10 STM32H743 移植指南（AHRS-Board 工程）¶

参考工程：F4 原版 PSINS_STM32F4xx_Keil4_V2.1（wiki 内路径 docs/惯性导航/assets/PSINS_STM32F4xx_Keil4_V2.1/，请本地浏览；本文引用的具体源码文件链接可直接点开）； H743 目标工程已存在本地：D:\01_Job\Project\AHRS-Board\software\STM32H743_AHRS-Board\（CubeMX 框架 + HAL 驱动 + 19 维自写 ESKF）。 移植目标：复用 F4 工程里验证过的 PSINS C++ 算法层（CMahony、CSINSGNSS、CKFApp 19 维 ESKF），取代 H743 现有的 C 版 15 维 ESKF，并把 F4 的软件 I2C/MS5611、MPU9250 驱动、UBX GPS 解析、DMA 串口输出、PCCMD PC 指令适配到 H743 硬件。

一、工程差异速览¶

坐标系不兼容是移植最核心的差异。若直接复用 PSINS 的 C++ 类，要么在接口层做 ENU↔NED 变换，要么统一改到同一坐标系（建议以项目约束为准：本项目强约束 NED，因此复用算法层时必须做 NED→ENU 喂入算法 → 结果 ENU→NED 输出，或修改 PSINS 内部 earth/Cnb 约定为 NED）。

二、移植策略与分层边界¶

2.1 保留层（H7 现有工程不动）¶

• CubeMX 生成的初始化代码（SystemClock_Config, MX_GPIO_Init, MX_SPIx_Init, MX_I2Cx_Init, MX_USARTx_Init, MX_TIMx_Init, MX_DMA_Init）；
• 板级总线适配：h743_hal_bus.c/.h、board_h743vih6_sensors.c/.h；
• 传感器驱动层（ICM42688P / BMI088 / BMP581 / IST8310 / RM3100 / UM982）。

这些直接使用 H7 HAL 编写，与 StdPeriph 完全不同，不值得把 F4 的软件 SPI/I2C 移植过来，H7 硬件外设更强大。

2.2 可直接复用的算法层（F4 → H7）¶

以源码方式加入 H7 工程的 Include Path & Source Group：

Psinscore/            # 原样拷贝
├── PSINS.h           # 定义 CVect3/CQuat/CMat3/CKalman/CSINS/CSINSGNSS...
├── PSINS.cpp         # ~3500 行，所有 C++ 算法实现
└── KFApp.h / KFApp.cpp   # CKFApp（CKFApp 重写，改 P/Q/R 适配 MEMS 等级）

工程设置： - Keil：新建 Group "PSINS Core"，包含 PSINS.cpp、KFApp.cpp，编译器选 Arm Compiler 6，语言 C++14； - CubeIDE：同样在 Makefile 或 .cproject 中加入源文件，C++ 编译选项 -std=c++17 -fno-exceptions -fno-rtti； - Include Path 增加 Psinscore/ 目录； - C 宏定义增加 PSINS_AHRS_MEMS（PSINS.h#L26），PSINS_MATRIX_MAX_DIM=19； - 强烈推荐在 H7 上也用 -O2；PSINS 有大量 CMat3 拷贝/相乘，H7 M7 Cache 开后 O2 比 -O0 快 8~12 倍。

2.3 重写 / 新写的 Glue 层¶

Core/Src/psins_port.cpp + Core/Inc/psins_port.h      // C 接口封装 C++ 对象（extern "C"）
Core/Src/psins_adapter.cpp                           // 采样结构体 ↔ CVect3/CSINS 参数
Core/Src/psins_uart.cpp                              // Out_Frame 兼容版打包 + DMA 发送

三、算法层复用步骤¶

3.1 坐标变换（NED ↔ ENU，移植关键）¶

项目 H7 使用 NED，而 PSINS 默认 ENU。在每个融合周期内：

NED → ENU（喂给 PSINS）：

qnb_enu = T_enu_ned ⊗ qnb_ned      （若保留 H7 原有初值）
vn_enu  = [vN, vE, -vD]            即 [vE_enu, vN_enu, vU_enu] = [vN_ned, vE_ned, -vD_ned]
pos_enu = [lat, lon, h]            与 NED 相同（LLH 不随导航系轴方向变）
wm_enu  = wm                       角速度在 body 系，不变
vm_enu  = vm                       比力在 body 系，不变
mag_enu = [mx, my, mz]             磁力 body 系不变

ENU→NED 变换矩阵 \(T\)（3×3）：

实践上更轻量的做法是：不要每次积分完转换四元数，而是在初始化时把 NED 参考值（重力方向、初值 pos/vn）变成 ENU，让 PSINS 全程在 ENU 下运行，只在对外输出和接收 GNSS 量测时做轴交换：

// PSINS 内部 ENU → 对外输出 NED
void psins_get_attitude_ned(float roll, float pitch, float *yaw_ned) {
    double r, p, y_e;  CSINS::q2att(qnb, r, p, y_e);
    *yaw_ned = (float)y_e;   // yaw 数值相同但定义变化，见下面说明
    // 推荐：直接在输出前用 y 轴定义修正
    // *yaw_ned = - (float)y_e + M_PI_2;   // NED ψ 定义：北顺时针；ENU ψ 定义：东逆时针
}

yaw 的 ENU↔NED 修正最易出错： - ENU下 q2att.qnb（PSINS.cpp#L907）yaw 按 atan2(-2(q0q2 - q1q3), ...) 输出； - NED下 ins_eskf_15d_get_euler yaw 按不同 DCM 行的 ZYX 反变换； - 工程上建议：用同一组合成真值（给定 body→NED 四元数 → 生成传感器数据 → 喂给 ENU 算法 → 对比输出）验证修正公式，而不要硬记符号。

3.2 采样数据桥接¶

H7 采样结构体为 ins_imu_sample_t（accel_mps2/gyro_rads float ×3，μs 时间戳），PSINS 接口是 CVect3 wm [rad 角增量]、CVect3 vm [m/s 速度增量]：

// psins_port.cpp
extern "C" void psins_feed_imu(const ins_imu_sample_t *imu, float dt)
{
    static CVect3 eb_fixed{-4.0*DPS, 1.3*DPS, 0.0};   // 沿用 F4 的经验零偏
    CVect3 wm{imu->gyro_rads.x * dt - eb_fixed.i * dt,
              imu->gyro_rads.y * dt - eb_fixed.j * dt,
              imu->gyro_rads.z * dt - eb_fixed.k * dt};
    CVect3 vm{imu->accel_mps2.x * dt,
              imu->accel_mps2.y * dt,
              imu->accel_mps2.z * dt};
    // 注意 NED/ENU 修正：PSINS ENU，加速度 f=-gU；H7 NED f=+gD
    vm.k = -vm.k;   // 把 body-z 的 NED 符号翻转到 ENU，按安装矩阵调整
    s_mahony.Update(wm, vm, dt);
    s_kf.Update(&wm, &vm, 1, dt, 5);
}

具体符号取决于传感器 body 轴方向。务必用 board_h743vih6_sensors.c 中 sensors_install_rot（若存在）乘完后再判断。

3.3 CSINSGNSS 初始化¶

H7 现在的 eskf15_init 只初始化本地 NED 结构体。替换为 CSINSGNSS 初始化时：

// psins_port.cpp
static CKFApp *s_kf = nullptr;
static CMahony *s_mahony = nullptr;

extern "C" void psins_init(double lat0_deg, double lon0_deg, double h0_m)
{
    static uint8_t buf[sizeof(CKFApp) + sizeof(CMahony)] __attribute__((aligned(8)));
    s_kf = new (buf) CKFApp(0.01);               // placement new，避免 heap
    s_mahony = new (buf + sizeof(CKFApp)) CMahony(10.0);

    CVect3 pos0 = LLH(lat0_deg, lon0_deg, h0_m);  // 注意内部转 rad/lat 前 lon
    CSINS sins0(qI /*初始姿态，之后由GPS重对齐*/, O31, pos0);
    s_kf->Init(sins0, /*grade=*/1);              // grade 1 = MEMS grade 默认 P/Q
}

关键：禁止 new/malloc 从堆分配——H7 CubeMX 启动堆默认很小，且 PSINS 对象 ≈ 21~25 KB。使用 placement new 在静态 buf 上构造，地址需 8 字节对齐（CVect3/CMat3 含 double）。F4 工程中 KFApp 对象也在栈上，H7 的 DTCM 放 buf 更好，同时避免在中断/线程上下文切换中被改。

3.4 GNSS 量测注入¶

H7 的 UM982 输出 [lat, lon, h] 与 [vel_n_mps, vel_e_mps, vel_d_mps]（NED），映射到 PSINS ENU：

extern "C" void psins_feed_gnss(const ins_gnss_sample_t *g)
{
    if(g->fix < 3 || g->sats < 6) return;
    CVect3 gpos_enu{g->latitude_deg*DEG, g->longitude_deg*DEG, g->altitude_m};   // lat, lon, h
    CVect3 gvn_enu {g->vel_e_mps,                 // ENU.vE = NED.vE
                    g->vel_n_mps,                 // ENU.vN = NED.vN
                   -g->vel_d_mps};                // ENU.vU = -NED.vD

    // 延迟补偿（H7 要用 GNSS 时戳与当前 μs 差值）
    s_kf->posGNSSdelay = s_kf->vnGNSSdelay = -(float)(g->delay_sec);
    s_kf->SetMeasGNSS(gpos_enu, gvn_enu);
}

动态模式下 yaw 初始化逻辑沿用 F4 的 tracking-angle：

if(!yaw_inited) {
    float vn = sqrtf(g->vel_n_mps*g->vel_n_mps + g->vel_e_mps*g->vel_e_mps);
    if(vn > 3.0f) {
        double yaw_enu = atan2(-g->vel_e_mps, g->vel_n_mps);   // 与 F4 atan2(-gvn.i, gvn.j) 等价
        CSINS sins0(a2qua(CVect3(0,0,yaw_enu)), gvn_enu, gpos_enu);
        s_kf->Init(sins0, 1);
        yaw_inited = 1;
    }
}

四、驱动层复用/适配清单¶

4.1 MS5611 驱动¶

适配结论：不用移植软件 I2C，直接用 H7 te_ms5611.c 现成 HAL 版本即可；若其结果与 F4 对不上，可直接把 F4 的温度补偿公式（二阶修正：T2 = dT>2^31? x:0 等）拷贝覆盖 te_ms5611_convert。

4.2 MPU9250 → ICM42688/BMI088 寄存器级差异¶

F4 的 MPU9250 驱动在 mpu9250.c 中：SPI 9 字节连续读加速度/温度/陀螺，AK8963 磁力挂在 I2C Aux。

H7 不使用 MPU9250，无移植需求，只需把 F4 主循环的尺度变换/零偏扣除部分（wm = Gyro/65.5f * DPS - eb）以 H7 驱动返回的 accel_mps2 / gyro_rads 替代——H7 驱动已经做了 scaling，直接使用即可。

4.3 GPS 解析¶

F4 的 GPS_PVT_Decode usart.c#L7-L52 是 UBX-NAV-PVT，H7 unicore_um982.c 是北天星协议。二者不同：

• F4 UBX-PVT offset：24=lon, 28=lat, 42=hgt, 58=vN, 62=vE, 66=vD；
• H7 UM982：查看 unicore_um982.c 具体解析——若有 BESTPOS/BESTVEL 输出，直接取 lat/lon/h 和 NED 速度；
• 若保留 UM982 的 GPS_Delay（PPS → PVT 时间滞后），需要在 H7 EXTI（PPS 引脚）上记时戳，对应 F4 stm32f4xx_it.c#L210 的 GPS_Delay = MCU_ms_cnt*10 - PPS_cnt。

4.4 串口 DMA 输出¶

F4 的 Out_Frame 定义（./05_串口输出帧.md）以 head=0x56aa55aa 起始，顺序 t → Gyro[3] → Accel[3] → Magn[3] → mBar → Att[3] → Vn[3] → Pos[5] → ... → checksum。

H7 现有输出在 ins_output.c（可能二进制/自定义协议）。若要兼容 F4 的上位机解析工具： - 定义相同的 Out_Frame 结构体； - 使用 HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t*)&outFrame, sizeof(outFrame)) 替换； - USART1 TX DMA 的 CubeMX 配置：DMA1 Stream X，Memory-to-Peripheral，高优先级，半满/传输完成中断回调。

4.5 PC 命令（PCCMD）系统¶

F4 中 PC_cmd 是 32-bit 字，强转 PCCMD{cmd1,cmd2}： - cmd2 = 0x1111/0x2222/0x3333/0x4444 切换模式； - cmd1 = 0xa5a5 退出当前模式。

H7 新增 PSINS 模式时同样可复用：在 usart2/uart_idle 收到 PC 4 字节帧后，pcmd->cmd2 = 0x1111 → 切到 PSINS Mahony。对应 H7 的 psins_switch_mode(uint16_t mode)。

五、时钟/中断/时序重映射¶

F4 → H7 外设挂载差异（关键移植点）：

中断优先级建议（从高到低）：

1. PPS EXTI（捕获时间戳，<1 μs 抖动）
2. TIM6 时基 / IMU SPI DMA 完成（2~5 μs 抖动）
3. GNSS USART IDLE / GPS PVT 解析
4. UART 输出 DMA TC
5. Systick（1 ms）

5.1 H7 Cache 一致性（致命陷阱）¶

PSINS 使用 double 数组 & CMat3 大对象（19×19 double ≈ 2.9 KB Pk），H7 的 Cortex-M7 带 I-Cache & D-Cache：

1. MPU 配置：把 DTCM（0x20000000，64 KB）配置为 Non-Cacheable（因为 DTCM 不挂 Cache）；SRAM1/2/3（0x30000000+）用 Write-Through + Read-Allocate。避免 Write-Back 模式下 DMA 读取的 RAM ≠ CPU 看到的值。
2. DMA 发送前：SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)&outFrame, sizeof(outFrame))；
3. 传感器接收缓冲区：__attribute__((section(".noncacheable"))) 放在 Non-Cache SRAM 区，或 SCB_InvalidateDCache_by_Addr 在读前。

CubeMX .sct 脚本新增段：

LR_IROM1 ... {
  ...
  RW_NONCACHE 0x30048000 UNINIT 0x00008000  {  *.o (.noncacheable)  }
}

5.2 MDMA / BDMA¶

F4 的 DMA2 Stream7 是简单 DMA；H7 有 MDMA（支持 Mem-Mem、链表）。串口输出帧可以直接把多个 Sensor Buffer 用 MDMA 链表一次性打包，减少 CPU 参与。但在移植第一步保持兼容，先复用 HAL_UART_Transmit_DMA，之后再优化。

六、编译问题处理清单（已知踩坑）¶

七、验收与回归¶

移植后要通过 4 个最低回归门槛，依次验证：

1. 编译链接：-W -O2 --brief-diagnostics 0 Error，栈大小报告显示 KFApp 运行栈 < 10 KB（若使用 RTOS，栈设 16 KB 足够）。
2. Mahony 静态对齐：静态 60 s，欧拉角波动 < 1°，yaw 若接磁力计则稳定。对齐后与 H7 现 ins_mahony_ahrs.c 输出偏差 < 2°。
3. SINS/GNSS 组合回放：用 F4 已有数据集（data/11.txt）或现场采集 5 分钟行车 GNSS+IMU，PC 端把同样数据分别灌给 F4 工程（MATLAB psins_uart_load.m）和 H7 的移植版本，结果 ENU→NED 后：
4. 姿态 RMSE < 1°；
5. 速度 RMSE < 0.2 m/s；
6. 位置 CEP50 < 2 m（同 GPS 精度量级）。
7. 长期稳定性：裸机 24 h 运行，观察 Pk 是否合理，姿态/位置不发散；周期性 HardFault 计数 = 0；exyzInt, Pk.diag 不突破 Pmax/Pmin。

八、分阶段实施计划（按复杂度排序）¶

P0~P3 是可运行 MVP，P4~P5 是产品化级。

九、保留选项：直接重写 vs 直接复用 PSINS¶

现在 H7 已经有 ins_eskf_15d.c，功能上覆盖了 CSINSGNSS 的 15 维核心，但缺少：

• 杆臂 l (3) 与 时间误差 dt (1) → 共 4 个状态；
• GPS 延迟补偿 avpi；
• 时间分布式 KF（TDUpdate nSteps 摊薄）；
• CSINS 高阶地球模型（含 \(C_b^n\)、\(\omega_{ie}\)、\(g_{cc}\)）矩阵 Maa/Mav/Map/Mva/Mvv/Mvp/Mpv/Mpp 等显式 Ft 自动生成；
• PSINS MATLAB 工具链 1:1 对应。

若最终目标是和 PSINS MATLAB 对齐，应直接复用 PSINS C++ 层，而不是在 eskf15d.c 上迭代补功能——长期维护成本更低，且 MATLAB→C→硬件 1:1 映射便于定位精度问题。如果只做最小功能出货，eskf15d.c 已足够。

参考资料¶

• STM32H743/753 参考手册 RM0433 — H7 系列 RCC/GPIO/SPI/USART/DMA 寄存器映射、最大时钟配置
• STM32H743 Datasheet DS1294 — 引脚定义、外设映射、SPI 速率上限、内存映射
• STM32Cube HAL 库用户手册 UM2217 — HAL_SPI_、HAL_UART_、HAL_DMA_* 函数原型与 HAL 与 SPL 差异
• STM32 H7 Cache 与内存对齐（AN4967） — D-Cache 使能下 DMA 缓冲区对齐、SCB_CleanDCache_by_Addr 调用时机
• Cortex-M7 Generic User Guide — TCM 内存、双发射流水线、FPU 性能与移植性能优化
• PSINS 官网（严恭敏教授） — CSINS 高阶地球模型、Maa/Mav/Map 显式 Ft 矩阵生成、PSINS C++ 层复用建议
• H743 AHRS-Board ins_eskf_15d.h — 项目侧 15 维 NED ESKF 实现，对照本文 NED↔ENU 转换。本地路径 01_Job/Project/AHRS-Board/software/STM32H743_AHRS-Board/Core/Inc/ins_eskf_15d.h（位于 wiki 仓库 docs/ 之外，MkDocs 不会发布，故不作链接）

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