基于單片機(jī)的小型自控飛艇舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了小型自控飛艇的舵機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題——串行通訊及幀識(shí)別、多單片機(jī)通訊及PWM波的軟件產(chǎn)生方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

　　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(guò)控制飛艇上的舵面和動(dòng)力裝置，以較小的能耗實(shí)現(xiàn)在平流層的飛行。配備集成化組合導(dǎo)航和自主飛行控制系統(tǒng)的飛艇，可以實(shí)現(xiàn)在平流層空間準(zhǔn)靜止和常駐空自主飛行。它具有高空定點(diǎn)工作時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)地觀測(cè)范圍廣、維修使用方便以及成本低等特點(diǎn)，因此可以根據(jù)任務(wù)需要在飛艇上安裝相應(yīng)的載荷，構(gòu)成對(duì)地、對(duì)空任務(wù)平臺(tái)。小型自控飛艇是為了驗(yàn)證平流層飛艇飛行特性和控制性能的小型軟式試驗(yàn)飛艇，對(duì)其控制系統(tǒng)的研究是平流層飛艇研制中一個(gè)重要的過(guò)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(jiǎn)介

　　舵機(jī)是小型自控飛艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最主要的執(zhí)行部件，能否快速、準(zhǔn)確地完成對(duì)舵機(jī)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(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的采集、分析和處理，并根據(jù)控制指令向舵機(jī)輸出連續(xù)可調(diào)的舵控信號(hào)，操縱艇上各舵機(jī)完成預(yù)定動(dòng)作。

　　2 舵控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

　　舵控系統(tǒng)主控芯片(主控單片機(jī)1、2)選擇P89C51RA2xx型單片機(jī)，它具有8KB的并行可編程非易失性FLASH 程序存儲(chǔ)器，并可對(duì)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(jìn)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(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、多中斷源-4中斷優(yōu)先級(jí)-嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個(gè)增強(qiáng)型UART、片內(nèi)振蕩器及時(shí)序電路。舵控單片機(jī)采用Atmel公司的89C2051型單片機(jī)[2]，其具體性能這里不再贅述。

　　電源模塊采用美國(guó)國(guó)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(dòng)能力更強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于電源的高頻干擾還有較強(qiáng)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(qiáng)有力的保證。

　　此外，為增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，在輸出之前采用74LS245作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片;串口電平轉(zhuǎn)換采用Max232芯片。

　　該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，值得一提的是其中的安全性設(shè)計(jì)部分，即當(dāng)?shù)孛鏅z測(cè)到艇上自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)失效時(shí)，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(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，舵控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線射頻接收機(jī)接收地面遙控信號(hào)，通過(guò)其輸出的多通道PWM波直接控制艇上舵機(jī)，控制飛艇安全返回。此處，控制方式的轉(zhuǎn)換是通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)關(guān)的切換信號(hào)由艇載計(jì)算機(jī)看門狗電路在檢測(cè)到艇載計(jì)算機(jī)已不能正常工作時(shí)給出。

　　3 舵控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

　　舵控系統(tǒng)各單片機(jī)程序均在Keil C51環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及快速性，軟件編寫(xiě)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(jī)1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機(jī)2的握手中斷以及艇載計(jì)算機(jī)看門狗的外部中斷，這幾個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)排列順序是：艇載計(jì)算機(jī)看門狗中斷>串口中斷>握手中斷。主單片機(jī)1接收到艇載計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口發(fā)來(lái)的信息幀后，首先進(jìn)行幀識(shí)別，提取出前m個(gè)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(jī)2;并將第m+1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)量通道控制信號(hào)由P2口輸出，用作系統(tǒng)控制備用。

　　主單片機(jī)2程序的主要任務(wù)是通過(guò)其P1口接收上位機(jī)傳來(lái)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(jī)。

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

　　該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：(1)控制信號(hào)流程中數(shù)據(jù)幀的接收識(shí)別;(2)舵控系統(tǒng)中主從單片機(jī)之間的多機(jī)通信;(3)PWM波舵控信號(hào)的軟件產(chǎn)生方法。下面對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并給出相應(yīng)的解決方案。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　(1)數(shù)據(jù)幀的串口接收及識(shí)別技術(shù)

　　在舵控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制信息幀的格式進(jìn)行傳遞。每個(gè)信息幀從標(biāo)題開(kāi)始都有固定的幀頭、幀尾，且長(zhǎng)度固定，其基本數(shù)據(jù)格式如表1所示。

　　在該舵控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，串行通訊占有很重要的地位，如艇載計(jì)算機(jī)與主單片機(jī)1之間的通訊過(guò)程。下面以主單片機(jī)1的串口接收程序?yàn)槔?，?duì)串行通訊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程加以說(shuō)明。

　　在串行通信中，接收程序的任務(wù)是數(shù)據(jù)接收、幀識(shí)別和信息提取。常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是設(shè)置一個(gè)比較大的緩沖區(qū)。串行接收中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)壓入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，再由主程序調(diào)用一個(gè)幀識(shí)別和解碼子程序?qū)彌_區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種方法的好處是中斷服務(wù)程序比較短，不足之處為從一幀數(shù)據(jù)接收完畢到解碼時(shí)間較長(zhǎng)，另外對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行管理需要占用大量的的CPU時(shí)間，因而實(shí)時(shí)性較差，此處不宜使用。

　　本文采用了中斷服務(wù)程序就地幀識(shí)別技術(shù)，即省掉緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)接收、幀識(shí)別均由中斷服務(wù)程序完成，之后在主程序的循環(huán)中完成數(shù)據(jù)的提取和處理。就地幀識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理如下：把中斷服務(wù)程序看作是一個(gè)處理機(jī)，串行數(shù)據(jù)逐字節(jié)到來(lái)，程序先從數(shù)據(jù)序列中等到第一個(gè)幀頭，寫(xiě)入該幀的存儲(chǔ)數(shù)組，同時(shí)置標(biāo)志位flag1，接收狀態(tài)推進(jìn)一步;再判斷下一次中斷時(shí)，來(lái)到的數(shù)據(jù)是否符合第二個(gè)幀頭的特征。如果符合則存入相應(yīng)數(shù)組，并置相應(yīng)的標(biāo)志位flag2，接收狀態(tài)繼續(xù)推進(jìn);如果幀頭兩個(gè)字節(jié)均符合，則將后面來(lái)到的數(shù)據(jù)依次存入指定數(shù)組;根據(jù)已接收到的字節(jié)數(shù)判斷，當(dāng)符合該幀的數(shù)據(jù)部分接收完畢后，判斷下一字節(jié)是否為幀尾的第一個(gè)字節(jié)，如果是則置標(biāo)志位flag3;之后依據(jù)同樣的方法判斷幀尾第二個(gè)字節(jié)是否來(lái)到，如果已接收到，則置該幀數(shù)據(jù)已完整接收到標(biāo)志flag4，同時(shí)接收狀態(tài)歸零，重新開(kāi)始等待幀頭字符。在幀頭幀尾判斷期間，一旦有一項(xiàng)不符合要求，則將接收狀態(tài)歸零，以重新開(kāi)始等待幀頭。主程序每循環(huán)一次便對(duì)“幀完整接收到”標(biāo)志進(jìn)行一次判斷，若為真則調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)提取子程序，并清flag4。

　　串行中斷服務(wù)程序流程如圖2所示。采用中斷服務(wù)程序就地幀識(shí)別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)接收后立即進(jìn)行幀識(shí)別，省去了對(duì)緩沖區(qū)的管理工作，減少了存取次數(shù)，因而節(jié)省了大量的時(shí)間，極大地提高了接收程序的實(shí)時(shí)性。同時(shí)錯(cuò)幀和斷幀被自動(dòng)丟棄，不再占用資源。

　　圖2中各標(biāo)志位含義為：

　　flag1——接收到幀頭Head1標(biāo)志;

　　flag2——接收到完整幀頭標(biāo)志;

　　flag3——接收到幀尾End1標(biāo)志;

　　flag4——接收到完整幀標(biāo)志。

　　(2)單片機(jī)多機(jī)通訊

　　在舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各部分間的通訊是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其中主要包括單片機(jī)與上位PC機(jī)間的通訊和單片機(jī)與單片機(jī)之間的通訊。在舵控系統(tǒng)中，主單片機(jī)1與上位PC機(jī)通訊是通過(guò)單片機(jī)自帶的一路異步串行通訊接口完成的;而主單片機(jī)1通過(guò)其P1口向主單片機(jī)2傳輸數(shù)據(jù)，這里不再贅述，重點(diǎn)介紹主單片機(jī)2如何通過(guò)其一路串口分別向下位的多個(gè)舵控單片機(jī)傳送指令。

　　此系統(tǒng)中，主單片機(jī)2作為主機(jī)，m個(gè)舵控單片機(jī)作為從機(jī)，在主機(jī)與從機(jī)的通訊過(guò)程中，串口控制寄存器中SCON中的SM2位發(fā)揮了重要作用。當(dāng)其中一個(gè)舵控單片機(jī)(89C2051)的SM2位為1時(shí)，該單片機(jī)只接收地址幀，對(duì)數(shù)據(jù)幀不理睬;而當(dāng)SM2位為0時(shí)，該單片機(jī)接收所有發(fā)來(lái)的消息。具體通信過(guò)程如下：

　?、偈紫葘⒅?、從單片機(jī)工作方式選為模式3，所有從機(jī)的SM2位開(kāi)始置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。

　?、谥鳈C(jī)接收主單片機(jī)1發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀，從中提出數(shù)據(jù)部分(m個(gè)字節(jié)的指令對(duì)應(yīng)m個(gè)舵控單片機(jī))，根據(jù)序號(hào)在控制指令字節(jié)前加上一個(gè)字節(jié)的地址信息。然后主機(jī)依次通過(guò)串口向下發(fā)送各舵控單片機(jī)的地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。發(fā)送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發(fā)送的幀為地址幀。

　?、蹚臋C(jī)接收地址幀后，進(jìn)入中斷，將發(fā)來(lái)的地址與自身比較;地址一致的從機(jī)就是被尋址的從機(jī)，它清除SM2位，接收主機(jī)發(fā)來(lái)的所有后續(xù)幀信息(數(shù)據(jù)信息)。未尋址的所有其他從機(jī)仍維持SM2=1，對(duì)主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀不理睬，直到發(fā)來(lái)新地址幀;之后在下一次中斷時(shí)被尋址的從機(jī)接收主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息(第9位為0)。

　　需要注意的是，如果對(duì)已經(jīng)尋址的從機(jī)再發(fā)送地址幀，則該從機(jī)SM2=1，恢復(fù)初始狀態(tài)，和其他從機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。

　　(3)舵控信號(hào)PWM波的產(chǎn)生

　　對(duì)飛艇舵機(jī)的控制最終是通過(guò)舵控單片機(jī)產(chǎn)生PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常，產(chǎn)生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法?？紤]到舵控單片機(jī)計(jì)算任務(wù)不大，本系統(tǒng)中采用軟件產(chǎn)生PWM波的方法。下面以定時(shí)器0產(chǎn)生PWM波為例，說(shuō)明通過(guò)軟件產(chǎn)生PWM波舵控信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法。

　　在程序中，由串口中斷接收上位機(jī)發(fā)送的脈寬指令，繼而通過(guò)改變?nèi)肟趨?shù)a來(lái)調(diào)整PWM波的脈寬，并確保脈寬輸出在正常范圍之內(nèi)。通過(guò)該方法產(chǎn)生PWM波切實(shí)可行，簡(jiǎn)單有效，可以廣泛應(yīng)用于舵機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生中。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)中以FUTABA 3003舵機(jī)作為被控對(duì)象，由計(jì)算機(jī)模擬向舵控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通過(guò)示波器觀察舵控信號(hào)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該舵控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，輸出PWM波脈寬準(zhǔn)確可靠，被控舵機(jī)轉(zhuǎn)角線性度良好。

　　本文給出了小型自控飛艇舵控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)闡述了在軟件設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的具體解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠很好地完成預(yù)定功能，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令準(zhǔn)確地對(duì)艇上舵機(jī)進(jìn)行控制。

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