基于NRF9E5射頻無(wú)線(xiàn)遙控系統的設計

1引 言[1]

現在和未來(lái)的飛行機器人^[1-3]設計方向是期望機器人是小巧的、手提的、隨身攜帶,可以像昆蟲(chóng)一樣超低空飛行，能夠靈活地完成偵察和搜索任務(wù)。多年來(lái)以軍事用途為背景的無(wú)人飛行器（UAV­―Unmanned Aerial Vehicle）研究一直十分活躍，這些無(wú)人飛行器通過(guò)地面基站遙控導航，或者通過(guò)自身的智能控制算法，來(lái)實(shí)現其自身的任務(wù)規劃與航跡生成，完成預定的飛行任務(wù)。仿生MAV是整個(gè)飛行任務(wù)的載體，仿生MAV性能的優(yōu)劣影響整個(gè)飛行系統的性能，目前仿生微飛行器有采用壓電驅動(dòng)、人造肌肉驅動(dòng)、形狀記憶合金（SMA）驅動(dòng)以及電磁微馬達驅動(dòng)，但目前能夠實(shí)現撲翼飛行的是采用微馬達的驅動(dòng)方式，其他的驅動(dòng)形式僅僅屬于概念性的設計，從實(shí)用的角度來(lái)講，采用電磁微馬達的驅動(dòng)方式更為成熟。仿生微型飛行器采用高能電池供電，通過(guò)電磁微馬達驅動(dòng)撲翼，通過(guò)形狀記憶合金（SMA）來(lái)控制仿生微飛行器的運動(dòng)模態(tài)，通過(guò)微型傳感器來(lái)檢測仿生微飛行器的位置和姿態(tài)，通過(guò)微處理芯片對輸入信號進(jìn)行檢測，并通過(guò)輸出去控制相應的執行機構，仿生微飛行器通過(guò)射頻傳輸模塊建立和地面控制基站的數據鏈路。

2遙控系統的結構設計

撲翼微型飛行器的遙控系統主要是為了調節飛行器的撲動(dòng)頻率以及飛行器尾翼的升降、左右擺動(dòng)；至于飛行器的視頻采集、姿態(tài)控制及位移控制，目前對其設計還不太現實(shí)，因為撲翼微型飛行器還不能實(shí)現自主飛行，如果控制系統過(guò)于復雜，則不可避免地增大飛行器重量，這些因素不利于飛行器的飛行。整個(gè)遙控系統包括兩個(gè)部分，一部分為系統的發(fā)射部分，其主要任務(wù)是發(fā)送控制命令，通過(guò)計算機把控制命令經(jīng)計算機的串口和射頻模塊發(fā)送出去，完成命令的生成和傳輸，即通過(guò)計算機發(fā)送控制命令，傳遞給nRF9E5芯片，芯片通過(guò)射頻端發(fā)射出去；另一部分為撲翼微型飛行器自身的控制器，這部分的作用是接收地面的控制指令，經(jīng)控制器來(lái)調整微馬達的轉速，進(jìn)而來(lái)控制撲翼的拍打頻率，即把接受到的控制命令傳遞給nRF9E5芯片，然后由nRF9E5芯片輸出PWM脈寬，進(jìn)而來(lái)調整電壓輸出，從而來(lái)控制直流微馬達的轉速。

nRF9E5^[4]采用QFN封裝，其尺寸大小為55mm，圖1所示為nRF9E5的引腳分配與封裝。其中P0口和P1口與8051的對應端口相同，這兩個(gè)端口是采用CMOS驅動(dòng)的雙向IO口，其方向可通過(guò)_DIR和_ALT寄存器的設置來(lái)選擇端口的功能和數據傳輸的方向。P0口通過(guò)P0_ALT和P0_DIR進(jìn)行設置，當P0_ALT的對應位為1時(shí)，則P0.n具有UART、外部中斷、定時(shí)器輸入或脈寬調制輸出功能，其方向由P0_DIR的對應位來(lái)確定；P1口的4個(gè)引腳MISO、MOSI、EECSN、SCK作為系統上電后EEPROM和系統進(jìn)行通訊的接口，EECSN為片選信號，SCK為存儲器的時(shí)鐘信號，MOSI、MISO分別為串行數據的輸入和輸出信號。P1口的控制寄存器分別為SPI_CTRL、P1_ALT、P1_DIR，當SPI_CTRL＝1時(shí)，P1口作SPI口使用，當SPI_CTRL＝0時(shí)，P1作通用IO口，XC1和XC2分別為系統時(shí)鐘的輸入和輸出，ANT1和ANI2為系統射頻信號的接口，AIN0～AIN3為模擬信號的輸入端口。遙控系統的結構布局如圖2所示。

地面射頻遙控裝置的命令發(fā)射端的電路原理圖如圖3所示，J1為9針的D型插座，連接計算機的串口，控制命令由串口傳出，串口連接MAX3232芯片，該芯片為電平轉換電路，其主要目的是把計算機15V的高電平轉換為MCU可以接受的0～3V的CMOS電平，J1

圖3 地面射頻遙控裝置的命令發(fā)射端的電路原理圖

插座中引出的引腳為2、3、5分別對應與TXD、RXD、GND，經(jīng)MAX3232轉換后連接nRF9E5的P01、P02，P01和P02分別設置為第二功能的RXD、TXD；25AA320為Microchip公司的串行程序存儲器，MCU的運行指令先燒寫(xiě)到此芯片中，當系統上電復位后，程序代碼被下載到nRF9E5的內存中；ANT1、ANT2為nRF9E5的射頻輸出端，射頻傳輸協(xié)議集成在射頻模塊內。

圖4 撲翼驅動(dòng)裝置接收端的電路原理圖

圖4為撲翼驅動(dòng)裝置接收端的電路原理圖，該電路圖中與nRF9E5相連的串行程序存儲器、晶振電路、射頻傳輸電路部分與圖3的電路相同，不同的是P0口的P02、P03連接在三極管的基極上（其中一個(gè)作備用），P04、P06連接兩個(gè)發(fā)光二極管；三極管采用BE431，三極管的主要作用是為了把MCU輸出的PWM放大，增大其輸出功率，微馬達連接在JP1的5、6引腳或者7、8引腳；LED1、LED2為狀態(tài)指示燈，用來(lái)模擬尾舵的擺動(dòng)和升降；LM1117為電源管理模塊，其作用是為了把4～6V的不穩定電壓轉換為3.3V的穩定電壓，為nRF9E5和其它用電模塊提供穩定的供電電源。

圖5 命令發(fā)射端程序流程

圖6 數據接收端程序流程

3系統的程序設計

當遙控系統的硬件設計完成之后，軟件成為溝通各個(gè)硬件部分的靈魂和血脈，遙控系統的軟件程序設計主要涉及PC與nRF9E5的串行通訊，nRF9E5芯片的射頻傳輸與接收，PWM的脈寬輸出等內容，圖5所示為遙控系統命令發(fā)射端程序流程，首先系統初始化，定義P0口功能、定時(shí)器初值（串行通訊的波特率）、SPI控制寄存器的初始化、RF控制寄存器初始化等，nRF9E5的串口能接收來(lái)自PC的命令，使接收的命令能順利傳出。nRF9E5的射頻傳輸模塊的功能和nRF905芯片的功能完全相同，將所有高速射頻協(xié)議集成在芯片內部，和微控制器相連的部分只是采用簡(jiǎn)單的SPI接口，使得在編程時(shí)對數據的接收和發(fā)送變得異常簡(jiǎn)單，在Shockburst^TM RX模式下，當地址接收正確，有效信號接收完畢后由AM和DR通知MCU，在Shockburst^TM TX模式下，nRF905自動(dòng)生成CRC校驗，當數據發(fā)送完后由DR通知MCU。

當有數據要發(fā)送時(shí)，MCU通過(guò)SPI接口將接收階段的地址和有效數據寫(xiě)入nRF905，MCU通過(guò)設置TRX_CE、TX_EN為高來(lái)激活nRF905 Shockburst進(jìn)行傳輸，nRF905在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，首先完成射頻無(wú)線(xiàn)傳輸系統的自動(dòng)上電，然后對數據包加前綴和進(jìn)行CRC校驗，進(jìn)而來(lái)完成數據包的發(fā)送，當發(fā)送完畢后，設置數據就緒（DR）信號為高，可以繼續進(jìn)行數據的發(fā)送；如若AUTO_RETRAN設置為高，則nRF905不斷的進(jìn)行數據發(fā)送直至TRX_CE為低。

當有數據需要接收時(shí)，nRF9E5的射頻模塊進(jìn)入數據接收狀態(tài)，當nRF905檢測到頻率相同的載波時(shí)，寄存器中的載波檢測（CD）信號變高，當nRF905檢測到的有效地址與自動(dòng)地址匹配時(shí)，寄存器中的地址匹配（AM）信號變高，當nRF905接收到的數據包（通過(guò)CRC校驗）正確時(shí)，射頻模塊去掉數據包的前導碼地址和CRC位，數據準備就緒（DR）被置高，此時(shí)MCU可通過(guò)SPI接口將接收的數據讀出；當接收完數據后，nRF905將AM和DR置低，此時(shí)nRF905將進(jìn)入發(fā)射、接收或者掉電模式；接收到的數據命令通過(guò)計算機指令來(lái)調整MCU的延時(shí)時(shí)間，從而產(chǎn)生不同占空比的PWM脈寬，經(jīng)三極管進(jìn)行放大從而來(lái)驅動(dòng)微馬達，通過(guò)指令來(lái)調整MCU輸出脈寬的占空比來(lái)達到調整電機轉速的目的。

4 結束語(yǔ)

本文采用Nordic公司的nRF9E5芯片對撲翼微型飛行器的遙控裝置進(jìn)行了相應的硬件設計和軟件編程，通過(guò)PC發(fā)送控制命令，經(jīng)計算機串口傳輸至nRF9E5，再由nRF9E5內部的數據傳送，經(jīng)射頻（RF）模塊發(fā)送出去，另一端的接收裝置也采用相同的nRF9E5，空中傳輸的控制命令經(jīng)射頻模塊接收到，然后由MCU讀出，進(jìn)而來(lái)控制PWM脈寬的調制，從而實(shí)現了對微型直流電機的調速；實(shí)驗表明，該系統具有成本少、功耗低、尺寸小的特點(diǎn)，能以較高質(zhì)量在100～150米范圍內進(jìn)行信號的無(wú)線(xiàn)傳輸。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：微型飛行器是當前研究的熱點(diǎn)，其控制系統是該課題研究的重要內容，本文采用nRF9E5射頻芯片進(jìn)行了仿生微型飛行器無(wú)線(xiàn)遙控系統的軟硬件設計與系統調試，具有電路體積小，傳輸距離遠，功耗低等特性。