以单片机为中心规划并完结了小型自控飞艇的舵机操控体系,对体系的硬件规划进行了阐明，对软件规划中的关键问题——串行通讯及帧辨认、多单片机通讯及PWM波的软件发生办法进行了详细论述。
平流层飞艇是一种运用轻于空气的气体(如氦气等)发生浮力作为升力的飞翔于平流层区域的飞翔器。它依托飞艇内部装载的轻于空气的气体发生的静升 力，经过操控飞艇上的舵面和动力装置，以较小的能耗完结在平流层的飞翔。装备集成化组合导航和自主飞翔操控体系的飞艇，可以完结在平流层空间准停止和常驻 空自主飞翔。它具有高空定点作业时刻长、对地观测规模广、修理运用方便以及本钱低一级特色，因此可以依据使命需求在飞艇上装置相应的载荷，构成对地、对空任 务渠道。小型自控飞艇是为了验证平流层飞艇飞翔特性和操控功用的小型软式试验飞艇，对其操控体系的研讨是平流层飞艇研发中一个重要的过渡阶段，具有极端重 要的意义。
1 小型自控飞艇舵控体系简介
舵机是小型自控飞艇履行机构中最首要的履行部件，能否快速、精确地完结对舵机的操控直接关系到飞艇的自主操控作用。因此，舵控体系成为小型飞艇 自主飞翔操控体系中最重要的组成部分之一，它的首要功用是接纳艇载核算机宣布的操控指令，完结对操控指令的收集、剖析和处理，并依据操控指令向舵机输出连 续可调的舵控信号，操作艇上各舵机完结预订动作。
2 舵控体系硬件规划
本飞艇舵控体系以多片P89C2051单片机为中心，合作电源模块、驱动芯片及多路转化开关等在一块印制电路板上完结预订功用。舵控体系规划整体框图如图1所示。
舵控体系主控芯片(主控单片机1、2)挑选P89C51RA2xx型单片机， 它具有8KB的并行可编程非易失性FLASH 程序存储器，并可对器材串行在体系编程(ISP)和在运用中编程(IAP)。该型微操控器是80C51微操控器的派生器材，是选用先进的CMOS工艺制作 的8位微操控器，指令体系与80C51完全相同。该器材有4组8位I/O口、3个16位守时计数器、多中止源-4中止优先级-嵌套中止结构、1 个增强型UART、片内振荡器及时序电路。舵控单片机选用Atmel公司的89C2051型单片机[2]，其详细功用这儿不再赘述。
电源模块选用美国国家半导体公司出产的LM2576系列产品，它是线性三端稳压器材(如78xx系列端稳压%&&&&&%)的替代品。比较而言，它的 热损耗更低、作业效率更高、输出电流驱动才能更强，一起关于电源的高频搅扰还有较强的抑制作用。运用该器材只需很少的外围器材便可构成高效稳压电路，为 MCU安稳牢靠的作业供给强有力的保证。
此外，为增强信号的驱动才能，在输出之前选用74LS245作为信号驱动芯片;串口电平转化选用Max232芯片。
该体系硬件规划比较简略，值得一提的是其间的安全性规划部分，即当地上检测到艇上主动操控体系现已失效时，为保证飞艇安全回来，需求将操控办法 转至遥控办法。如图1所示，当艇载核算机发生毛病时，舵控体系经过无线射频接纳机接纳地上遥控信号，经过其输出的多通道PWM波直接操控艇上舵机，操控飞 艇安全回来。此处，操控办法的转化是经过多路转化开关完结的，开关的切换信号由艇载核算机看门狗电路在检测到艇载核算机已不能正常作业时给出。
3 舵控体系软件规划
3.1 软件整体结构
舵控体系各单片机程序均在Keil C51环境下选用C言语编写。为了保证体系的实时性及快速性，软件编写选用了主程序+使命+中止的结构。
在三部分程序中，以主单片机1的外部中止最多，包括串口中止、与主单片机2的握手中止以及艇载核算机看门狗的外部中止，这几个中止的优先级摆放次序是：艇载核算机看门狗中止>串口中止>握手中止。主单片机1接纳到艇载核算机经过RS232串口发来的信息帧后，首要进行帧辨认，提取出前m个字节的数据，加上帧头帧尾后由P1口发送给主单片机2;并将第m+1个字节数据作为开关量通道操控信号由P2口输出，用作体系操控备用。
主单片机2程序的首要使命是经过其P1口接纳上位机传来的数据，提取各操控信息，在相应操控指令的前面加上地址，顺次由串口发送给下位舵控单片机。
舵控单片机的首要使命是辨认操控指令和地址指令，并依据收到的操控指令(舵机占空比信号)发生PWM波操控艇上舵机。
该体系软件规划中的关键问题包括以下几个方面：(1)操控信号流程中数据帧的接纳辨认;(2)舵控体系中主从单片机之间的多机通讯;(3)PWM波舵控信号的软件发生办法。下面临这几个问题进行详细的论述，并给出相应的解决方案。
3.2 软件规划中的关键问题
(1)数据帧的串口接纳及辨认技能
在舵控体系中，数据以二进制信息帧的格局进行传递。每个信息帧从标题开端都有固定的帧头、帧尾，且长度固定，其根本数据格局如表1所示。
在该舵控体系的规划中，串行通讯占有很重要的位置，如艇载核算机与主单片机1之间的通讯进程。下面以主单片机1的串口接纳程序为例，对串行通讯的完结进程加以阐明。
在串行通讯中，接纳程序的使命是数据接纳、帧辨认和信息提取。惯例的规划办法是设置一个比较大的缓冲区。串行接纳中止服务程序担任把接纳到的数 据压入缓冲区，当缓冲区的数据满足多时，再由主程序调用一个帧辨认宽和码子程序对缓冲区中的数据进行处理。这种办法的长处是中止服务程序比较短，不足之处 为从一帧数据接纳结束到解码时刻较长，别的对缓冲区进行办理需求占用很多的的CPU时刻，因此实时性较差，此处不宜运用。
本文选用了中止服务程序就地帧辨认技能，即省掉缓冲区，数据接纳、帧辨认均由中止服务程序完结，之后在主程序的循环中完结数据的提取和处理。就 地帧辨认技能的完结机理如下：把中止服务程序看作是一个处理机，串行数据逐字节到来，程序先从数据序列中比及第一个帧头，写入该帧的存储数组，一起置标志 位flag1，接纳状况推动一步;再判别下一次中止时，来到的数据是否契合第二个帧头的特征。假如契合则存入相应数组，并置相应的标志位flag2，接纳 状况持续推动;假如帧头两个字节均契合，则将后边来到的数据顺次存入指定数组;依据已接纳到的字节数判别，当契合该帧的数据部分接纳结束后，判别下一字节 是否为帧尾的第一个字节，假如是则置标志位flag3;之后依据相同的办法判别帧尾第二个字节是否来到，假如已接纳到，则置该帧数据已完好接纳到标志 flag4，一起接纳状况归零，重新开端等候帧头字符。在帧头帧尾判别期间，一旦有一项不契合要求，则将接纳状况归零，以重新开端等候帧头。主程序每循环 一次便对“帧完好接纳到”标志进行一次判别，若为真则调用相应的数据提取子程序，并清flag4。
串行中止服务程序流程如图2所示。选用中止服务程序就地帧辨认技能的长处在于数据接纳后当即进行帧辨认，省去了对缓冲区的办理作业，减少了存取次数，因此节省了很多的时刻，极大地提高了接纳程序的实时性。一起错帧和断帧被主动丢掉，不再占用资源。
图2中各标志位意义为：
flag1——接纳到帧头Head1标志;
flag2——接纳到完好帧头标志;
flag3——接纳到帧尾End1标志;
flag4——接纳到完好帧标志。
(2)单片机多机通讯
在舵控体系规划中，各部分间的通讯是规划的重要内容，其间首要包括单片机与上位PC机间的通讯和单片机与单片机之间的通讯。在舵控体系中，主单片机1与上位PC机通讯是经过单片机自带的一路异步串行通讯接口完结的;而主单片机1经过其P1口向主单片机2传输数据，这儿不再赘述，要点介绍主单片机2怎么经过其一路串口别离向下位的多个舵控单片机传送指令。
此体系中，主单片机2作为主机，m个舵控单片机作为从机，在主机与从机的通讯进程中，串口操控寄存器中SCON中的SM2位发挥了重要作用。当其间一个舵控单片机(89C2051)的SM2位为1时，该单片机只接纳地址帧，对数据帧不答理;而当SM2位为0时，该单片机接纳一切发来的音讯。详细通讯进程如下：
①首要将主、从单片机作业办法选为形式3，一切从机的SM2位开端置1，处于只接纳地址帧状况。
②主机接纳主单片机1发来的数据帧，从中提出数据部分(m个字节的指令对应m个舵控单片机)，依据序号在操控指令字节前加上一个字节的地址信息。然后主机顺次经过串口向下发送各舵控单片机的地址字节和数据字节。发送一帧地址信息，包括8位地址，第9位为1，表明发送的帧为地址帧。
③从机接纳地址帧后，进入中止，将发来的地址与本身比较;地址共同的从机便是被寻址的从机，它铲除SM2位，接纳主机发来的一切后续帧信息(数 据信息)。未寻址的一切其他从机仍保持SM2=1，对主机发来的数据帧不答理，直到发来新地址帧;之后鄙人一次中止时被寻址的从机接纳主机发来的数据信息 (第9位为0)。
需求留意的是，假如对现已寻址的从机再发送地址帧，则该从机SM2=1，康复初始状况，和其他从机竞赛。
(3)舵控信号PWM波的发生
对飞艇舵机的操控最终是经过舵控单片机发生PWM波来完结的。一般，发生PWM波不外乎硬件和软件两种办法。考虑到舵控单片机核算使命不大，本体系中选用软件发生PWM波的办法。下面以守时器0发生PWM波为例，阐明经过软件发生PWM波舵控信号的完结办法。
在程序中，由串口中止接纳上位机发送的脉宽指令，继而经过改动进口参数a来调整PWM波的脉宽，并保证脉宽输出在正惯例模之内。经过该办法发生PWM波切实可行，简略有用，可以广泛运用于舵机操控信号的发生中。
4 试验成果
试验中以FUTABA 3003舵机作为被控目标，由核算机模拟向舵控体系发送数据帧，经过示波器调查舵控信号的改变。试验成果表明，该舵控体系作业安稳，输出PWM波脉宽精确牢靠，被控舵机转角线性度杰出。
本文给出了小型自控飞艇舵控体系的首要规划办法，并详细论述了在软件规划中几个关键问题的详细解决方案。试验成果证明，该体系可以很好地完结预订功用，依据上位机发送的指令精确地对艇上舵机进行操控。
参考文献
[1] 甘晓华，郭 颍.飞艇技能概论[M].北京：国防工业出版社，2005.
[2] P89C51RA2/RB2/RC2/RD2xx中文器材手册.
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