單片機在小型自控飛艇的舵機控制系統中的重要性介紹

　　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域的飛行器。它依靠飛艇內部裝載的輕于空氣的氣體產(chǎn)生的靜升力，通過(guò)控制飛艇上的舵面和動(dòng)力裝置，以較小的能耗實(shí)現在平流層的飛行。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，對其控制系統的研究是平流層飛艇研制中一個(gè)重要的過(guò)渡階段，具有極其重要的意義。

　　1 小型自控飛艇舵控系統簡(jiǎn)介

　　舵機是小型自控飛艇執行機構中最主要的執行部件，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，舵控系統成為小型飛艇自主飛行控制系統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(shí)現對控制指令的采集、分析和處理，并根據控制指令向舵機輸出連續可調的舵控信號，操縱艇上各舵機完成預定動(dòng)作。

　　2 舵控系統硬件設計

　　本飛艇舵控系統以多片P89C2051單片機為核心，配合電源模塊、驅動(dòng)芯片及多路轉換開(kāi)關(guān)等在一塊印制電路板上實(shí)現預定功能。

　　舵控系統主控芯片(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編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。該型微控制器是80C51微控制器的派生器件，是采用先進(jìn)的CMOS工藝制造的8位微控制器，指令系統與80C51完全相同。該器件有4組8位I/O口、3個(gè)16位定時(shí)計數器、多中斷源-4中斷優(yōu)先級-嵌套中斷結構、1 個(gè)增強型UART、片內振蕩器及時(shí)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體公司生產(chǎn)的LM2576系列產(chǎn)品，它是線(xiàn)性三端穩壓器件(如78xx系列端穩壓集成電路)的替代品。相比而言，它的熱損耗更低、工作效率更高、輸出電流驅動(dòng)能力更強，同時(shí)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成高效穩壓電路，為MCU穩定可靠的工作提供強有力的保證。

　　此外，為增強信號的驅動(dòng)能力，在輸出之前采用74LS245作為信號驅動(dòng)芯片;串口電平轉換采用Max232芯片。

　　該系統硬件設計比較簡(jiǎn)單，值得一提的是其中的安全性設計部分，即當地面檢測到艇上自動(dòng)控制系統已經(jīng)失效時(shí)，為確保飛艇安全返回，需要將控制方式轉至遙控方式。如圖1所示，當艇載計算機發(fā)生故障時(shí)，舵控系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻接收機接收地面遙控信號，通過(guò)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，控制方式的轉換是通過(guò)多路轉換開(kāi)關(guān)實(shí)現的，開(kāi)關(guān)的切換信號由艇載計算機看門(mén)狗電路在檢測到艇載計算機已不能正常工作時(shí)給出。

　　3 舵控系統軟件設計

　　3.1 軟件總體結構

　　舵控系統各單片機程序均在Keil C51環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。為了保證系統的實(shí)時(shí)性及快速性，軟件編寫(xiě)采用了主程序+任務(wù)+中斷的結構。

　　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(mén)狗的外部中斷，這幾個(gè)中斷的優(yōu)先級排列順序是：艇載計算機看門(mén)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(guò)RS232串口發(fā)來(lái)的信息幀后，首先進(jìn)行幀識別，提取出前m個(gè)字節的數據，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(gè)字節數據作為開(kāi)關(guān)量通道控制信號由P2口輸出，用作系統控制備用。

　　主單片機2程序的主要任務(wù)是通過(guò)其P1口接收上位機傳來(lái)的數據，提取各控制信息，在相應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。

　　該系統軟件設計中的關(guān)鍵問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：(1)控制信號流程中數據幀的接收識別;(2)舵控系統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(gè)問(wèn)題進(jìn)行詳細的闡述，并給出相應的解決方案。

　　3.2 軟件設計中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　(1)數據幀的串口接收及識別技術(shù)

　　在舵控系統中，數據以二進(jìn)制信息幀的格式進(jìn)行傳遞。每個(gè)信息幀從標題開(kāi)始都有固定的幀頭、幀尾，且長(cháng)度固定，其基本數據格式如表1所示。

　　在該舵控系統的設計中，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(guò)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(shí)現過(guò)程加以說(shuō)明。

　　在串行通信中，接收程序的任務(wù)是數據接收、幀識別和信息提取。常規的設計方法是設置一個(gè)比較大的緩沖區。串行接收中斷服務(wù)程序負責把接收到的數據壓入緩沖區，當緩沖區的數據足夠多時(shí)，再由主程序調用一個(gè)幀識別和解碼子程序對緩沖區中的數據進(jìn)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據接收完畢到解碼時(shí)間較長(cháng)，另外對緩沖區進(jìn)行管理需要占用大量的的CPU時(shí)間，因而實(shí)時(shí)性較差，此處不宜使用。