衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王素芹 程連生

一、小型自控飛艇舵控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

舵機(jī)是小型自控飛艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最主要的執(zhí)行部件，能否快速、準(zhǔn)確地完成對(duì)舵機(jī)的控制直接關(guān)系到飛艇的自主控制效果。因此，舵控系統(tǒng)成為小型飛艇自主飛行控制系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，它的主要功能是接收艇載計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的采集、分析和處理，并根據(jù)控制指令向舵機(jī)輸出連續(xù)可調(diào)的舵控信號(hào)，操縱艇上各舵機(jī)完成預(yù)定動(dòng)作。

二、舵控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本飛艇舵控系統(tǒng)以多片STC89C52單片機(jī)為核心，配合電源模塊、驅(qū)動(dòng)芯片及多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等在一塊印制電路板上實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

舵控系統(tǒng)主控芯片選擇STC89C52單片機(jī)，它具有8KB的并行可編程非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器，并可對(duì)器件串行在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP)。數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線(xiàn)，4組8位I/O口，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。

電源模塊采用78xx系列端穩(wěn)壓集成電路，它是線(xiàn)性三端穩(wěn)壓器件。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，為MCU穩(wěn)定可靠的工作提供強(qiáng)有力的保證。

此外，為增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，在輸出之前采用74LS245作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片；串口電平轉(zhuǎn)換采用Max232芯片。

三、舵控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.軟件總體結(jié)構(gòu)

舵控系統(tǒng)各單片機(jī)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(tǒng)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(jié)構(gòu)。

在三部分程序中，以主單片機(jī)1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機(jī)2的握手中斷以及艇載計(jì)算機(jī)看門(mén)狗的外部中斷，這幾個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)排列順序是：艇載計(jì)算機(jī)看門(mén)狗中斷＞串口中斷＞握手中斷。主單片機(jī)1接收到艇載計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口發(fā)來(lái)的信息幀后，首先進(jìn)行幀識(shí)別，提取出前m個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，加上幀頭幀尾后由P1口發(fā)送給主單片機(jī)2；并將第m+1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)量通道控制信號(hào)由P2口輸出，用作系統(tǒng)控制備用。

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

舵控單片機(jī)的主要任務(wù)是識(shí)別控制指令和地址指令，并根據(jù)收到的控制指令(舵機(jī)占空比信號(hào))產(chǎn)生PWM波控制艇上舵機(jī)。

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：

(1)控制信號(hào)流程中數(shù)據(jù)幀的接收識(shí)別；

(2)舵控系統(tǒng)中主從單片機(jī)之間的多機(jī)通信；

(3)PWM波舵控信號(hào)的軟件產(chǎn)生方法。

2.軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

(1)數(shù)據(jù)幀的串口接收及識(shí)別技術(shù)

采用了中斷服務(wù)程序就地幀識(shí)別技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)接收后立即進(jìn)行幀識(shí)別，省去了對(duì)緩沖區(qū)的管理工作，減少了存取次數(shù)，因而節(jié)省了大量的時(shí)間，極大地提高了接收程序的實(shí)時(shí)性。同時(shí)錯(cuò)幀和斷幀被自動(dòng)丟棄，不再占用資源。

(2)單片機(jī)多機(jī)通訊

在舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各部分間的通訊是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其中主要包括單片機(jī)與上位PC機(jī)間的通訊和單片機(jī)與單片機(jī)之間的通訊。在舵控系統(tǒng)中，主單片機(jī)1與上位PC機(jī)通訊是通過(guò)單片機(jī)自帶的一路異步串行通訊接口完成的；而主單片機(jī)1通過(guò)其P1口向主單片機(jī)2傳輸數(shù)據(jù)，

此系統(tǒng)中，主單片機(jī)2作為主機(jī)，m個(gè)舵控單片機(jī)作為從機(jī)，在主機(jī)與從機(jī)的通訊過(guò)程中，串口控制寄存器中SCON中的SM2位發(fā)揮了重要作用。當(dāng)其中一個(gè)舵控單片機(jī)的SM2位為1時(shí)，該單片機(jī)只接收地址幀，對(duì)數(shù)據(jù)幀不理睬；而當(dāng)SM2位為0時(shí)，該單片機(jī)接收所有發(fā)來(lái)的消息。具體通信過(guò)程如下：①首先將主、從單片機(jī)工作方式選為模式3，所有從機(jī)的SM2位開(kāi)始置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。②主機(jī)接收主單片機(jī)1發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀，從中提出數(shù)據(jù)部分(m個(gè)字節(jié)的指令對(duì)應(yīng)m個(gè)舵控單片機(jī))，根據(jù)序號(hào)在控制指令字節(jié)前加上一個(gè)字節(jié)的地址信息。然后主機(jī)依次通過(guò)串口向下發(fā)送各舵控單片機(jī)的地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。發(fā)送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發(fā)送的幀為地址幀。③從機(jī)接收地址幀后，進(jìn)入中斷，將發(fā)來(lái)的地址與自身比較；地址一致的從機(jī)就是被尋址的從機(jī)，它清除SM2位，接收主機(jī)發(fā)來(lái)的所有后續(xù)幀信息(數(shù)據(jù)信息)。未尋址的所有其他從機(jī)仍維持SM2=1，對(duì)主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀不理睬，直到發(fā)來(lái)新地址幀；之后在下一次中斷時(shí)被尋址的從機(jī)接收主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息(第9位為0)。

需要注意的是，如果對(duì)已經(jīng)尋址的從機(jī)再發(fā)送地址幀，則該從機(jī)SM2=1，恢復(fù)初始狀態(tài)，和其他從機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。

(3)舵控信號(hào)PWM波的產(chǎn)生

對(duì)飛艇舵機(jī)的控制最終是通過(guò)舵控單片機(jī)產(chǎn)生PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常，產(chǎn)生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法?？紤]到舵控單片機(jī)計(jì)算任務(wù)不大，本系統(tǒng)中采用軟件產(chǎn)生PWM波的方法。下面以定時(shí)器0產(chǎn)生PWM波為例，說(shuō)明通過(guò)軟件產(chǎn)生PWM波舵控信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法。

在程序中，由串口中斷接收上位機(jī)發(fā)送的脈寬指令，繼而通過(guò)改變?nèi)肟趨?shù)a來(lái)調(diào)整PWM波的脈寬，并確保脈寬輸出在正常范圍之內(nèi)。通過(guò)該方法產(chǎn)生PWM波切實(shí)可行，簡(jiǎn)單有效，可以廣泛應(yīng)用于舵機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生中。

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