以STC12C5A60S2單片機(jī)為系統(tǒng)控制單元的系留飛艇地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系留飛艇地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全天候、大視角、大覆蓋率、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，還能針對(duì)某一區(qū)域?qū)ｉT放大監(jiān)測(cè)，將信息及時(shí)反饋地面站，所以在監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛，但造價(jià)昂貴。此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了價(jià)格低廉的系留飛艇地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括地面站和艇載模塊。艇載模塊需要完成的任務(wù)包括：通過無線通信模塊與地面站進(jìn)行通信，根據(jù)制定的通信協(xié)議解析接收的命令，做相應(yīng)的操作；為確保數(shù)據(jù)通信的正確性，將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則放棄，正確則進(jìn)行處理并由單片機(jī)PCA定時(shí)器生成PWM信號(hào)來控制云臺(tái)水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)；與數(shù)字羅盤進(jìn)行通信，獲取系留飛艇姿態(tài)信息發(fā)給地面站；單片機(jī)定時(shí)器0和定時(shí)器1對(duì)舵機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并將其反饋給地面站；單片機(jī)外部中斷0和1監(jiān)測(cè)零位開關(guān)，對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行清零操作。根據(jù)艇載單片機(jī)發(fā)回的飛艇姿態(tài)和轉(zhuǎn)角信息，地面站分析并改變控制數(shù)據(jù)發(fā)送給飛艇模塊，以控制云臺(tái)按照意愿進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)。

飛艇艇載模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其控制單元僅需要2個(gè)串口，3個(gè)定時(shí)器，2個(gè)外部中斷和少數(shù)I/O口即可。STC12C5A60S2單片機(jī)有4個(gè)16 bit定時(shí)器，2個(gè)全雙工異步串行口，2個(gè)外部中斷入口，具有先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，故選擇此款單片機(jī)作為艇載模塊的控制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艇載模塊根據(jù)地面站指令生成相應(yīng)的PWM信號(hào)使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把計(jì)數(shù)值下傳，地面站根據(jù)收到的脈沖數(shù)計(jì)算云臺(tái)當(dāng)前角度，然后發(fā)送繼續(xù)轉(zhuǎn)或者停止轉(zhuǎn)動(dòng)命令指令。為了處理方便，在云臺(tái)上安裝了光電開關(guān)，以確定絕對(duì)零度位置。因此，艇載模塊主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)及其外圍電路，如圖1所示。

1.1 STR-30型微功率無線數(shù)傳模塊

STR-30無線數(shù)傳模塊提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232、RS-485和UART 3種接口方式，可與計(jì)算機(jī)、RS-485設(shè)備、單片機(jī)或其他UART器件直接連接使用。無線模塊提供1個(gè)9針的連接器（JP1）、一個(gè)天線接口（ANT）和一組調(diào)線短路器（JP2）。短路器（JP2）負(fù)責(zé)通信信道、串口2類型和通信數(shù)據(jù)位的選擇。JP2的ABC三位跳線提供8種選擇，用戶可以通過ABC確定使用的0～7號(hào)信道。在一個(gè)通信小網(wǎng)中，只要ABC的跳線方式相同，就可相互通信。它提供兩個(gè)串口，COM1固定為TLL電平的UART串行口，COM2可通過JP2的D位來選擇接口方式為RS-485或RS-232。JP2的E位用來選擇數(shù)據(jù)是否帶有校驗(yàn)位。本系統(tǒng)采用COM1直接與單片機(jī)串口0連接與地面站通信，采用波特率為9 600 b/s。

艇載單片機(jī)通過無線傳輸模塊與地面站通信，整個(gè)協(xié)議都由地面站發(fā)起，地面站發(fā)送，艇載機(jī)應(yīng)答。地面站到飛艇的數(shù)據(jù)鏈路稱為上行鏈路，飛艇到地面站的數(shù)據(jù)鏈路稱為下行鏈路。上下行鏈路均采用表1所示的數(shù)據(jù)幀格式。

對(duì)于舵機(jī)命令，除幀頭、幀尾外，數(shù)據(jù)都用字符碼傳輸。計(jì)算方法為：待傳數(shù)據(jù)/128，傳送商和余數(shù)，其CRC用字符表示，占用3 B。下行數(shù)據(jù)包括羅盤數(shù)據(jù)、電壓A/D數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)值，除羅盤數(shù)據(jù)外，其余量數(shù)據(jù)也用字符碼傳輸，計(jì)算方法同上。

飛艇應(yīng)答時(shí)，若正常，則有數(shù)據(jù)就發(fā)數(shù)據(jù)，無需應(yīng)答；若無數(shù)據(jù)，則發(fā)正常應(yīng)答命令。地面站和飛艇，若第1個(gè)接收到的字節(jié)為非AAH，接收端都不響應(yīng)，且從接收到第1個(gè)字節(jié)開始，啟動(dòng)接收超時(shí)定時(shí)器，若在規(guī)定時(shí)間未收完數(shù)據(jù)，則自動(dòng)重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，清除已接收到的數(shù)據(jù)。發(fā)送端也一樣，在發(fā)送完尾字節(jié)CCH后，都要啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器，若在規(guī)定時(shí)間未收到應(yīng)答，則延時(shí)一規(guī)定時(shí)間，重新發(fā)送。

1.2 旋轉(zhuǎn)編碼器

本系統(tǒng)采用增量脈沖雙脈沖輸出旋轉(zhuǎn)編碼器，其供電電壓為5 V，主要技術(shù)參數(shù)為1 000線/360 ℃（即每轉(zhuǎn)有1 000個(gè)脈沖），其兩路輸出為兩組相位差90 ℃的脈沖，這樣通過這兩組脈沖就可以判斷旋轉(zhuǎn)方向。其兩相輸出脈沖見圖2。應(yīng)用電路見圖3。

系統(tǒng)中需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)舵機(jī)定位，若每個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)其正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則本系統(tǒng)需要四個(gè)計(jì)數(shù)器，而產(chǎn)生PWM信號(hào)需要占用1個(gè)定時(shí)器，系統(tǒng)資源不夠用，所以本文將旋轉(zhuǎn)編碼器的兩相輸入A作為D觸發(fā)器輸入，B作為時(shí)鐘脈沖CP，若正轉(zhuǎn)，則每個(gè)B的上升沿A總為高電平，輸出為高電平，反之反轉(zhuǎn)其輸出總為低電平。這樣就可以根據(jù)D觸發(fā)器輸出判斷旋轉(zhuǎn)方向，而將A與B經(jīng)過與門得到正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖，用定時(shí)器對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前角度。程序中通過判斷旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒂?jì)數(shù)值分別累加到正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量或者反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)值變量。

1.3 數(shù)字羅盤

數(shù)字羅盤HMR3300體積小、功耗低、精度高，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地輸出被測(cè)物體的航向、俯仰、橫滾三個(gè)方向上的狀態(tài)數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過串口2接收數(shù)字羅盤發(fā)來的飛艇姿態(tài)信息，以便根據(jù)飛艇的方向控制舵機(jī)進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)，其通信波特率為9 600 b/s。

1.4 光電開關(guān)

光電開關(guān)是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，有同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無。利用此性質(zhì)，在云臺(tái)上安裝了兩個(gè)光電開關(guān)及遮擋物，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)定其上兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)零度位置。其應(yīng)用原理圖見圖4。光電開關(guān)中無遮擋物時(shí)，輸出為高電平，否則為低電平。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每次經(jīng)過絕對(duì)零度位置時(shí)，固定的鐵片遮擋光電開關(guān)，從而使輸出發(fā)生從高到低的變化，下降沿觸發(fā)外部中斷，清正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要功能是，艇載控制模塊能夠在地面站的控制下，生成PWM信號(hào)控制云臺(tái)上水平和垂直舵機(jī)，使其按照設(shè)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)系留飛艇對(duì)地面的監(jiān)測(cè)。程序中串口0中斷接收地面站發(fā)來的數(shù)據(jù)，由PCA定時(shí)器生成PWM信號(hào)，定時(shí)器0和1分別用來對(duì)垂直和水平的旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)，外部中斷0和1分別接水平和垂直安裝的光電開關(guān)輸出，以標(biāo)定絕對(duì)零度位置。

2.1 主程序

主程序中主要完成了系統(tǒng)各個(gè)部分的初始化，讀定時(shí)器0和定時(shí)器1中計(jì)數(shù)值，讀電壓A/D數(shù)據(jù)等任務(wù)。程序中將中斷分為4個(gè)等級(jí)，生成PWM信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的PCA定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)最高，為了保證羅盤數(shù)據(jù)的完整性，用于接收其數(shù)據(jù)的串口1中斷優(yōu)先級(jí)次之，串口0中斷低于串口1中斷，外部中斷和定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)最低。程序中設(shè)有4個(gè)返回?cái)?shù)據(jù)標(biāo)志位，aad_flag，ad_flag，pose_flag，shuju_flag，前三個(gè)分別與定時(shí)器計(jì)數(shù)值及A/D數(shù)據(jù)和數(shù)字羅盤返回姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，當(dāng)有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)將標(biāo)志位置1，有任一返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)將shuju_flag置1。程序流程圖見圖5。

2.2 PCA定時(shí)器中斷子程序

控制多舵機(jī)或電機(jī)的工作，并且使其工作周期均為20 ms時(shí)，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同［1］?？刂贫鏅C(jī)的PWM信號(hào)的正脈沖寬度為0.5 ms～2.5 ms，控制電機(jī)的PWM信號(hào)的正脈沖為1 ms～2 ms。程序中實(shí)現(xiàn)了生成可變路數(shù)且最多為8路PWM信號(hào)，具體路數(shù)視具體情況由地面站決定。利用STC系列單片機(jī)的PCA定時(shí)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，每路信號(hào)由兩次中斷實(shí)現(xiàn)，先實(shí)現(xiàn)正脈沖定時(shí)中斷，然后負(fù)脈沖中斷，兩次中斷總定時(shí)為2.5 ms，即1路PWM信號(hào)占用2.5 ms，8路信號(hào)占20 ms，而每一路信號(hào)除了定時(shí)的正脈沖時(shí)間為高電平，剩余17.5 ms～19.5 ms內(nèi)均為低電平，這樣保證了每路信號(hào)的周期均為20 ms，且可以在1個(gè)周期內(nèi)順次啟動(dòng)各路PWM波的上升沿，生成PWM信號(hào)，提高了效率。每次中斷后有一變量自加，控制下次中斷進(jìn)入的定時(shí)入口，在每次循環(huán)的第16次中斷將此變量清零，這樣就可以實(shí)現(xiàn)8路PWM控制信號(hào)的輸出。為了確保20 ms內(nèi)定時(shí)數(shù)據(jù)不隨地面站發(fā)來數(shù)據(jù)影響而改變，程序中采用了雙緩沖的做法，在第16次中斷時(shí)將新數(shù)據(jù)更新到PCA定時(shí)初值緩存中。流程圖見圖6。

2.3 串口0中斷子程序

單片機(jī)串口0和地面站通信，以獲得生成PWM信號(hào)的數(shù)據(jù)。程序中采用中斷接收和中斷發(fā)送，并在中斷程序中對(duì)接收到的命令進(jìn)行了解析，對(duì)于數(shù)據(jù)命令，對(duì)舵機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行了循環(huán)冗余校驗(yàn)，將正確的數(shù)據(jù)作為形參調(diào)用計(jì)算定時(shí)器初值的函數(shù)，函數(shù)值存放在定義好的數(shù)組當(dāng)中，在PCA第16次中斷時(shí)，將此數(shù)組中數(shù)據(jù)更新到PCA定時(shí)初值緩存中。

2.4 串口１中斷子程序

串口1中斷用于接收來自數(shù)字羅盤的飛艇姿態(tài)信息，每接收完一幀數(shù)據(jù)并根據(jù)標(biāo)志位s_mark的狀態(tài)決定是否將此刻數(shù)據(jù)更新到發(fā)送緩存中，以防止新數(shù)據(jù)沖去原數(shù)據(jù)，并置1pose_flag和shuju_flag標(biāo)志位。

2.5 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

艇載模塊有數(shù)據(jù)返回地面站時(shí)，發(fā)送命令‘M’，格式如圖7所示。

數(shù)據(jù)辨別位占１字節(jié)，用此字節(jié)后三位表示是否有姿態(tài)、角度、A/D數(shù)據(jù)，有則置１該位，無則清零。用其前兩位分別表示旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)脈沖數(shù)與反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)之差是否小于零，若小于零，則置1對(duì)應(yīng)位，否則清零。此位表征了舵機(jī)當(dāng)前位置處于絕對(duì)零點(diǎn)位置的左邊還是右邊，若為1，則在零點(diǎn)左邊。數(shù)據(jù)區(qū)排放次序依次是姿態(tài)、角度、A/D數(shù)據(jù)，若無前者數(shù)據(jù)則順次前移。s_mark和aa_flag標(biāo)志是為了保證放到發(fā)送緩沖區(qū)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)的完整性。

2.6 定時(shí)器0與1中斷子程序

定時(shí)器0與1分別用來對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，需要對(duì)TH和TL重新賦初值0，而用于保存上一時(shí)刻計(jì)數(shù)值和當(dāng)前計(jì)數(shù)值的緩存變量需要清零，以保證角度精度。

2.7 外部中?斷0與1中斷子程序

外部中斷0與1用于標(biāo)定云臺(tái)上舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)零點(diǎn)位置。中斷中將正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量清零，以實(shí)現(xiàn)在絕對(duì)零點(diǎn)位置輸出角度為零，角度增量也為零。

經(jīng)實(shí)際系留飛艇DZ-1驗(yàn)證，本模塊依據(jù)制定的通信協(xié)議，在地面站的控制下，能夠控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定角度對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將飛艇姿態(tài)信息、A/D數(shù)據(jù)和角度信息適時(shí)發(fā)送給地面站，以更好地控制其完成地面監(jiān)測(cè)任務(wù)。