單片機實現(xiàn)自控飛艇舵控系統(tǒng)

以單片機為核心設(shè)計并實現(xiàn)了小型自控飛艇的舵機控制系統(tǒng),對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行了說明，對軟件設(shè)計中的關(guān)鍵問題——串行通訊及幀識別、多單片機通訊及PWM波的軟件產(chǎn)生方法進行了詳細闡述。

引言

　　平流層飛艇是一種利用輕于空氣的氣體(如氦氣等)產(chǎn)生浮力作為升力的飛行于平流層區(qū)域的飛行器。它依靠飛艇內(nèi)部裝載的輕于空氣的氣體產(chǎn)生的靜升力，通過控制飛艇上的舵面和動力裝置，以較小的能耗實現(xiàn)在平流層的飛行。小型自控飛艇是為了驗證平流層飛艇飛行特性和控制性能的小型軟式試驗飛艇，對其控制系統(tǒng)的研究是平流層飛艇研制中一個重要的過渡階段，具有極其重要的意義。

　　1 小型自控飛艇舵控系統(tǒng)簡介

　　舵機是小型自控飛艇執(zhí)行機構(gòu)中最主要的執(zhí)行部件，能否快速、準確地完成對舵機的控制直接關(guān)系到飛艇的自主控制效果。因此，舵控系統(tǒng)成為小型飛艇自主飛行控制系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，它的主要功能是接收艇載計算機發(fā)出的控制指令，實現(xiàn)對控制指令的采集、分析和處理，并根據(jù)控制指令向舵機輸出連續(xù)可調(diào)的舵控信號，操縱艇上各舵機完成預(yù)定動作。

　　2 舵控系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本飛艇舵控系統(tǒng)以多片P89C2051單片機為核心，配合電源模塊、驅(qū)動芯片及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)等在一塊印制電路板上實現(xiàn)預(yù)定功能。舵控系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

　　舵控系統(tǒng)主控芯片(主控單片機1、2)選擇P89C51RA2xx型單片機，它具有8KB的并行可編程非易失性FLASH 程序存儲器，并可對器件串行在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP)。該型微控制器是80C51微控制器的派生器件，是采用先進的CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統(tǒng)與80C51完全相同。該器件有4組8位I/O口、3個16位定時計數(shù)器、多中斷源-4中斷優(yōu)先級-嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個增強型UART、片內(nèi)振蕩器及時序電路。舵控單片機采用Atmel公司的89C2051型單片機[2]，其具體性能這里不再贅述。

　　電源模塊采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2576系列產(chǎn)品，它是線性三端穩(wěn)壓器件(如78xx系列端穩(wěn)壓集成電路)的替代品。相比而言，它的熱損耗更低、工作效率更高、輸出電流驅(qū)動能力更強，同時對于電源的高頻干擾還有較強的抑制作用。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，為MCU穩(wěn)定可靠的工作提供強有力的保證。

　　此外，為增強信號的驅(qū)動能力，在輸出之前采用74LS245作為信號驅(qū)動芯片;串口電平轉(zhuǎn)換采用Max232芯片。

　　該系統(tǒng)硬件設(shè)計比較簡單，值得一提的是其中的安全性設(shè)計部分，即當(dāng)?shù)孛鏅z測到艇上自動控制系統(tǒng)已經(jīng)失效時，為確保飛艇安全返回，需要將控制方式轉(zhuǎn)至遙控方式。如圖1所示，當(dāng)艇載計算機發(fā)生故障時，舵控系統(tǒng)通過無線射頻接收機接收地面遙控信號，通過其輸出的多通道PWM波直接控制艇上舵機，控制飛艇安全返回。此處，控制方式的轉(zhuǎn)換是通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)的，開關(guān)的切換信號由艇載計算機看門狗電路在檢測到艇載計算機已不能正常工作時給出。

　　3 舵控系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

　　舵控系統(tǒng)各單片機程序均在Keil C51環(huán)境下采用C語言編寫。為了保證系統(tǒng)的實時性及快速性，軟件編寫采用了主程序+任務(wù)+中斷的結(jié)構(gòu)。

　　在三部分程序中，以主單片機1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機2的握手中斷以及艇載計算機看門狗的外部中斷，這幾個中斷的優(yōu)先級排列順序是：艇載計算機看門狗中斷>串口中斷>握手中斷。主單片機1接收到艇載計算機通過RS232串口發(fā)來的信息幀后，首先進行幀識別，提取出前m個字節(jié)的數(shù)據(jù)，加上幀頭幀尾后由P1口發(fā)送給主單片機2;并將第m+1個字節(jié)數(shù)據(jù)作為開關(guān)量通道控制信號由P2口輸出，用作系統(tǒng)控制備用。

　　主單片機2程序的主要任務(wù)是通過其P1口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)，提取各控制信息，在相應(yīng)控制指令的前面加上地址，依次由串口發(fā)送給下位舵控單片機。

　　舵控單片機的主要任務(wù)是識別控制指令和地址指令，并根據(jù)收到的控制指令(舵機占空比信號)產(chǎn)生PWM波控制艇上舵機。

　　該系統(tǒng)軟件設(shè)計中的關(guān)鍵問題包括以下幾個方面：(1)控制信號流程中數(shù)據(jù)幀的接收識別;(2)舵控系統(tǒng)中主從單片機之間的多機通信;(3)PWM波舵控信號的軟件產(chǎn)生方法。下面對這幾個問題進行詳細的闡述，并給出相應(yīng)的解決方案。