空速测量是无人机乃至有人机基本的测量参数之一，飞机空速分为真空速与指示空速，多年来无人机都是使用简易的速度测量系统。本文通过对空速测量原理的深入研究，以嵌入式技术为核心，并采用扩散硅压传感器来获取大气压力，设计了一种测量真空速的软硬件结合的无人机真空速测量系统。

    由于真空速与气压的关系过于复杂，本系统采用数据建模的方式来实现空速测量。数据建模有两种方法：(1)拟合法：从整体上考虑近似函数同所给数据点误差的大小；(2)插值法：差值函数严格地通过每一个数据点。采用拟合方法时，由于计算精度达不到0.1%的系统要求，因此本设计采用插值法。但是随着差值节点的增加，插值多项式的次数也相应增加，而高次的多项式容易带来剧烈的震荡和数据不稳定，同时考虑到高次函数会占用大量的系统资源，降低运算速度，设计时插值函数的最高次定为一次。在本系统中，对真空速解算采用分段低次插值法。



    绝压传感器和差压传感器感受到的静压和动压，并分别将其转换为相应的电压信号。经过信号调理电路，对压力传感器的输出信号进行滤波和放大，然后通过ARM上集成的A/D转换器对信号采样并将模拟量转换为数字量，对离散信号采用相关算法计算空速值，最后将运算结果通过RS232 通信模块传送给上位机。ARM选用STM32F103ZET6芯片，该芯片使用高性能的32 bit Cortex-M3系列的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置512 KB的闪存和64 KB的SRAM。器件包含4个通用16 bit定时器，3个12 bit的ADC，还包含标准和先进的通信接口（SPI、USB、USART等）。
3.1 压力数据采集
    本系统采用MPX10DP型硅压阻式差压传感器测量飞行速度产生的动压Pd，采用ASDXO15A24R型绝压传感器来测量大气静压PH[6]。
3.2 信号调理单元电路
    针对本系统的动压范围，为了使传感器在不同情况下输出电压满足ARM内置ADC的输入电压范围，信号调理电路增加了一级调零电路，将放大倍数分别分配给AD620和后级减法电路。由AD620和减法电路组成的放大调零电路如图2所示。R200为放大倍数调节电阻，R201为调零电阻。

3.3 信号采集及数据处理
    在本系统中，压力和温度数据通过ADC采样。为确保采样转换的准确性，使用定时器来控制，通过改变重装载值就可以实现不同的采样频率。选择定时器1的触发输出事件启动ADC转换，ADC选择连续转换模式，在定时器预置的时间里完成52次采样，舍弃最大值和最小值，通过求和平均计算出当前的ADC转换值。另外，考虑到经ADC转换后的数字量所存在的噪声干扰，采用软件方法进行滤波处理。本系统在算术平均值的基础上采用了加权平均值滤波算法，以确保测量结果的准确性[7]。
    运用ARM实现信号采集及滤波处理流程如图3所示。

3.4 上位机软件设计
    本设计中，上位机软件在NI公司的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW上开发。软件设计采用了自顶向下的设计思想，上位机与下位机通过双方发送中断程序完成交互和握手，通信的内容包括上位机的控制指令与ARM运算处理后的测试数据。
    上位机程序主要包括控制指令和数据显示两个模块。控制指令包括对串口的配置等；数据显示模块将ARM运算处理后的空速数据显示在上位机指定区域内。上位机软件界面运行效果如图4所示。 

3.5 下位机软件设计
    本设计下位机在Keil μVision4软件开发环境中编译并调试，采用C语言编写。下位机根据接收到的上位机控制命令来执行相应操作，并且将测试结果传送回上位机显示。下位机程序流程图如图5所示。
    测试开始后，初始化ARM各硬件模块，等待接收上位机控制指令，当接收到上位机控制指令后，开始执行后续操作，其中主要操作包括：(1)当绝压传感器和差压传感器将静压PH与动压Pd转换为电流信号后，通过ARM内置ADC转换，以保证待测信号经过外围调零放大电路后，信号电压不会超过ADC的工作电压范围。(2)设置ADC模拟看门狗的高阈值和低阈值并使能中断程序，通过ADC模拟看门狗中断程序调节电压放大倍数。(3)将采样数据进行相应的运算处理即可分别得到指示空速和真空速结果。(4)将结果通过RS-232串行接口发送给上位机[8]。
4 实验结果
    本系统在指示空速为100 km/h～400 km/h，高度为0 m、1 000 m、3 000 m和5 000 m范围内，实时计算出当前高度与压力下的真空速，其实验结果如表1所示。由表1可以看出，真空速的测试相对误差控制在2.5以内，满足系统的设计要求。
    本文设计了一种基于ARM的无人机空速测量系统，通过ARM上集成的模拟数字转换电路对绝压传感器和差压传感器输出的信号进行采样。针对真空速测量公式的复杂性，通过公式分解，采用低次线性插值算法，实现了真空速实时测量，并通过LabVIEW软件实现了上位机显示。实验结果表明，该系统测量有效解决了传感器的温漂问题，提高了测量精度、稳定性以及实时性。本系统优于传统的测量装置，适用于工程应用。
参考文献
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[2] 袁智荣，姜晓爱.小型无人机真空速测量系统的设计[J].传感器技术，2003，22（4）：26-28.
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[4] 蒋健飞，胡良剑，唐俭.数值分析及其MATLAB实验[M].北京：科学出版社，2004：73.
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[8] 揭峰.基于单片机的无人机指示空速测量系统设计[D].西安：西北工业大学，2010.