 由于飞行过程中,微型飞行器同时受到多种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,模型准确性和传感器精度也

12、将对控制器性能产生影响，这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。而作为微型飞行平台自主导航的基础姿态稳定控制(内回路控制) ,其控制结果对微型飞行平台飞行特性的影响至关重要，因此姿态控制是整个飞行控制的关键。微小型四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系(俯仰和横滚直接引起机体向前后左右移动) ,如果能精确控制飞行器姿态,则采用一般控制律就足以实现其位置与速度控制。因此,研制既能精确控制制飞行器姿态,又具控有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。1.2 本课题的国内外的研究现状早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。多

13、旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器类与控制理论上的要求非常高,所以一直到本世纪初期，MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。特别是欧美的一些先进国家，在小型，超小型无人机研究领域中，多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。欧美据有代表性的科研团队有美国的MIT，德国的Ascending Technology，法国的Hesychastic，美国的Pennsylvania等。作为产品来开发的主要有Micro Drones,Dragonfly,Micropterous等企业。这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手

14、于多旋翼无人机的研究开发，分别在06，07年前后研发出各自的新型机体，并在市场上开始了贩卖。其中Micro drones的产品性能最为稳定，价格也最为昂贵，最低档的产品也要在40万人民币左右。缺点是因为采用的是低转速的电机，抗风能力弱，载重能力较差，只能搭载200g以下的数码相机，很难搭载其他的传感器来执行任务。Dragonfly虽然是最早推出产品的公司，但他们的产品在机动性与抗风性上始终没能让客户感到满意。Micropterous公司走的是DIY路线，供应散件让用户自己组装，同时在网上公布一部分电路图与程序源代码。虽然在驱动与控制上都存在着许多缺陷，但因为成本低，受到了广大爱好者的青睐。中国

15、国内流传的4浆飞行器基本上都是Micropterous的复制品。海外的科研团队除了在飞行控制上持续着深入的探讨之外，近期已把大部分的精力投入到智能飞行上。目标是实现无人机的室内室外自由飞行，以便执行一些比较复杂的例如解救人质的任务。近两年，多旋翼无人机的研发步伐日益加快，德国与美国的警察局都已将配备多旋翼机列入日程。日本也计划在明年将开发的6浆飞行器产业化，用于喷洒农药。中国国内对多旋翼无人机的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。代表性的机构有南航、北航、国防科技大学、中南大学、吉林大学等。大多数的无人机科研机构至今仍然停留在理论探讨及模拟上。南航、北航等少数科研机构虽制作出了样机，但因

16、缺乏多旋翼机控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的多旋翼无人机研制成功的报道。因德国的Micropterous公司在网上公开了源程序代码，一些民间企业就模仿Micropterous制作了产品在网上贩卖，但因没有自己的技术支持，虽售价远低于欧美的同类产品，但性能低劣，无任何实用价值。随着科技的发展，无人机的应用领域已逐渐从军用过渡到民用，警用。低造价，高飞行性能的多旋翼无人机无疑会对这个过渡起到一个极大的推动作用。无论在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域，还是针对追捕逃犯，瓦解恐怖活动等的警用领域，都有着很大的需求空间。各界人士已经提出了对多旋翼无人机的期待希望

17、未来的几年，国内对多旋翼无人机的研发能够取得突破，研发出中国自己的高性能无人机。1.3 本文的主要内容本设计主要通过单片机采集3轴加速度传感器和3轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制4个微型高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的悬停、升降、前后左右移动、以及旋转，通过2.4G无线通讯模块实现远程遥控。内容涉及数学建模、自动控制理论、无刷电机驱动、传感器技术等学科领域。完成了四旋翼飞行器数学模型的建立，飞行控制系统的总体方案设计，软硬件设计，控制算法。1、设计实现的主要功能： 1)通过加速度传感器识别飞行器倾斜状态并控制实现水平；2)通过陀螺仪传感器识别飞行器是否自旋并控制姿态；3)控制4个无刷

18、电机实现飞行器运动；4)通过2.4G无线通讯模块与上位机进行通讯接收命令。2、主要技术指标1)系统工作电压DC4.2V：2)工作温度-30-60。3)飞行时间10分钟。1.4 本章小结 本章介绍了四轴飞行器背景、国内外的研究现状，以及设计所实现的主要功能和技术指标。 第二章 总体方案设计 四旋翼飞行器是一种布局形式比较新颖的飞行器，其结构较为紧凑。四旋翼飞行器主要是通过改变4 个电机的转速来调节螺旋桨转速，由旋翼升力的变化实现对飞行器的控制。四旋翼飞行器由于能够垂直起降，自由悬停，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。2.1 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 电机1和电机3逆时针旋

19、转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。 各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。 图2-1 运动控制原理图 飞行器在三维空间中具有6个运动自由度包括3个坐标轴方向的线运动和3个坐标轴方向的角运动。上下的平移运动是通过4个电机同时增速(减速)得到的， 当4个电机的升力之和等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停。水平面内

20、的前后运动是电机1、2增速(减速)的同时电机3、4减速(增速)，此时保持旋翼1、3对机身的反扭矩等于旋翼2、4对机身的反扭矩，在电机1、2与电机3、4的升力之差作用下机身发生倾斜，得到水平面内的前后运动。俯仰运动是通过电机1、3转速保持不变，电机2增速(减速)的同时， 电机4减速(增速)得到的。以类似的方法，滚转运动是通过改变电机1、3转速得到的。偏航运动是电机1、3增速(减速) 的同时，电机2、4减速(增速)，此时旋翼1、3对机身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4对机身的反扭矩，机身便在多余扭矩的作用下得到偏航运动。组合以上的基本运动可以实现四旋翼微型飞行器的各种复杂运动。2.2 四轴飞行器控制

21、系统结构 本四轴飞行器控制系统主要实现人的遥控操作及自动增稳功能。飞行器通过接收机接收到的遥控指令完成操作者的遥控操作，同时具有感知飞行姿态并自动调整的功能。整个控制系统包括电源模块、无线通讯模块、传感器模块、电机驱动模块、控制器模块。无线收发模块接受遥控器传来的控制信号，然后将控制信息传送给控制器模块。传感器模块采用三轴加速度传感器、陀螺仪实时监测飞行器飞行的实际姿态，并将飞行器的实际姿态数据传送给控制器模块。控制器模块接收到传感器模块和无线通讯模块传来的目标姿态数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动

22、四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行，并将遥测信息通过无线通讯模块传送到地面控制站。无线通讯模块无线通讯模块主控制器姿态测量系统姿态解算控制计算加速度传感器陀螺仪数字罗盘 电机驱动图2.2 系统框架图 1、姿态测量系统：四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量(即称为六自由度)。传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因此传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种

23、飞行参数的装置，包括测量机身三轴角速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度计、测量机身航向及姿态信息的罗盘等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂和数字罗盘受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪、加速度计和数字罗盘结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。 加速度传感器：加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角度,利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X,Y,Z轴上，测量出物体的姿势。 陀螺仪：利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器

24、只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。 地磁传感器是用来确定方向的。它利用地磁场来定北极，其基本原理和我们熟知的指南针差不多。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投影，可以提供活动物体的航向角 、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿 态，实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系。不过在实际应用中，需要注意周围物体所产生出来的磁场对传感器造成的干扰。2、电机驱动模块：根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给控制器模块，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。从而实现四轴飞行器不同的飞

25、行状态。直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。 3、主控制模块：中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳

26、定飞行，通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。 PWM脉冲控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 4、电机驱动模块：通过控制PWM可以实现对加在两端实际等效电压的控制从而实现控制速度，PWM 占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。 5、无线通信模块：通过无线网络建

27、立地面控制站和飞行器的通信链路。地面控制站向主控模块传输飞行和任务控制指令，同时中心控制模块发送飞行状态、任务状况等。 6、电源模块为机载控制系统、电机等提供电源。电池有镍氢电池和锂电池。锂电池的电流释放量C系数普遍比镍氢电池大，而且比较恒定，因此选择锂电池。电池的选择主要看两个性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飞行器的续航能力就越长。但容量越大的电池其重量就越重，因此容量选择既需要满足有一定的续航能力，且较轻。2.3 本章小结 本章对四轴飞行器各个构成模块：电源模块、无线通讯模块、传感器模块、电机驱动模块、控制器模块进行了简单的介绍，并详细叙述了飞行器的工作原理。第三章 硬件设计3.1 概

28、述本章先从飞行平台的选型入手，并介绍了四旋翼飞行器飞行控制的特点，重点在于通过四旋翼飞行器飞行控制系统的基本原理对其飞行控制系统的总体方案的设计。四轴飞行器具有载荷轻、体积小、完全自主飞行控制复杂等特点，根据这些特点可以得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求：选择低功耗的电子设备、高性能遥控接收设备、选择高速微处理器、要有良好的可扩展性、抗干扰性强等。在具体的方案设计过程中应该从以下方面考虑系统设计：可靠性、可行性、先进性、实时性和高集成度，根据这些特点可以得出飞行控制的系统硬件设计的总体要求，具体包括以下几方面： (1)因为要用电池组供电，而电池的能量是有限的，所以要求飞行器机载电子设备的功耗

29、要低； (2)成品PCB板体积要小、重量要轻，必须小于四轴飞行器的有效载荷； (3)无线通讯误码率要低，实时性要高，保证传输信息的准确性和及时性； (4)飞行控制计算机运算速度要足够快，控制输出精度要高，稳定性要好； (5)飞行控制系统要求有良好的扩展性，便于以后系统的升级和扩展新的功能； (6)电子设备抗干扰能力要强，如抗电磁干扰、抗震动干扰等； (7)便于系统维护； 以上几点要求和限制为设计飞行控制系统的硬件提供了依据，有的放矢。为此尽量采用比较成熟的、可继承性的和可借鉴的技术和元器件。下面首先给出系统硬件总体结构，然后分模块介绍系统硬件的选型和电路设计，包括控制器模块，电机驱动模块、传感

30、器模块、无线通讯模块及电源转换部分等。3.2 主控制器的选择中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量；通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。 随着科学技术的发展，新型应用要求越来越高，这也使设计人员必须以更少的资源完成更多的工作，将多种功能集成到同一处理器中，并优化系统成本。市场上目前有多种控制器解决方案竞相展露各自优势，范围包括从8位微控制器到32位D

31、SP。一般处理器(例如单片机和低端ARM)采用传统的冯诺依曼结构，运算和指令处理速度相对于大多数采用哈佛结构的DSP来说逊色不少。另鉴于本文的具体应用，根据总体要求，所选择的处理器应该具有以下功能：(1)两个传感器的输出是模拟信号，要求处理器有一定精度的模数转化模块；(2) 自身存储容量要求大，可以运行复杂的、大体积的程序(3)至少4路独立PWM输出以控制4个独立的电机，并有脉冲捕捉模块供测速反馈使用；(4)串口通信。根据以上要求，再从性能、接口、成本和开发难度方面综合考虑，选用ST公司的STM32F103，STM32系列处理器是ST公司新推出的一款基于高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式处理器

32、，应用专门设计的ARM CortexM3低功耗高速内核STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求基于STM32的飞行控制器与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源STM30F103具体特性如下：A、ARM的Cortex-M3核心并内嵌闪存和SRAM ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上发挥了ARM内核的高性能,系列拥有内置的AR

33、M核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。B、内置闪存存储器 64K或128K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。C、CRC(循环冗余校验)计算单元使用一个固定的多项式发生器，从一个32位的数据字产生一个CRC码。D、内置SRAM 20K字节的内置SRAM，CPU能以0等待周期访问(读/写)。E、嵌套的向量式中断控制器(NVIC) STM32F103内置嵌套的向量式中断控制器，能够处理多达43个可屏蔽中断通道(不包括16个Cortex-M3的中断线)和16个优先级。 1)紧耦合的NVIC能够达到低延迟的中断响应处理 2)中断向量入口地址直接进入内核 3)紧耦合的NVIC接口 4)允许中

34、断的早期处理 5)处理晚到的较高优先级中断 6)支持中断尾部链接功能 7)自动保存处理器状态 8)中断返回时自动恢复，无需额外指令开销该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能。F、外部中断/事件控制器(EXTI) 外部中断/事件控制器包含19个边沿检测器，用于产生中断/事件请求。每个中断线都可以独立地配置它的触发事件(上升沿或下降沿或双边沿)，并能够单独地被屏蔽；有一个挂起寄存器维持所有中断请求的状态。EXTI可以检测到脉冲宽度小于内部APB2的时钟周期。多达80个通用I/O口连接到16个外部中断线。G、时钟和启动 系统时钟的选择是在启动时进行，复位时内部8MHz的RC振荡器被选为默认的C

35、PU时钟，随后可以选择外部的、具失效监控的416MHz时钟；当检测到外部时钟失效时，它将被隔离，系统将自动地切换到内部的RC振荡器，如果使能了中断，软件可以接收到相应的中断。同样，在需要时可以采取对PLL时钟完全的中断管理(如当一个间接使用的外部振荡器失效时)。多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB(APB2)和低速APB(APB1)区域。AHB和高速APB的最高频率是72MHz，低速APB的最高频率为36MHz。参考图2的时钟驱动框图。H、自举模式 在启动时，通过自举引脚可以选择三种自举模式中的一种： 1)从程序闪存存储器自举 2)从系统存储器自举 3)从内部SRAM自举 自举加载程序

36、(Boot-loader)存放于系统存储器中，可以通过USART1对闪存重新编程。I、供电方案 1)VDD = 2.03.6V：VDD引脚为I/O引脚和内部调压器供电。 2)VSSA，VDDA = 2.03.6V：为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。使用ADC时，VDDA不得小于2.4V。VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。 3)VBAT = 1.83.6V：当关闭VDD时，(通过内部电源切换器)为RTC、外部32kHz振荡器和后备寄存器供电。J、供电监控器 本产品内部集成了上电复位(POR)/掉电复位(PDR)电路，该电路始终处于工作状态，保证系统在供电超过

37、2V时工作；当VDD低于设定的阀值(VPOR/PDR)时，置器件于复位状态，而不必使用外部复位电路。器件中还有一个可编程电压监测器(PVD)，它监视VDD/VDDA供电并与阀值VPVD比较，当VDD低于或高于阀值VPVD时产生中断，中断处理程序可以发出警告信息或将微控制器转入安全模式。PVD功能需要通过程序开启。K、电压调压器调压器有三个操作模式：主模式(MR)、低功耗模式(LPR)和关断模式有：1)主模式(MR)用于正常的运行操作 2)低功耗模式(LPR)用于CPU的停机模式 3)关断模式用于CPU的待机模式：调压器的输出为高阻状态，内核电路的供电切断，调压器处于零消耗状态(但寄存器和SRA

38、M的内容将丢失)该调压器在复位后始终处于工作状态，在待机模式下关闭处于高阻输出。L、低功耗模式STM32F103支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。1) 睡眠模式：在睡眠模式，只有CPU停止，所有外设处于工作状态并可在发生中断/事件时唤醒CPU。2) 停机模式：在保持SRAM和寄存器内容不丢失的情况下，停机模式可以达到最低的电能消耗。在停机模式下，停止所有内部1.8V部分的供电，PLL、HSI的RC振荡器和HSE晶体振荡器被关闭，调压器可以被置于普通模式或低功耗模式。可以通过任一配置成EXTI的信号把微控制器从停机模式中唤醒，EXTI信号可以是16

39、个外部I/O口之一、PVD的输出、RTC闹钟或USB的唤醒信号。3) 待机模式：在待机模式下可以达到最低的电能消耗。内部的电压调压器被关闭，因此所有内部1.8V部分的供电被切断；PLL、HSI的RC振荡器和HSE晶体振荡器也被关闭；进入待机模式后，SRAM和寄存器的内容将消失，但后备寄存器的内容仍然保留，待机电路仍工作。从待机模式退出的条件是：NRST上的外部复位信号、IWDG复位、WKUP引脚上的一个上升边沿或RTC的闹钟到时。注：在进入停机或待机模式时，RTC、IWDG和对应的时钟不会被停止。M、DMA 灵活的7路通用DMA可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输；DM

40、A控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。每个通道都有专门的硬件DMA请求逻辑，同时可以由软件触发每个通道；传输的长度、传输的源地址和目标地址都可以通过软件单独设置。DMA可以用于主要的外设：SPI、I2C、USART，通用、基本和高级控制定时器TIMx和ADC。N、RTC(实时时钟)和后备寄存器 RTC和后备寄存器通过一个开关供电，在VDD有效时该开关选择VDD供电，否则由VBAT引脚供电。后备寄存器(10个16位的寄存器)可以用于在关闭VDD时，保存20个字节的用户应用数据。RTC和后备寄存器不会被系统或电源复位源复位；当从待机模式唤醒时，也不会被复位。实

41、时时钟具有一组连续运行的计数器，可以通过适当的软件提供日历时钟功能，还具有闹钟中断和阶段性中断功能。RTC的驱动时钟可以是一个使用外部晶体的32.768kHz的振荡器、内部低功耗RC振荡器或高速的外部时钟经128分频。内部低功耗RC振荡器的典型频率40kHz。为补偿天然晶体的偏差，可以通过输出一个512Hz的信号对RTC的时钟进行校准。RTC具有一个32位的可编程计数器，使用比较寄存器可以进行长时间的测量。有一个20位的预分频器用于时基时钟，默认情况下时钟为32.768kHz时，它将产生一个1秒长的时间基准。O、定时器 中等容量的STM32F103xx增强型系列产品包含1个高级控制定时器、3个

42、普通定时器，以及2个看门狗定时器和1个系统嘀嗒定时器。表3-1 较了高级控制定时器、普通定时器和基本定时器的功能。 表3-1 定时器功能比较定时器计数器分辩率 计数器类型预分频系数产生DMA请求捕获/比较通道互补输出TIM116位向上，向下，向上/下165536之间的任意整数 可以4 有TIM2TIM316位向上，向下，向上/下165536之间的任意整数 可以4没有高级控制定时器(TIM1) 高级控制定时器(TIM1)可以被看成是分配到6个通道的三相PWM发生器，它具有带死区插入的互补PWM输出，还可以被当成完整的通用定时器。四个独立的通道可以用于：输入捕获、输出比较、产生PWM(边缘或中心对

43、齐模式)、单脉冲输出。配置为16位标准定时器时，它与TIMx定时器具有相同的功能。配置为16位PWM发生器时，它具有全调制能力(0100%)。在调试模式下，计数器可以被冻结，同时PWM输出被禁止，从而切断由这些输出所控制的开关。很多功能都与标准的TIM定时器相同，内部结构也相同，因此高级控制定时器可以通过定时器链接功能与TIM定时器协同操作，提供同步或事件链接功能。通用定时器(TIMx) STM32F103x内置了多达3个可同步运行的标准定时器(TIM2、TIM3)。每个定时器都有一个16位的自动加载递加/递减计数器、一个16位的预分频器和4个独立的通道，每个通道都可用于输入捕获、输出比较、P

44、WM和单脉冲模式输出，在最大的封装配置中可提供最多12个输入捕获、输出比较或PWM通道。它们还能通过定时器链接功能与高级控制定时器共同工作，提供同步或事件链接功能。在调试模式下，计数器可以被冻结。任一标准定时器都能用于产生PWM输出。每个定时器都有独立的DMA请求机制。这些定时器还能够处理增量编码器的信号，也能处理1至3个霍尔传感器的数字输出。P、I2C总线 多达2个I2C总线接口，能够工作于多主模式或从模式，支持标准和快速模式。I2C接口支持7位或10位寻址，7位从模式时支持双从地址寻址。内置了硬件CRC发生器/校验器。它们可以使用DMA操作并支持SMBus总线2.0版/PMBus总线。Q、

45、通用同步/异步收发器(USART) USART1接口通信速率可达4.5兆位/秒，其他接口的通信速率可达2.25兆位/秒。USART接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/从功能。所有USART接口都可以使用DMA操作。R、串行外设接口(SPI) 多达2个SPI接口，在从或主模式下，全双工和半双工的通信速率可达18兆位/秒。3位的预分频器可产生8种主模式频率，可配置成每帧8位或16位。硬件的CRC产生/校验支持基本的SD卡和MMC模式。所有的SPI接口都可以使用DMA操作。S、控制器区域网络(CAN) CAN接口

46、兼容规范2.0A和2.0B(主动)，位速率高达1兆位/秒。它可以接收和发送11位标识符的标准帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。具有3个发送邮箱和2个接收FIFO，3级14个可调节的滤波器。T、通用串行总线(USB) 内嵌一个兼容全速USB的设备控制器，遵循全速USB设备(12兆位/秒)标准，端点可由软件配置，具有待机/唤醒功能。USB专用的48MHz时钟由内部主PLL直接产生(时钟源必须是一个HSE晶体振荡器)。U、通用输入输出接口(GPIO) 每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口。多数GPIO引脚都与数字或模拟的复用外设共用。除了具有模拟输入功能的端口，所有的GPIO引脚都有大电流通过能力。在需要的情况下，I/O引脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定，以避免意外的写入I/O寄存器。在APB2上的I/O脚可达18MHz的翻转速度。V、ADC(模拟/数字转换器) STM32F103内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC共用多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，自动进行在选定的一组模拟输入上的转换。ADC接口上的其它逻辑功能包括： 1)同步的采样和保持 2)交叉的采样和保持 3)单次采样 由标准定时器(TIMx)和高级控制定