無人機(jī)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是一種對地面操縱人員進(jìn)行培訓(xùn)的仿真軟件,，它通過在計算機(jī)中建立飛行場景和飛機(jī)三維模型,，由遙控器輸入指令進(jìn)行驅(qū)動控制，從而實現(xiàn)飛機(jī)的飛行仿真,。模擬訓(xùn)練具有在無風(fēng)險,、無器材消耗的條件下訓(xùn)練飛行操縱人員的特點，可以節(jié)約大量的訓(xùn)練經(jīng)費和訓(xùn)練時間,。在無人機(jī)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計過程中,，首先要解決的問題是遙控器和計算機(jī)之間的通訊，以便把遙控器產(chǎn)生的遙控指令送到計算機(jī)中,。由于遙控器本身不帶USB口,，不能和計算機(jī)直接相連，因此需要設(shè)計USB接口電路完成通訊功能,。
1 硬件設(shè)計
從理論上來講,，遙控器與PC機(jī)的連接可以設(shè)計成并口、串口,、USB口等多種連接方式,，并可以根據(jù)不同的連接方式設(shè)計相應(yīng)的接口電路。然而實際的情況是：并口通訊雖然傳輸速度快,，但連線多,，抗干擾性差,，連線不能過長,，操縱使用不便;RS232串口通訊使用方便，傳輸距離也較遠(yuǎn),，但目前的PC機(jī)卻很少再設(shè)計有232串口,，因此串口方式的使用也受到了限制,。同時，由于USB具有傳輸速率高,、支持熱插拔以及即插即用等優(yōu)點,，當(dāng)前的計算機(jī)普遍配置有多個USB口，因此采用USB接口進(jìn)行通信更簡單高效,。
USB接口電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,，它主要由信號調(diào)理電路、控制單片機(jī),、USB接口模塊組成,。
1.1 遙控器及指令編碼格式
無人機(jī)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)所使用的遙控器是通用的Futaba 4通道遙控器，其外形如圖2-a所示,，它主要包括一個脈沖編碼電路和一個高頻發(fā)射電路,。脈沖編碼指的是以不同的脈沖數(shù)目、脈沖寬度,、脈沖位置或者不同的脈沖組合來代表不同的控制指令的編碼方式,。目前使用的遙控器編碼方式主要有PPM和PCM兩種，大多數(shù)遙控器同時具備這兩種編碼功能,，使用時可根據(jù)需要選取其中一種,。操縱器背面一般都設(shè)有教練口，如圖2-b所示,。編碼電路產(chǎn)生的遙控指令編碼信號一方面送到高頻發(fā)射電路,，一方面還送到教練口輸出，因此教練口送出的也是PPM或PCM信號,。
相比較PCM編碼而言,，PPM編碼更具有一定的規(guī)律性，因此系統(tǒng)設(shè)計中選擇的是對PPM編碼的指令格式進(jìn)行處理,。以4通道的遙控器為例,，PPM編碼格式的脈沖波形如圖3所示。
圖中為一組4通道的脈沖串,，其脈沖串寬度為20ms,，共由5個脈沖組成，它所攜帶的信息是各通道PWM信號的占空比,，其中1通道1.5ms,，2通道1.5ms，3通道1ms,，4通道2ms,。當(dāng)操縱相應(yīng)通道的操縱桿時，對應(yīng)通道的脈沖低電平寬度會出現(xiàn)變化，也就是下一個脈沖出現(xiàn)的位置會變化,，但脈沖串總的周期不變,，一直保持20ms。
1.2 信號調(diào)理電路
PPM格式的指令編碼信號由遙控器的教練口輸出,，由于信號的電平幅度與單片機(jī)不匹配,，所以要經(jīng)過信號調(diào)理電路對電平幅度進(jìn)行變換，然后送給控制單片機(jī)進(jìn)行指令譯碼,。
1.3 控制單片機(jī)
控制單片機(jī)的作用是對脈沖信號進(jìn)行譯碼,，并把譯碼以后的結(jié)果輸出。由于PPM編碼輸出的是一系列脈沖信號,，故單片機(jī)的譯碼可以采用外部中斷的方式,，測量脈沖間隔(即每個通道的脈寬信號)，然后以串行信號的格式送給USB接口模塊,。
1.4 USB接口模塊
USB接口模塊采用的是芯片CH340 ,，它是一個USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，可以實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口,、USB 轉(zhuǎn)IrDA 紅外或者USB 轉(zhuǎn)打印口,。
采用CH340設(shè)計USB接口電路，不需要了解任何USB協(xié)議和編寫任何固件程序,，可以實現(xiàn)USB 與串口的轉(zhuǎn)換(原理圖如圖4所示),，并且可以使用現(xiàn)有的驅(qū)動程序，易于迅速開發(fā)使用,。本系統(tǒng)設(shè)計中所采用的是將USB轉(zhuǎn)3線制RS232 串口,，應(yīng)用于單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，這樣一來,，就會在計算機(jī)上產(chǎn)生一個虛擬的COM口,，用戶只需按照通用串行口一樣使用USB口即可。這樣不僅能使單片機(jī)具備USB通信的諸多優(yōu)點,，簡化了USB編程,，同時還可以利用USB對控制單片機(jī)提供5V的工作電源(500mA以下)。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計的重點是遙控指令信號的讀取以及單片機(jī)與PC機(jī)之間的通訊,。
2.1 遙控指令信號的讀取
遙控指令信號的讀取是由控制單片機(jī)利用外部中斷的方式來實現(xiàn)的,，每個脈沖到來時進(jìn)入中斷一次，然后讀取脈沖寬度并判斷是否是同步脈沖,。正常的脈寬信號標(biāo)準(zhǔn)在1ms到2ms之間,，同步脈沖信號的脈寬大于2ms。如果讀到的脈寬大于2ms,，就表示下一個脈沖串開始了,，需要更新每個通道的脈寬值;如果讀到的脈寬不大于2ms,，表示這仍然是某個通道的脈寬，把它送到相應(yīng)的數(shù)組中儲存起來,，接著讀取下一個通道的脈寬,，直至同步脈沖的到來,。
2.2 單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通訊
串行通訊主要實現(xiàn)單片機(jī)譯碼結(jié)果(即通道脈寬值)的發(fā)送,，把讀取的指令脈寬信號利用串行中斷，經(jīng)串口發(fā)出,，再經(jīng)過USB接口電路發(fā)送到上位機(jī),，由計算機(jī)完成對操縱指令的讀取和識別，從而獲取遙控器操縱舵量的方向和大小,。
正常情況下,，每一串信號都有固定的脈沖個數(shù)，如果計算機(jī)讀到的信號個數(shù)發(fā)生了變化,，說明在信號傳輸過程中遇到了干擾,。為了預(yù)防干擾造成的飛機(jī)在飛行中出現(xiàn)誤動作，軟件在脈沖數(shù)判斷方面采取了一些抗干擾措施,。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號個數(shù)發(fā)生變化時有幾種處理方法：一是保持上次正確的數(shù)值不變;二是取各個通道的中間值;三是取某一預(yù)先設(shè)定的固定值,。本系統(tǒng)設(shè)計中采用的是第一種方法，即把當(dāng)前讀到的一串脈寬數(shù)丟掉,，保持上次脈寬數(shù)值不變,。
3 系統(tǒng)調(diào)試和檢查方法
在PC機(jī)上利用串口調(diào)試助手，通過讀取遙控器的指令,，可以對USB接口電路進(jìn)行調(diào)試和檢查,，步驟如下：
(1)通過教練口把遙控器輸出的PPM指令信號與USB接口電路信號輸入端相連;
(2)安裝USB驅(qū)動并獲取虛擬的串口號。當(dāng)?shù)谝淮伟裊SB接口電路的USB插頭插入計算機(jī)時,，計算機(jī)系統(tǒng)會彈出發(fā)現(xiàn)新硬件的提示,，并要求安裝相應(yīng)的USB驅(qū)動程序;接下來把CH340芯片驅(qū)動(驅(qū)動程序可在網(wǎng)上下載)按照提示步驟逐步安裝。驅(qū)動程序安裝完成后,，系統(tǒng)會自動增加一個COM口,，并可以在計算機(jī)屬性的硬件管理中的串口項查到計算機(jī)為該虛擬串口分配的串口號，用戶就可以按照傳統(tǒng)的串行口控制方式來使用這個虛擬COM口,，這樣一來就把USB設(shè)備虛擬為一個串行設(shè)備;如果不是第一次使用,，就不需要重新安裝驅(qū)動，只需記住虛擬的串口號,。
(3)運行串口調(diào)試助手,，選擇串行端口號與計算機(jī)為USB分配的虛擬串口號一致，設(shè)置與接口電路相同的通訊參數(shù)(波特率,、奇偶校驗位,、數(shù)據(jù)位、停止位等)，然后打開串口,。
(4)打開遙控器電源開關(guān),，并選擇工作于PPM編碼方式。此時,，在串口調(diào)試助手界面的數(shù)據(jù)接收區(qū)就會顯示出遙控器各個通道對應(yīng)的脈寬數(shù)據(jù),。操縱遙控器不同的操縱桿，就會發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的脈寬數(shù)據(jù)發(fā)生改變,。
4 結(jié)論
利用單片機(jī)外部中斷方式對遙控器教練口輸出的PPM指令信號進(jìn)行譯碼,，通過USB接口電路實現(xiàn)與計算機(jī)的通信，不僅實現(xiàn)了對指令信號讀取,，而且簡化了外設(shè)接口和編程,，省去外接電源;在計算機(jī)上用USB口虛擬出串行口，既可以克服由于USB接口協(xié)議的復(fù)雜性給用戶帶來的不便,，又可以簡化計算機(jī)與單片機(jī)之間的接口,，它的使用與普通的USB外設(shè)相同，只是第一次插入PC機(jī)USB接口時,，系統(tǒng)會提示安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序,。該接口電路已經(jīng)過驗證，并應(yīng)用到飛行模擬器中,。