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?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。
3.2 軟件設(shè)計中的關(guān)鍵問題
(1)數(shù)據(jù)幀的串口接收及識別技術(shù)
在舵控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以二進制信息幀的格式進行傳遞。每個信息幀從標題開始都有固定的幀頭、幀尾，且長度固定，其基本數(shù)據(jù)格式如表1所示。
在該舵控系統(tǒng)的設(shè)計中，串行通訊占有很重要的地位，如艇載計算機與主單片機1之間的通訊過程。下面以主單片機1的串口接收程序為例，對串行通訊的實現(xiàn)過程加以說明。
在串行通信中，接收程序的任務(wù)是數(shù)據(jù)接收、幀識別和信息提取。常規(guī)的設(shè)計方法是設(shè)置一個比較大的緩沖區(qū)。串行接收中斷服務(wù)程序負責把接收到的數(shù)據(jù)壓入緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)足夠多時，再由主程序調(diào)用一個幀識別和解碼子程序?qū)彌_區(qū)中的數(shù)據(jù)進行處理。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)接收完畢到解碼時間較長，另外對緩沖區(qū)進行管理需要占用大量的的CPU時間，因而實時性較差，此處不宜使用。
本文采用了中斷服務(wù)程序就地幀識別技術(shù)，即省掉緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)接收、幀識別均由中斷服務(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。就地幀識別技術(shù)的實現(xiàn)機理如下：把中斷服務(wù)程序看作是一個處理機，串行數(shù)據(jù)逐字節(jié)到來，程序先從數(shù)據(jù)序列中等到第一個幀頭，寫入該幀的存儲數(shù)組，同時置標志位 flag1，接收狀態(tài)推進一步;再判斷下一次中斷時，來到的數(shù)據(jù)是否符合第二個幀頭的特征。如果符合則存入相應(yīng)數(shù)組，并置相應(yīng)的標志位flag2，接收狀態(tài)繼續(xù)推進;如果幀頭兩個字節(jié)均符合，則將后面來到的數(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字節(jié)，如果是則置標志位flag3;之后依據(jù)同樣的方法判斷幀尾第二個字節(jié)是否來到，如果已接收到，則置該幀數(shù)據(jù)已完整接收到標志 flag4，同時接收狀態(tài)歸零，重新開始等待幀頭字符。在幀頭幀尾判斷期間，一旦有一項不符合要求，則將接收狀態(tài)歸零，以重新開始等待幀頭。主程序每循環(huán)一次便對“幀完整接收到”標志進行一次判斷，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)程序就地幀識別技術(shù)的優(yōu)點在于數(shù)據(jù)接收后立即進行幀識別，省去了對緩沖區(qū)的管理工作，減少了存取次數(shù)，因而節(jié)省了大量的時間，極大地提高了接收程序的實時性。同時錯幀和斷幀被自動丟棄，不再占用資源。
圖2中各標志位含義為：
flag1——接收到幀頭Head1標志;
flag2——接收到完整幀頭標志;
flag3——接收到幀尾End1標志;
flag4——接收到完整幀標志。
(2)單片機多機通訊
在舵控系統(tǒng)設(shè)計中，各部分間的通訊是設(shè)計的重要內(nèi)容，其中主要包括單片機與上位PC機間的通訊和單片機與單片機之間的通訊。在舵控系統(tǒng)中，主單片機1與上位PC機通訊是通過單片機自帶的一路異步串行通訊接口完成的;而主單片機1通過其P1口向主單片機2傳輸數(shù)據(jù)，這里不再贅述，重點介紹主單片機2如何通過其一路串口分別向下位的多個舵控單片機傳送指令。
此系統(tǒng)中，主單片機2作為主機，m個舵控單片機作為從機，在主機與從機的通訊過程中，串口控制寄存器中SCON中的SM2位發(fā)揮了重要作用。當其中一個舵控單片機(89C2051)的SM2位為1時，該單片機只接收地址幀，對數(shù)據(jù)幀不理睬;而當SM2位為0時，該單片機接收所有發(fā)來的消息。具體通信過程如下：
①首先將主、從單片機工作方式選為模式3，所有從機的SM2位開始置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。
②主機接收主單片機1發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，從中提出數(shù)據(jù)部分(m個字節(jié)的指令對應(yīng)m個舵控單片機)，根據(jù)序號在控制指令字節(jié)前加上一個字節(jié)的地址信息。然后主機依次通過串口向下發(fā)送各舵控單片機的地址字節(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。
③從機接收地址幀后，進入中斷，將發(fā)來的地址與自身比較;地址一致的從機就是被尋址的從機，它清除SM2位，接收主機發(fā)來的所有后續(xù)幀信息(數(shù)據(jù)信息)。未尋址的所有其他從機仍維持SM2=1，對主機發(fā)來的數(shù)據(jù)幀不理睬，直到發(fā)來新地址幀;之后在下一次中斷時被尋址的從機接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息(第9位為 0)。
需要注意的是，如果對已經(jīng)尋址的從機再發(fā)送地址幀，則該從機SM2=1，恢復(fù)初始狀態(tài)，和其他從機競爭。
(3)舵控信號PWM波的產(chǎn)生
對飛艇舵機的控制最終是通過舵控單片機產(chǎn)生PWM波來實現(xiàn)的。通常，產(chǎn)生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法。考慮到舵控單片機計算任務(wù)不大，本系統(tǒng)中采用軟件產(chǎn)生PWM波的方法。下面以定時器0產(chǎn)生PWM波為例，說明通過軟件產(chǎn)生PWM波舵控信號的實現(xiàn)方法。
void timer0(void) interrupt 1 using 1
{
/*PWM波通過單片機P37口輸出，定時取反*/
P37=!P37;
/*Length代表一個周期的時間*/
c=Length-c;
/*重新定義計數(shù)初值*/
TH0=-(c/256);
TL0=-(c%256);
/*判斷脈寬是否在正常范圍之內(nèi)*/
if(c>=border1&&c<=border2)
c=a;
else
c=Length-a;
}
在程序中，由串口中斷接收上位機發(fā)送的脈寬指令，繼而通過改變?nèi)肟趨?shù)a來調(diào)整PWM波的脈寬，并確保脈寬輸出在正常范圍之內(nèi)。通過該方法產(chǎn)生PWM波切實可行，簡單有效，可以廣泛應(yīng)用于舵機控制信號的產(chǎn)生中。
4 實驗結(jié)果
實驗中以FUTABA 3003舵機作為被控對象，由計算機模擬向舵控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通過示波器觀察舵控信號的變化。實驗結(jié)果表明，該舵控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，輸出PWM波脈寬準確可靠，被控舵機轉(zhuǎn)角線性度良好。