系留飛艇地面監(jiān)測系統(tǒng)具有全天候、大視角,、大覆蓋率,、高機(jī)動性等特點(diǎn)，還能針對某一區(qū)域?qū)ｉT放大監(jiān)測,，將信息及時(shí)反饋地面站,，所以在監(jiān)測方面應(yīng)用廣泛，但造價(jià)昂貴,。此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了價(jià)格低廉的系留飛艇地面監(jiān)測系統(tǒng),，系統(tǒng)包括地面站和艇載模塊。艇載模塊需要完成的任務(wù)包括：通過無線通信模塊與地面站進(jìn)行通信,，根據(jù)制定的通信協(xié)議解析接收的命令,，做相應(yīng)的操作；為確保數(shù)據(jù)通信的正確性,，將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn),，數(shù)據(jù)錯誤則放棄，正確則進(jìn)行處理并由單片機(jī)PCA定時(shí)器生成PWM信號來控制云臺水平和垂直轉(zhuǎn)動的舵機(jī),；與數(shù)字羅盤進(jìn)行通信,，獲取系留飛艇姿態(tài)信息發(fā)給地面站；單片機(jī)定時(shí)器0和定時(shí)器1對舵機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并將其反饋給地面站,；單片機(jī)外部中斷0和1監(jiān)測零位開關(guān),，對計(jì)數(shù)值進(jìn)行清零操作。根據(jù)艇載單片機(jī)發(fā)回的飛艇姿態(tài)和轉(zhuǎn)角信息,，地面站分析并改變控制數(shù)據(jù)發(fā)送給飛艇模塊,，以控制云臺按照意愿進(jìn)行地面監(jiān)測。
    飛艇艇載模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能相對比較簡單,，其控制單元僅需要2個串口,，3個定時(shí)器，2個外部中斷和少數(shù)I/O口即可,。STC12C5A60S2單片機(jī)有4個16 bit定時(shí)器,，2個全雙工異步串行口,，2個外部中斷入口，具有先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu),，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,，故選擇此款單片機(jī)作為艇載模塊的控制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,。
1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    艇載模塊根據(jù)地面站指令生成相應(yīng)的PWM信號使舵機(jī)轉(zhuǎn)動,，與此同時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器對旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，并把計(jì)數(shù)值下傳,，地面站根據(jù)收到的脈沖數(shù)計(jì)算云臺當(dāng)前角度，然后發(fā)送繼續(xù)轉(zhuǎn)或者停止轉(zhuǎn)動命令指令,。為了處理方便,，在云臺上安裝了光電開關(guān)，以確定絕對零度位置,。因此,，艇載模塊主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)及其外圍電路，如圖1所示,。

1.1 STR-30型微功率無線數(shù)傳模塊
    STR-30無線數(shù)傳模塊提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232,、RS-485和UART 3種接口方式，可與計(jì)算機(jī),、RS-485設(shè)備、單片機(jī)或其他UART器件直接連接使用,。無線模塊提供1個9針的連接器（JP1）,、一個天線接口（ANT）和一組調(diào)線短路器(JP2)。短路器（JP2）負(fù)責(zé)通信信道,、串口2類型和通信數(shù)據(jù)位的選擇,。JP2的ABC三位跳線提供8種選擇，用戶可以通過ABC確定使用的0～7號信道,。在一個通信小網(wǎng)中,，只要ABC的跳線方式相同，就可相互通信,。它提供兩個串口,，COM1固定為TLL電平的UART串行口，COM2可通過JP2的D位來選擇接口方式為RS-485或RS-232,。JP2的E位用來選擇數(shù)據(jù)是否帶有校驗(yàn)位,。本系統(tǒng)采用COM1直接與單片機(jī)串口0連接與地面站通信，采用波特率為9 600 b/s,。
    艇載單片機(jī)通過無線傳輸模塊與地面站通信,，整個協(xié)議都由地面站發(fā)起,，地面站發(fā)送，艇載機(jī)應(yīng)答,。地面站到飛艇的數(shù)據(jù)鏈路稱為上行鏈路,，飛艇到地面站的數(shù)據(jù)鏈路稱為下行鏈路。上下行鏈路均采用表1所示的數(shù)據(jù)幀格式,。

    對于舵機(jī)命令,，除幀頭、幀尾外,，數(shù)據(jù)都用字符碼傳輸,。計(jì)算方法為：待傳數(shù)據(jù)/128，傳送商和余數(shù),，其CRC用字符表示,，占用3 B。下行數(shù)據(jù)包括羅盤數(shù)據(jù),、電壓A/D數(shù)據(jù),、旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)值，除羅盤數(shù)據(jù)外,，其余量數(shù)據(jù)也用字符碼傳輸,，計(jì)算方法同上。
    飛艇應(yīng)答時(shí),，若正常,，則有數(shù)據(jù)就發(fā)數(shù)據(jù)，無需應(yīng)答,；若無數(shù)據(jù),，則發(fā)正常應(yīng)答命令。地面站和飛艇,，若第1個接收到的字節(jié)為非AAH,，接收端都不響應(yīng)，且從接收到第1個字節(jié)開始,，啟動接收超時(shí)定時(shí)器,，若在規(guī)定時(shí)間未收完數(shù)據(jù)，則自動重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),，清除已接收到的數(shù)據(jù),。發(fā)送端也一樣，在發(fā)送完尾字節(jié)CCH后,，都要啟動超時(shí)定時(shí)器,，若在規(guī)定時(shí)間未收到應(yīng)答，則延時(shí)一規(guī)定時(shí)間,，重新發(fā)送,。
1.2 旋轉(zhuǎn)編碼器
    本系統(tǒng)采用增量脈沖雙脈沖輸出旋轉(zhuǎn)編碼器,，其供電電壓為5 V，主要技術(shù)參數(shù)為1 000線/360 ℃（即每轉(zhuǎn)有1 000個脈沖）,，其兩路輸出為兩組相位差90 ℃的脈沖,，這樣通過這兩組脈沖就可以判斷旋轉(zhuǎn)方向。其兩相輸出脈沖見圖2,。應(yīng)用電路見圖3,。

    系統(tǒng)中需要兩個旋轉(zhuǎn)編碼器對舵機(jī)定位，若每個旋轉(zhuǎn)編碼器用兩個計(jì)數(shù)器分別對其正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，則本系統(tǒng)需要四個計(jì)數(shù)器,，而產(chǎn)生PWM信號需要占用1個定時(shí)器，系統(tǒng)資源不夠用,，所以本文將旋轉(zhuǎn)編碼器的兩相輸入A作為D觸發(fā)器輸入,，B作為時(shí)鐘脈沖CP，若正轉(zhuǎn),，則每個B的上升沿A總為高電平,，輸出為高電平，反之反轉(zhuǎn)其輸出總為低電平,。這樣就可以根據(jù)D觸發(fā)器輸出判斷旋轉(zhuǎn)方向,，而將A與B經(jīng)過與門得到正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)脈沖，用定時(shí)器對這些脈沖計(jì)數(shù)即可計(jì)算出當(dāng)前角度,。程序中通過判斷旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒂?jì)數(shù)值分別累加到正轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量或者反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)值變量,。
1.3 數(shù)字羅盤
      數(shù)字羅盤HMR3300體積小、功耗低,、精度高,，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地輸出被測物體的航向、俯仰,、橫滾三個方向上的狀態(tài)數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過串口2接收數(shù)字羅盤發(fā)來的飛艇姿態(tài)信息,，以便根據(jù)飛艇的方向控制舵機(jī)進(jìn)行地面監(jiān)測,，其通信波特率為9 600 b/s。
1.4 光電開關(guān)
    光電開關(guān)是利用被檢測物對光束的遮擋或反射,，有同步回路選通電路,，從而檢測物體的有無。利用此性質(zhì),，在云臺上安裝了兩個光電開關(guān)及遮擋物,，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)定其上兩個舵機(jī)轉(zhuǎn)動的絕對零度位置。其應(yīng)用原理圖見圖4,。光電開關(guān)中無遮擋物時(shí),，輸出為高電平,，否則為低電平。舵機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),，每次經(jīng)過絕對零度位置時(shí),，固定的鐵片遮擋光電開關(guān)，從而使輸出發(fā)生從高到低的變化,，下降沿觸發(fā)外部中斷,，清正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要功能是,，艇載控制模塊能夠在地面站的控制下,，生成PWM信號控制云臺上水平和垂直舵機(jī)，使其按照設(shè)定角度轉(zhuǎn)動,，以實(shí)現(xiàn)系留飛艇對地面的監(jiān)測,。程序中串口0中斷接收地面站發(fā)來的數(shù)據(jù)，由PCA定時(shí)器生成PWM信號,，定時(shí)器0和1分別用來對垂直和水平的旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù),，外部中斷0和1分別接水平和垂直安裝的光電開關(guān)輸出，以標(biāo)定絕對零度位置,。
2.1 主程序
    主程序中主要完成了系統(tǒng)各個部分的初始化,，讀定時(shí)器0和定時(shí)器1中計(jì)數(shù)值，讀電壓A/D數(shù)據(jù)等任務(wù),。程序中將中斷分為4個等級,，生成PWM信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動的PCA定時(shí)器中斷優(yōu)先級最高，為了保證羅盤數(shù)據(jù)的完整性,，用于接收其數(shù)據(jù)的串口1中斷優(yōu)先級次之,，串口0中斷低于串口1中斷，外部中斷和定時(shí)器中斷優(yōu)先級最低,。程序中設(shè)有4個返回?cái)?shù)據(jù)標(biāo)志位,，aad_flag，ad_flag,，pose_flag,，shuju_flag，前三個分別與定時(shí)器計(jì)數(shù)值及A/D數(shù)據(jù)和數(shù)字羅盤返回姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng),，當(dāng)有對應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)將標(biāo)志位置1,，有任一返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)將shuju_flag置1。程序流程圖見圖5,。

2.2 PCA定時(shí)器中斷子程序
    控制多舵機(jī)或電機(jī)的工作,，并且使其工作周期均為20 ms時(shí)，要求硬件產(chǎn)生的多路PWM波的周期也相同[1]?？刂贫鏅C(jī)的PWM信號的正脈沖寬度為0.5 ms～2.5 ms,，控制電機(jī)的PWM信號的正脈沖為1 ms～2 ms。程序中實(shí)現(xiàn)了生成可變路數(shù)且最多為8路PWM信號,，具體路數(shù)視具體情況由地面站決定,。利用STC系列單片機(jī)的PCA定時(shí)器對系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，每路信號由兩次中斷實(shí)現(xiàn),，先實(shí)現(xiàn)正脈沖定時(shí)中斷,，然后負(fù)脈沖中斷，兩次中斷總定時(shí)為2.5 ms,，即1路PWM信號占用2.5 ms,，8路信號占20 ms，而每一路信號除了定時(shí)的正脈沖時(shí)間為高電平,，剩余17.5 ms～19.5 ms內(nèi)均為低電平,，這樣保證了每路信號的周期均為20 ms，且可以在1個周期內(nèi)順次啟動各路PWM波的上升沿,，生成PWM信號,，提高了效率。每次中斷后有一變量自加,，控制下次中斷進(jìn)入的定時(shí)入口,，在每次循環(huán)的第16次中斷將此變量清零，這樣就可以實(shí)現(xiàn)8路PWM控制信號的輸出,。為了確保20 ms內(nèi)定時(shí)數(shù)據(jù)不隨地面站發(fā)來數(shù)據(jù)影響而改變,，程序中采用了雙緩沖的做法，在第16次中斷時(shí)將新數(shù)據(jù)更新到PCA定時(shí)初值緩存中,。流程圖見圖6,。

2.3 串口0中斷子程序
    單片機(jī)串口0和地面站通信，以獲得生成PWM信號的數(shù)據(jù),。程序中采用中斷接收和中斷發(fā)送,，并在中斷程序中對接收到的命令進(jìn)行了解析，對于數(shù)據(jù)命令,，對舵機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行了循環(huán)冗余校驗(yàn),，將正確的數(shù)據(jù)作為形參調(diào)用計(jì)算定時(shí)器初值的函數(shù)，函數(shù)值存放在定義好的數(shù)組當(dāng)中,，在PCA第16次中斷時(shí)，將此數(shù)組中數(shù)據(jù)更新到PCA定時(shí)初值緩存中,。
2.4 串口１中斷子程序
    串口1中斷用于接收來自數(shù)字羅盤的飛艇姿態(tài)信息,，每接收完一幀數(shù)據(jù)并根據(jù)標(biāo)志位s_mark的狀態(tài)決定是否將此刻數(shù)據(jù)更新到發(fā)送緩存中，以防止新數(shù)據(jù)沖去原數(shù)據(jù)，并置1pose_flag和shuju_flag標(biāo)志位,。
2.5 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序
    艇載模塊有數(shù)據(jù)返回地面站時(shí),，發(fā)送命令‘M’，格式如圖7所示,。

    數(shù)據(jù)辨別位占１字節(jié),，用此字節(jié)后三位表示是否有姿態(tài)、角度,、A/D數(shù)據(jù),，有則置１該位，無則清零,。用其前兩位分別表示旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)脈沖數(shù)與反轉(zhuǎn)脈沖數(shù)之差是否小于零,，若小于零，則置1對應(yīng)位,，否則清零,。此位表征了舵機(jī)當(dāng)前位置處于絕對零點(diǎn)位置的左邊還是右邊，若為1,，則在零點(diǎn)左邊,。數(shù)據(jù)區(qū)排放次序依次是姿態(tài)、角度,、A/D數(shù)據(jù),，若無前者數(shù)據(jù)則順次前移。s_mark和aa_flag標(biāo)志是為了保證放到發(fā)送緩沖區(qū)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)的完整性,。
2.6 定時(shí)器0與1中斷子程序
    定時(shí)器0與1分別用來對兩個旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，需要對TH和TL重新賦初值0,，而用于保存上一時(shí)刻計(jì)數(shù)值和當(dāng)前計(jì)數(shù)值的緩存變量需要清零,，以保證角度精度。
2.7 外部中斷0與1中斷子程序
    外部中斷0與1用于標(biāo)定云臺上舵機(jī)轉(zhuǎn)動的絕對零點(diǎn)位置,。中斷中將正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)變量清零,，以實(shí)現(xiàn)在絕對零點(diǎn)位置輸出角度為零，角度增量也為零,。
    經(jīng)實(shí)際系留飛艇DZ-1驗(yàn)證,，本模塊依據(jù)制定的通信協(xié)議，在地面站的控制下,，能夠控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動到設(shè)定角度對地面進(jìn)行監(jiān)測,，并將飛艇姿態(tài)信息、A/D數(shù)據(jù)和角度信息適時(shí)發(fā)送給地面站,，以更好地控制其完成地面監(jiān)測任務(wù),。
參考文獻(xiàn)
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