基于數話(huà)同傳的無(wú)人機車(chē)外控制器設計

無(wú)人機是一種有動(dòng)力、可控制、能承載多種任務(wù)設備、執行多種作戰任務(wù)并可重復使用的戰術(shù)飛行器，其零傷亡風(fēng)險和高機動(dòng)性等優(yōu)勢引起了各國軍方的高度重視。無(wú)人機飛行過(guò)程可簡(jiǎn)單劃分為起飛、高空飛行和降落三部分。高空飛行階段飛行環(huán)境相對穩定，常采用無(wú)人機自主飛行方式，無(wú)需對其飛行姿態(tài)做太多人為干預。但是在起飛和降落階段無(wú)人機的速度變化大，姿態(tài)調整頻繁，起降場(chǎng)地地形、氣候等諸多復雜因素對無(wú)人機的安全造成巨大威脅，是無(wú)人機實(shí)驗任務(wù)飛行中的事故多發(fā)時(shí)段，因此在起降階段進(jìn)行即時(shí)、準確的人為調整是保障無(wú)人機飛行安全的重要手段?，F階段部分無(wú)人機型號采用有線(xiàn)的車(chē)載地面站外部（車(chē)外）控制器方式，讓地面操作人員通過(guò)近距離觀(guān)察無(wú)人機的姿態(tài)來(lái)實(shí)時(shí)遙控無(wú)人機。

無(wú)人機車(chē)外控制器使用示意圖見(jiàn)圖1。

國內車(chē)外控制器設計研制之初考慮到地面站內人員和車(chē)外人員的交流，加入了語(yǔ)音通信功能，但開(kāi)始只是應用對講機進(jìn)行通話(huà)，而對講機是單工通信機制，通話(huà)時(shí)易形成競爭；后來(lái)部分單位在有線(xiàn)車(chē)外控制器的信號傳輸線(xiàn)纜上增加了模擬語(yǔ)音，實(shí)現了車(chē)內測控臺和車(chē)外控制人員的雙工通信，而模擬語(yǔ)音容易自激，通話(huà)易受干擾[1]。

基于已有無(wú)人機系統的應用經(jīng)驗，設計了一種數字語(yǔ)音和遙控數據共同傳輸的新型無(wú)人機車(chē)外控制器。本文將對其設計組成、尤其是數話(huà)同傳技術(shù)的實(shí)現方法進(jìn)行詳細說(shuō)明，最后對其測試和應用環(huán)境進(jìn)行介紹。

1 車(chē)外控制器的設計組成

1.1 系統設計組成

無(wú)人機車(chē)外控制器系統設計組成見(jiàn)圖2。

(1)車(chē)外控制器遙控數據的產(chǎn)生和采集
通過(guò)車(chē)外操縱手對車(chē)外控制器各機構(搖桿、開(kāi)關(guān)和微調)的操縱，引起內部電位器和電開(kāi)關(guān)變化進(jìn)而引起電信號的變化。變化的電壓通過(guò)信號調理電路發(fā)送到微處理器（MCU），由MCU內部的AD模塊進(jìn)行處理；變化的數字量直接輸入到MCU。MCU把當前的遙控數據顯示到液晶顯示屏上。

(2)車(chē)外控制器語(yǔ)音數據的產(chǎn)生和采集
車(chē)外操縱手可通過(guò)麥克將自己的語(yǔ)音輸入到AD模塊，數字語(yǔ)音以9.6 kb/s的速率被音頻編碼器（ENCODER）編碼接收，同遙控數據一起被MCU采集，速率為1 Mb/s。

(3)車(chē)外控制器遙控和語(yǔ)音數據的傳輸
遙控和語(yǔ)音數據在MCU中被組成的遙控/語(yǔ)音數據復合幀以20 ms的幀周期更新，通過(guò)對外的RS232/RS422可切換接口輸出至地面站[2]，便于不同的地面站兼容。

(4)方艙語(yǔ)音數據的接收
由于采用雙工通信，地面站方艙內人員的語(yǔ)音數據通過(guò)RS232/RS422接口輸入到車(chē)外控制器的MCU中， MCU對語(yǔ)音數據幀中的語(yǔ)音數據進(jìn)行提取，以1 Mb/s的速率發(fā)送到音頻解碼器(DECODER)進(jìn)行解碼，以9.6 kb/s的速率輸入到DA電路產(chǎn)生模擬語(yǔ)音，語(yǔ)音可通過(guò)耳機被車(chē)外操縱手接聽(tīng)。

需要說(shuō)明的是，方艙里內置一個(gè)語(yǔ)音采集器，其內部的語(yǔ)音采集、接收和發(fā)送模塊與車(chē)外控制器內部設計原理一致；車(chē)外控制器和語(yǔ)音采集器之間可采用長(cháng)度為120 m的線(xiàn)纜連接，擴大了車(chē)外操作手的活動(dòng)范圍。

1.2 硬件設計關(guān)鍵點(diǎn)

(1)芯片的選型

MCU采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F022單片機，其外圍電路主要包括信號調理電路,數字和模擬信號經(jīng)調理后輸入至C8051F022；RS232/RS422接口電路由MAX3232和MAX3490構成；數字語(yǔ)音編解碼電路的音頻AD/DA部分選用AD/DA復合功能芯片CSP1027，數字音頻編碼/解碼芯片采用美國DVSI公司生產(chǎn)的AMBE1000[3]。AMBE1000編碼器的輸出幀和解碼器的輸入幀分別見(jiàn)圖3和圖4。

如圖3和圖4所示，編碼器輸出幀和解碼器輸入幀的結構類(lèi)似，包含幀頭Header和ID值(共占1個(gè)B)及24 B的壓縮語(yǔ)音數據，不同的是輸出幀包含4 B狀態(tài)位，輸入幀包含4 B控制位，微處理器可根據輸出幀狀態(tài)位對語(yǔ)音數據進(jìn)行處理，該狀態(tài)位也可直接作為輸入幀的控制位輸入至解碼器。為便于和8 bit MCU接口通信，AMBE的信道接口采用被動(dòng)并行模式。

2 數話(huà)同傳技術(shù)的實(shí)現

2.1 MCU程序設計

實(shí)現車(chē)外控制器數話(huà)同傳功能的關(guān)鍵點(diǎn)之一是微處理器程序的設計。

MCU的程序流程圖如圖5所示。AMBE1000為主機端提供了編碼包準備好信號EPR和解碼包空信號DPE，在設計上將這兩個(gè)信號分別輸入到C8051F022的外部中斷INT0和INT1端口，以中斷方式讀取和寫(xiě)入語(yǔ)音數據；與方艙語(yǔ)音采集器的數據通信通過(guò)C8051F022內部UART0功能模塊實(shí)現。中斷優(yōu)先級設定的先后順序為INT0→INT1→UART0。

微處理器的主程序在完成初始化中斷設置和優(yōu)先級后，讀取C8051F022內部Flash的比例指令零點(diǎn)偏移（范圍為0～255，標準零點(diǎn)為127，實(shí)際中零點(diǎn)常發(fā)生偏移，可利用按鍵調準）后，循環(huán)采集按鍵和進(jìn)行LCD顯示刷新。為便于進(jìn)程間通信，程序定義了兩個(gè)bool型變量用作發(fā)送標志和接收標志，3個(gè)語(yǔ)音數組分別用于存儲從編碼緩沖區讀出的數據（語(yǔ)音數組1）、待寫(xiě)入解碼緩沖區的數據（語(yǔ)音數組2）和存儲靜音數據的數組（靜音數組）。

由EPR信號觸發(fā)的外部中斷0處理程序首先讀取AMBE1000編碼器緩沖區至語(yǔ)音數組1，組成遙控/語(yǔ)音幀，設置發(fā)送標志并啟動(dòng)UART0發(fā)送中斷。進(jìn)入串口中斷0后，首先判斷中斷類(lèi)型為發(fā)送中斷還是接收中斷，若為發(fā)送中斷則啟動(dòng)發(fā)送進(jìn)程，將遙控/語(yǔ)音幀發(fā)送至車(chē)內采集盒，之后取消發(fā)送標志；若為接收中斷，則啟動(dòng)串口接收進(jìn)程，接收方艙語(yǔ)音采集盒發(fā)來(lái)的語(yǔ)音數據，更新語(yǔ)音數組2，設置接收標志。由DPE信號觸發(fā)的外部中斷1處理程序首先判斷接收標志是否有效，若無(wú)效則寫(xiě)靜音數組至AMBE1000編碼緩沖區，若有效則寫(xiě)語(yǔ)音數組2至AMBE1000編碼緩沖區，之后取消接收標志，退出中斷程序。

2.2 數字語(yǔ)音和遙控數據復用

由上述介紹可知，遙控/語(yǔ)音幀的發(fā)送周期是由AMBE1000的DPE信號觸發(fā)的，DPE信號的產(chǎn)生周期為20 ms，而方艙語(yǔ)音采集盒為異步接收，對遙控/語(yǔ)音幀的到達周期沒(méi)有嚴格要求，因此20 ms的發(fā)送周期滿(mǎn)足系統設計要求[4]。
在遙控/語(yǔ)音幀的設計中，數字語(yǔ)音和遙控數據的復用成為實(shí)現數話(huà)同傳技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，這里遙控/語(yǔ)音幀在設計上采用40 B/幀，幀結構如圖6所示。

幀結構在設計上包含2 B幀頭，1 B幀標識，10 B的遙控數據，1 B語(yǔ)音狀態(tài)字，24 B的語(yǔ)音數據和2 B幀尾。
串口0采用波特率為38 400 b/s，發(fā)送單幀遙控/語(yǔ)音幀占用的時(shí)間為：(40×8)÷38400≈8.33 ms，滿(mǎn)足20 ms/幀的發(fā)送周期。

3 車(chē)外控制器的測試與應用

在實(shí)驗室階段，車(chē)外控制器通過(guò)RS232接口發(fā)送至上位機調試，經(jīng)串口調試助手實(shí)時(shí)記錄的數據見(jiàn)圖7。其中EB90為幀頭，EE16為幀尾，帶下劃線(xiàn)的數據為幀頭、語(yǔ)音狀態(tài)字和語(yǔ)音數據。

在實(shí)際應用中，基于數話(huà)同傳技術(shù)的車(chē)外控制器已參加過(guò)數次重大科研項目的飛行實(shí)驗。經(jīng)實(shí)際檢驗，語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量良好，數據傳輸穩定可靠，驗證了其設計的合理性，為數話(huà)同傳技術(shù)拓展了應用范圍。