游安華,胥加林

(1.南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，南京 210094;2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院)

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基于USB HID和nRF24L01+的飛行器無線調(diào)試系統(tǒng)

游安華1,胥加林2

(1.南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，南京 210094;2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院)

為了通過上位機(jī)實時采集飛控數(shù)據(jù)、在線調(diào)試飛行器，設(shè)計了一種基于USB HID和nRF24L01+的無線地面調(diào)試系統(tǒng)。系統(tǒng)接收飛控數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，用于動態(tài)顯示飛行器狀態(tài)和后續(xù)研究分析；同時系統(tǒng)可以將上位機(jī)的控制信號發(fā)送給飛控系統(tǒng)，實現(xiàn)在線調(diào)試、上位機(jī)控制。測試結(jié)果表明，該調(diào)試系統(tǒng)成本低、實時性好，滿足四旋翼飛行器的開發(fā)需要。

四旋翼飛行器；STM32微控制器；USB HID；nRF24L01+；無線通信

引 言

四旋翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、操控性能優(yōu)越，具有良好的軍事偵察、搜索救援性能[1-2]。且隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的進(jìn)步，四旋翼飛行器得到迅速發(fā)展[3]。為加快飛行器的開發(fā)，需實時采集飛行器姿態(tài)角和傳感器數(shù)據(jù)，并對其研究分析，以優(yōu)化控制算法。而由于飛行器的飛行特點(diǎn)，不能通過有線傳輸?shù)姆绞讲杉瘮?shù)據(jù)，一定程度上影響飛行器的開發(fā)速度。但是，隨著中短距離無線傳輸?shù)陌l(fā)展，無線傳輸成為重要的數(shù)據(jù)傳輸方式。

本文基于USB HID和nRF24L01+，設(shè)計了一種無線地面調(diào)試系統(tǒng)。四旋翼飛行器的飛控系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)、PID參數(shù)、飛行器姿態(tài)角等數(shù)據(jù)打包后通過nRF24L01+模塊傳給地面調(diào)試系統(tǒng)，地面調(diào)試系統(tǒng)的nRF24L01+模塊將接收到的數(shù)據(jù)基于USB HID協(xié)議通過STM32微控制器模塊上傳到上位機(jī)，實時顯示飛行器姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)有選擇地存儲下來，用于后續(xù)的研究分析。同時可以通過上位機(jī)修改飛控系統(tǒng)參數(shù)，然后基于USB HID協(xié)議通過STM32微控制器模塊和nRF24L01+模塊發(fā)送到飛控系統(tǒng)，實現(xiàn)飛行器的無線調(diào)試。最后，基于某開源上位機(jī)對無線調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括USB HID協(xié)議、nRF24L01+模塊、STM32微控制器模塊3個部分。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，本文主要設(shè)計地面調(diào)試系統(tǒng)部分。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

1.1 USB HID協(xié)議

USB[4]是一種計算機(jī)外圍設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，具有成本低、傳輸速度快、數(shù)據(jù)傳輸可靠、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)。

HID類USB接口是為一些人工輸入、輸出設(shè)備而設(shè)計的，其與計算機(jī)間的通信采用控制傳輸和中斷傳輸兩種方式，中斷傳輸方式擁有強(qiáng)大的錯誤檢測和錯誤重傳的功能[5]。同傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，HID類USB設(shè)備使用Windows系統(tǒng)自帶的HID類驅(qū)動程序，無需為其編寫復(fù)雜的上位機(jī)USB驅(qū)動程序，具有無驅(qū)動、簡單、實時的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 nRF24L01+模塊

nRF24L01+是一款工作于2.4～2.5 GHz頻段的無線收發(fā)芯片，有多達(dá)125個頻點(diǎn)，可通過SPI傳輸數(shù)據(jù)，最大傳輸速度為2 Mbps，并可通過跳頻來避免干擾。室內(nèi)傳輸距離為30～40 m，室外傳輸距離為100～200 m。內(nèi)置CRC校驗和出錯重傳機(jī)制[6]。圖2是nRF24L01+模塊的電路原理圖。

圖2 nRF24L01+模塊電路原理圖

1.3 STM32微控制器模塊

STM32F103C8基于Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)72 MHz，內(nèi)部集成64 KB FLASH，全速USB2.0收發(fā)器，且最高速度達(dá)12 Mbps，是一個完整的小型片上系統(tǒng)，是小型USB應(yīng)用的理想選擇。微控制器通過6個引腳與nRF24L01+模塊相連，分別是：MISO、MOSI、SCK、CSN、CE、IRQ。圖3是STM32微控制器的電路原理圖。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括USB HID設(shè)備程序和無線收發(fā)模塊程序。由于nRF24L01+無線收發(fā)芯片的室外傳輸距離為100～200 m，而人為控制距離為100 m以內(nèi)，滿足控制需要，所以未設(shè)置復(fù)雜的預(yù)警程序。但如果接收數(shù)據(jù)出錯，則會在上位機(jī)顯示報警信息。

2.1 USB HID設(shè)備程序

該地面調(diào)試系統(tǒng)利用ST公司提供的USB-FS Devic library V3.3固件庫編寫下位機(jī)程序。USB HID設(shè)備程序主要包括初始化程序、中斷程序2部分。USB HID接入計算機(jī)后，計算機(jī)先枚舉到設(shè)備，獲取設(shè)備路徑。當(dāng)計算機(jī)與設(shè)備建立連接后，通過中斷的方式進(jìn)行通信，主機(jī)請求響應(yīng)和數(shù)據(jù)收發(fā)都在中斷程序中完成。

(1) 初始化

初始化主要包括USB中斷使能、優(yōu)先級配置、時鐘設(shè)置、數(shù)據(jù)緩存設(shè)置、獲取序列號、對接口上電并復(fù)位接口、設(shè)置設(shè)備地址和端點(diǎn)地址為0、枚舉。其中枚舉包括獲取設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、HID描述符和報告描述符。

(2) 中斷程序

中斷服務(wù)程序根據(jù)不同的中斷請求，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。處理過程為在USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler()函數(shù)處響應(yīng)USB中斷請求，并跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)函數(shù)USB_Istr()，以輪詢的方式訪問各中斷寄存器，判斷發(fā)生的中斷請求。根據(jù)不同的中斷類型，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序，并返回處理結(jié)果，完成通信任務(wù)。

2.2 nRF24L01+收發(fā)程序

無線模塊軟件包括初始化、發(fā)送模式、接收模式3個部分。

(1) 初始化

nRF24L01+模塊進(jìn)行無線通信前，需要對其進(jìn)行初始化，主要包括發(fā)送地址、接收地址、應(yīng)答方式、自動重發(fā)次數(shù)、工作模式等。該調(diào)試系統(tǒng)的工作模式為增強(qiáng)型Shock Burst模式，使能自動應(yīng)答，自動重發(fā)時間為500 μs，最大重發(fā)次數(shù)為10次，傳輸速率為2 Mbps。

(2) 接收模式

通過寄存器RX_ADDR_PX配置接收地址為通道0，置高CE引腳130 μs，當(dāng)接收到有效的數(shù)據(jù)和地址且CRC校驗通過后，自動去除數(shù)據(jù)頭、標(biāo)志位、校驗碼，將數(shù)據(jù)寫入RX_FIFO，通過USB將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

部分代碼如下：

voidNRF_Check_Event(void){

u8 sta =NRF_Read_Reg(NRF_READ_REG + NRFRegSTATUS);

u8 rx_len =NRF_Read_Reg(R_RX_PL_WID);

NRF_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,nRF24L01_2_RXDATA,rx_len);// 讀取接收到的數(shù)據(jù)

Usb_Hid_Adddata(nRF24L01_2_RXDATA,rx_len);

圖3 STM32微控制器電路原理圖

NRF_Write_Reg(NRF_WRITE_REG + NRFRegSTATUS, sta);

}

(3) 發(fā)送模式

STM32微控制器接收到上位機(jī)發(fā)送過來的命令后，將nRF24L01+設(shè)置為發(fā)送模式，自動生成數(shù)據(jù)頭、CRC校驗碼并置高CE發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后立即自動進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號。當(dāng)接收到應(yīng)答信號后，置1狀態(tài)寄存器TX_DS，并清除TX_FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)。若未收到應(yīng)答信號，則認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失，將重發(fā)數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功或達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)。

部分代碼如下：

voidNRF_TxPacket_AP(uint8_t * tx_buf, uint8_t len){

PMAToUserBufferCopy(Hid_RxData,ENDP1_RXADDR,64);

SPI_CE_L(); //StandBy I模式

NRF_Write_Buf(0xa8, tx_buf, len); //裝載數(shù)據(jù)

SPI_CE_H(); //置高CE

}

3 測試驗證

圖4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了驗證該無線地面調(diào)試系統(tǒng)的有效性，基于某開源上位機(jī)分別進(jìn)行了飛行器姿態(tài)顯示、在線調(diào)試和數(shù)據(jù)分析測試。圖4為該調(diào)試系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3.1 姿態(tài)顯示

姿態(tài)顯示可以將無線模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)在上位機(jī)中動態(tài)顯示，并將傳回的數(shù)據(jù)賦予三維飛行器模型，再現(xiàn)飛行器的空中姿態(tài)，便于PID參數(shù)和控制算法的測試驗證。圖5為飛行器狀態(tài)顯示圖。由圖5可知，無線模塊傳回的數(shù)據(jù)有：遙控器通道行程、飛行模式、電機(jī)轉(zhuǎn)速、飛行器高度等。由遙控器和電機(jī)數(shù)據(jù)可知，飛行在順時針旋轉(zhuǎn)。

圖5 飛行器狀態(tài)顯示

3.2 在線調(diào)試

PID參數(shù)調(diào)試需要大量的試驗，而每次修改PID參數(shù)

圖8 加速度計和陀螺儀X軸信號濾波前后對比圖

后，都需要對程序重新編譯、下載，占用大部分的調(diào)試時間。無線地面調(diào)試系統(tǒng)中的在線調(diào)試功能

可以通過上位機(jī)修改PID參數(shù)，并通過無線模塊發(fā)送到飛控，有效降低了PID參數(shù)調(diào)試時間。圖6為飛行器在線調(diào)試界面。

由圖6可知，該上位機(jī)不僅可以進(jìn)行PID參數(shù)的在線調(diào)試、傳感器校準(zhǔn)，還包括許多接口用于后續(xù)的功能擴(kuò)展。

3.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析可以根據(jù)需要存儲無線地面調(diào)試系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行研究分析，以改善飛行器的控制算法和濾波算法。圖7為數(shù)據(jù)采集界面，圖8為加速度計和陀螺儀傳感器X軸信號濾波前后對比圖。

圖8是將無線地面調(diào)試系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)通過Matlab處理后得到的，其中濾波前的信號是飛行器傳感器實際變化值，分析可知，機(jī)體振動對加速度傳感器影響較大，而對陀螺儀傳感器幾乎沒有影響。根據(jù)分析結(jié)果，采用不同的濾波算法對兩傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)波形基本還原了傳感器實際變化值。

圖6 飛行器在線調(diào)試界面

圖7 數(shù)據(jù)采集界面

結(jié) 語

[1] 李波陳，王紅州，劉曉棟，等.可伸縮折疊式四旋翼飛行器設(shè)計[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2015,28(2):121-124.

[2] Jakob B, Morten K, Martin S. Autonomous hover flight for a quadrotor helicopter[D]. Aalborg , Denmark :Aalborg University,2007.

[3] 孫英達(dá)，徐文琴，丁立新. nRF905無線收發(fā)芯片的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動化， 2009，38(6): 115-116.

[4] Compaq,Intel,Philips.Universal Serial Bus Specification Revision2.0[EB/OL].[2016-06].http://www.usb.org.

[5] 王紀(jì)剛，袁紅兵，張相田.無線溫濕度數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化，2013,42(6)：113-117.

[6] 金寶華，張勇，崔光照.基于nRF905的無線數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳通信系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004(9):39-40.

游安華(講師)，主要研究方向為旋翼飛行器設(shè)計與開發(fā)、嵌入式開發(fā)。

Aircraft Wireless Debugging System Based on USB HID and nRF24L01+

You Anhua1,Xu Jialin2

(1.Engineering Training Center,Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094,China；2.School of Mechanical Engineer,Nanjing University of Science and Technology)

In order to collect the real-time data and debug the aircraft online,the wireless debugging system based on USB HID and nRF24L01+is designed.The flight control system receives the data and then sends to the host computer.The data is used for the dynamic display of flight state and follow-up study.At the same time,the system can send the control signal to the host computer to realize online debugging and host computer control.The test results show that the system has low-cost and good real-time performance,and it meets the needs of the quadrotor development.

quadrotor;STM32 microcontroller;USB HID;nRF24L01+;wireless communication

TP332

A

?迪娜

2016-06-29)