航模控制器设计毕业设计论文.doc

西 安 邮 电 大 学 毕 业 设 计（论 文）题 目： 航模控制器设计 院（系）： 自动化学院 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控1101班 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间：2014年12月05日至2015年06月15日目 录摘要IAbstractII引言11.1课题背景11.2课题任务11.3论文结构12设计方案论证与确定22.1芯片选择方案与论证22.1.1控制芯片部分方案选择22.1.2无线模块方案选择22.2编码方式选择方案论证32.2.1脉冲编码调制32.2.2脉冲位置调制32.3方案优点43背景知识53.1MSP430F149和STC12C5A60S2单片机53.1.1基本特性53.1.2详细功能63.2NRF24L01无线通信73.2.1概述73.2.2功能描述73.2.3应用领域73.2.4工作原理73.3SPI总线协议简介83.3.1接口信号83.3.2信号时序83.4Nokia 5110液晶显示93.4.1功能描述93.4.2工作原理93.5空气动力学103.5.1相对性原理103.5.2伯努利定律103.5.3连续性性原理113.5.4升力的产生113.6无刷电机和舵机113.7模拟仿真软件114系统硬件设计组成134.1模块电路设计134.1.1单片机最小系统设计134.1.2音频输出及报警电路设计164.1.3无线模块设计164.1.4液晶显示模块设计174.1.5电源管理电路设计174.1.6信号输出通道设计194.2硬件设计总结195系统软件设计205.1整体软件思路205.2NRF24L01软件设计205.2.1发送编码处理205.2.2接收解码处理225.3菜单处理235.3.1菜单显示235.3.2EEPROM菜单参数保存235.4软件设计总结246调试与仿真256.1调试环境256.1.1示波器256.1.2串口调试助手256.2调试结果256.2.1无线测试结果256.2.2通道信号输出测试257毕业设计总结26致谢27参考文献28附录29附录1 部分程序代码29附录2 硬件原理图32附录3 发射部分PCB设计图33附录4 PCB实物图34摘 要本设计使用德州仪器（Texas Instruments简称：TI）公司的MSP430低功耗单片机和STC12C5A60S2作为核心控制芯片，设计一种基于2.4GHZ发射频率的新型航模遥控设备。其中系统包括：遥控发射单元、接收单元以及模型机等。采用无线遥控比例控制法来实现模型飞机姿态的调整，同时还可以和PC模拟器连接进行模拟飞行训练。整个设计的硬件采用模块化电路设计方法，主要包含：微控制器最小系统电路，无线电路模块，液晶显示电路模块，音频输出电路模块、菜单按键电路、摇杆采集模块，串口调试模块，电源管理模块等。软件设计上采用层次化程序设计思路。针对不同的模块，编写相应的驱动代码；根据不同的协议编写相应的通信代码。其中主要采用SPI全双工同步串行通信进行数据传输和EEPROM的扇区擦写进行数据存储。该系统具有传输距离远、系统稳定、可靠、抗干扰性强等优点。同时也适用于小车模型，船模的控制。关键字：德州仪器；单片机；采集控制；航模11ABSTRACTThis design USES TI (Texas Instruments, TI) company's low-power MSP430 MCU and STC12C5A60S2 as the core control chip, and design a 2.4 GHZ emission frequency based on the new model aircraft remote control equipment.System include: remote transmission unit and receiving unit and the model machine, etc.With wireless remote control proportional control to realize the model aircraft attitude adjustment, at the same time can also be simulated flight training and PC simulator connection. The whole design of hardware circuit for use with our modular design method, mainly include: micro controller minimum system circuit, the circuit module, liquid crystal display circuit module, audio output circuit module, the menu button circuit, rocker state signal gathering module, a serial port debugging module, power management module, etc. On the software design adopts the hierarchical program design thought.In view of the different modules, write the corresponding driver code.According to the different protocols written communication code accordingly.Mainly using SPI full-duplex synchronous serial communication to wipe of the sector block data transfer and EEPROM data storage. The system has a long transmission distance, the system is stable, reliable, strong anti-interference, etc.At the same time can also be applied to the car model, the control of the ship model.Keywords: Texas Instruments ;MCU; acquisition control; model aircraft航模控制器设计引言1.1课题背景对于飞机模型的控制设备，在早期的控制历史上主要是利用电磁波来传送相关指令信息给模型，用以调整模型的飞行姿态。但是当时相关的无线电磁波频段有着极其严格的法律手续，而且设备体积比较庞大。最终，控制设备未能大面积推广。到了本世纪60年代初期，随着科技水平的提高，芯片集成化速度加快。应用于航模控制领域的无线技术也比较常见。在现代航模飞行领域，通常人们都会以无线电遥控的比例控制法来实现模型飞行姿态。目前，在模型控制中有两种编码方式：脉冲位置PPM和脉冲编码PCM，后者相对于前者稳定、可靠、抗干扰性强。所以采用后者的方式居多。但是，由于目前市场存在的航模遥控产品发射功率较大，容易产生干扰。再者，接收机的灵敏度不高。还有频段中传播性和光近似，直线传播，空间中的导体会吸收电波信号等等客观条件的存在，会使遥控器在一定的空间失控。基于传输距离、发射功率和传输信号强度的考虑，本文将设计一种新型的基于2.4GHZ的无线传输方式，2.4GHZ高频头的发射天线短、传输范围远、抗干扰能力强。核心控制器采用低功耗的MSP430微控制器和STC12C5A60S2。从而大大的弥补了上面所产生的问题。1.2课题任务航模控制器是通过采集摇杆状态量，经过处理器后利用无线技术将输出信号发至接收机，接收机将接收的信号解码后控制航模的舵机和电机，用以调整模型的飞行姿态。同时，采用音频输出将信号与电脑连接进行FMS仿真模拟练习。并具有液晶显示、机型参数保存、背光调节、通信信道设置、电量显示、报警提示以及自动检测等功能。使用方便灵活，易于用户设置。1.3论文结构本文将按章节介绍该设计的各个设计环节。第一章，引言；第二章，设计方案论证与确定：论证方案的优缺点及可行性；第三章，背景知识：介绍所选的主要器件相关资料，为设计做准备；第四章，硬件设计组成：系统硬件设计的各个模块的原理图电路，及硬件设计的环境。第五章，软件设计： 软件算法的流程思路第六章，调试结果：介绍系统的调试环境，以及测试过程和结果；第七章，总结：总结毕业设计的收获。332设计方案论证与确定根据设计需求，采用对比方案优缺点、成本、实现难易程度最终确定最优方案进行应用设计。2.1芯片选择方案与论证2.1.1控制芯片部分方案选择方案一：采用MSP430F149这种低功耗单片机为核心控制器，从MCU的功能以及片内集成资源来研究，应用于设计完全满足要求。但按照采集、控制、处理以及一组完整的周期信号输出来看，对于单片机的定时器要求是比较严格的，而发现MSP430F149在编码过程中没有定时器重装功能，每组信号的编码过程都会有一定的误差，因此在设计中不太满足要求。再者，考虑芯片IO口作为输出时的最大推挽电流，MSP430F149达不到20mA,以及在液晶驱动过程中，数组初始化分配过程RAM空间不足并占用片内Flash，导致参数保存中扇区被复用。方案二：采用STC12C5A60S2作为主控芯片编码发送数据，它所有的片内资源刚好弥补方案一种存在的不足。MSP430F149作为解码芯片，由于模块化编程过程中都采用中断方式，速度比较快。而MSP430F149中断资源丰富，作为接收解码刚好满足设计要求，并且是低功耗芯片，应用于接收设备节能、省电。通过以上方案对比，选择方案二作为设计方案。2.1.2无线模块方案选择NRF905是一种基于FSK/GMSK调制方式的多频段无线收发模块，采用SPI通信接口，最大的发射功率为+10dbm，接收灵敏度为-100dbm,在普通掉电模式下电流为1uA，数据在空间中的传输速率最高可达76.8kbps，传输距离最远为500m。这种适用于小数据型、短距离传输。而NRF24L01是一种基于GFSK调制方式的ISM免费频段2.4GHZ的无线收发模块，具有低噪声放大器PA+LAN，有小信号放大、降低噪声的作用，而NRF905不具备这些。而NRF24L1也是基于SPI协议通信方式，其最高的发射功率可配置为0dbm,接收灵敏度为-85dbm，相比于NRF905有显著的优势。并且在待机模式下的电流为900nA，数据在空间中的传输速率可灵活配置为1M/2Mbps，具有SMA头外置天线，在空旷的地方传输的最大距离高达1800m。数字信号传输方式，并具有抗干扰能力强、稳定性好。其中两种无线模块的具体参数对比如表2-1所示。表2-1 无线模块对比通过以上两种方案对比，选择NRF24L01作为无线模块进行数据通信。2.2编码方式选择方案论证在目前所了解的范畴中，大多数比例遥控器的编码方式一般是采用编码电路和调幅(AM)、调频（FM）这种调制方式将采集信号以电磁波的形式放送出去，然后接收设备接收到信号后通过A/D转换后再解调，从而实现比例控制。如下所述将介绍两种调制方法：2.2.1脉冲编码调制脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，简称：PCM）是一种主要利用编码电路中的模数（AD）电路将所采集的模拟量转换成一组数字脉冲信号。其中一组数字脉冲由8个脉冲组成，宽脉冲表示“1”，窄脉冲表示“0”。这样一组脉冲就由8位二进制数表示，那么总共就有256种信号。编码完成后还要经过高频调制电路（AM或FM）调制后以电磁波的形式发送，而在发射信号过程中会在一组脉冲上加同步信号，由于采用的是数字信号传输，由于编码解码电路存在延时，所以速度比较慢。其原理如图2-1所示。图2-1 PCM编码方式2.2.2脉冲位置调制脉冲脉冲位置调制（pulse position modulation 简称：PPM）是一种利用脉冲宽度表示的编码方式，它是将采集量转换成一组宽度脉冲信号，按照高电平持续时间来表示采集量的大小。这种方式可以直接利用单片机编程，编程比较灵活，也属于数字信号，抗干扰能力强。其原理如图2-2所示。图2-2 PPM编码方式通过以上方案对比，选择脉冲位置调制进行编码。2.3方案优点低功耗设计：该设计主要利用STC12C5A60S2和MSP430F149为核心控制器，采用低功耗设计，液晶显示以及无线模块都支持3.3V低功耗工作模式。抗干扰设计：选用器件具有一定抗电磁干扰特性，并优化电路整体布局，减少设计中的自扰现象。数据可靠性设计：通过频率、通道等自定义设置，使得发送和接收完全在同一频率上工作。而解决了频段上产生的干扰现象，确保了数据的稳定性。3背景知识3.1MSP430F149和STC12C5A60S2单片机该单片机为TI公司的F14系列下，属于16位低功耗单片机MSP430系列（内部结构如图3-1所示）和STC micro 公司的STC12C5xx（内部结构如图3-2所示）系列。图3-1 MSP430F149内部结构图图3-2 STC12C5A60S2内部结构图3.1.1基本特性TI公司MSP430系列单片机具有以下共同的特性：l 低电源电压范围：1.8-3.6Vl 超低功耗，待机模式：1.6uAl 多个时钟选择，5种节电模式l 其内部有速度较快的比较器l 8路的12bit 模/数转换，可配置单次或多次通道采样l 内置16位定时器，可用于PWM波形输出l 具有多个串行通信接口，例如I2C、UART、SPI等l 具有片内FLASHSTC micro公司STC12c5a60s2系列单片机具有的特性及其功能：l 电源电压范围：3.5-5.5Vl 工作频率范围：0-35MHZl 普通IO口工作方式：弱上拉、强推挽、高阻态、开漏l 在系统编程模式和在应用编程方式l 时钟源：外部可接有源或无源晶体，有R/C振荡器l 多个不同位的片内定时器l 具有多个串行通信接口，例如I2C、UART、SPI等l 8路10位精度AD转换l 具有EEPROM功能3.1.2详细功能MSP430F149系列单片机包含以下功能：a. 超低功耗Ø 电源电压采用1.9-3.8V低电压，工作状态下指令执行速度比较快，普通的IO端口进入漏极电流53nA,RAM数据在保持状态下耗电0.2uA。Ø 具有独立的时钟系统设计，基本时钟系统和锁相环时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。控制功耗可以对时钟进行工作或者关闭模式选择。b. 强大的处理能力Ø 单片机一般需要12个机器周期执行一条指令，而MSP430在8MHZ晶振工作时，指令速度比较快，16位的处理能力高于其它8位的2倍Ø 还采用只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器（乘、加、积之和）、DMA等一系列体系结构，直接使芯片的处理速度加快。也可以进行一些傅里叶等数字信号处理。c. 丰富的片上资源Ø 内部自带看门狗定时器，8路12bit的AD转换器，16位的定时、计数、捕获功能。Ø 强大的信号调节、转换和分析能力，可以降低系统的成本。3.2NRF24L01无线通信3.2.1概述NRF24L01是一种在2.4GHZ-2.5GHZ通用ISM频段的无线收发芯片，是一种数字信号传输模式。抗干扰能力较强，加密性比较好。并具有体积小、功耗小等优点。3.2.2功能描述l 片内的集成化，可进行循环重发和自动应答。l 地址校验和CRC校验功能。l 具有125个可选工作频道，短时间频道切换，有跳频功能。l 低功耗，传输速率可配置、最大增益配置功能。l 通用的SPI接口。l 灵活的多种模式（如：待机、掉电等）配置功能。3.2.3应用领域l 无线数据通信。l 可用于安防系统。l 遥感勘测等领域。3.2.4工作原理由于NRF24L01采用通用的SPI总线接口，因此使用起来较为方便，其中分为ShockBurstTM模式和增强型ShockBurstTM模式。当要发送数据时，首先将NRF24L01配置为发射模式，在依次将接收点地址按照SPI协议写入发送缓冲区，在片选使能CE为高电平时保持10us，同时延迟100us后发射数据。若自动应答模式开启，则发送完接收点地址后会立即进入接收模式等待接收。若此时接收的应答信号与发送的地址一致，则表示通信成功，若未收到应答信号，则重新发送，同时清除发送缓冲区标志位。通信成功后发送数据，若中断信号IRQ产生，则表明数据发送成功。接收数据时，需将NRF24L01配置为接收模式，延时100us后进入接收状态等待数据到来，如此时中断信号IRQ为低电平，则表明数据接收成功，等待读接收缓冲区有效数据。若自动应答开启，则地址信号接收完成后立即进入发送状态，发送应答信号ACK。3.3SPI总线协议简介SPI SPISerial Peripheral Interface（串行外设接口）是一种常用的同步串行通讯接口协议。可以有效稳定的高速传输数据，有四条信号线组成，通信线简单且方便。且具有接口信号少的特点，甚至可配置为低至2线的通讯接口。3.3.1接口信号SPI接口主要由以下4个接口信号：l MOSI：主出从入（主机输出、从机输入）信号；l MISO：主入从出（主机输入、从机输出）信号；l SCLK：同步时钟信号；l CS：从机片选信号，一般低电平有效。如为SPI的接口连接方式如图3-3所示。图3-3 SPI接口连接方式3.3.2信号时序根据SPI接口定义，其具有相应的通讯协议。常用的时序匹配方式如图3-4所示。简单来说，片选信号使能后，在时钟的上升沿或者下降沿将数据读出或写入。图3-4 SPI通讯时序图（上升沿）3.4Nokia 5110液晶显示Nokia5110是一款集于字符、数字、汉字显示为一体的多功能显示屏，它的优点在于性价比高、接口简单、读写速度快。其具体描述如下：3.4.1功能描述l 振荡器：主要是芯片内部的振荡器提供显示过程中的时钟信号，并且相应的引脚还可外接时钟。l 时钟发生器：主要提供内部多路的信号，使内部工作状态时与外部总线不会相互影响。l 显示数据存储器：显示数据存储器是存储数据显示的一种阵列点RAM，访问RAM期间，数据通过串行接口传输。l 温度补偿：液晶显示在不正常的温度范围时，需要通过调节液晶对比度来进行补偿。这主要是通过芯片内部寄存器完成配置。其中，液晶驱动内部结构如图3-5所示。图3-5 液晶驱动内部结构图3.4.2工作原理由于Nokia 5110液晶显示过程中采用SPI通信协议驱动。所以其具体工作方式如下所述：l 当为片选信号高时，直接初始化串行口。l 然后数据输入接口在时钟信号的正边缘进行取样。l 数据、命令指出字节是一个命令0或是一个RAM数据1，在最后一个时钟脉冲时被读出。l 当命令或者数据字节写完后，并且片上选择使能信号为低，串口总线在时钟信号的上升沿等待接下来的数据读入。l 复位引脚在复位过程中，数据不会进行传输。当复位完成后，片上使能信号变为低电平时，总线上将等待接收数据或者命令字节输入。这样按着SPI时序就一步步将数据或者命令写入寄存器，从而驱动液晶显示。其中液晶驱动指令如图3-6所示。图3-6 液晶驱动指令3.5空气动力学在空气中运动的物体，由于气流都会对物体产生作用力，把这种力统称为空气动力。3.5.1相对性原理在运动学上，任何物体的运动速度都是由参照物或者参考系来决定。而在空气中运动的物体也一样。相对于静止或者运动的空气力，二者如果相对速度相同，那么作用于其上的空气动力就一样。这就是运动的相对性原理。3.5.2伯努利定律简单来说就是流体力学中一种能量守恒定律。它是描述水流或者气体流经水平运动的物体时，所产生的动力、重力、压力之间能量守恒的一种关系。简单的用公式描述为：，其中，P表示压强，是空气密度，v表示为流体点的速度。 从以上公式中可以看出等高流动时，流速越大，那么压力就越小。3.5.3连续性性原理连续性讲述的是空气或者水流流过物体通道时，单位时间上流经物体的流体质量是相同的。如果定性的分析流体，若其密度保持不变，那么，流经两个不同截面可用关系式：。其中v表示流体速度、s表示物体截面积。所以，流体密度不变时，截面积越小，流速越大。3.5.4升力的产生众所周知，模型在空气中飞行过程，主要是克服重力。当升力大于重力时，航空模型就被空气托起，使之脱离地面而运动。然而，升力的产生主要原因是空气和物体的相对运动。流经模型的空气力被机翼分割为上下两个不同的平面，而这两个不同平面之间的空气流速是不同的。基于伯努利定律和连续性原理之上，截面积小，速度大的压力小，反之，截面积大，流速小的压力大。这两个不同平面之间就产生了不同的作用力，也就是所谓的升力或空气作用力。然而，升力的分析方法也有另外一种，力的合成法，重力和空气力的合力所产生的作用力方向。3.6无刷电机和舵机（1） 无刷电机：是一种没有电刷的电机，无刷电机相比有刷电机动力足、效率高、寿命长。其重要参数是KV值，电机的转速（空载）=KV值*电压（例如：KV为2200，3S电池电压供电，电机转速（空载）=2200*11.1=24420r/min），然而无刷电机的使用需配合电子调速器，其作用：提供无刷电机工作的低压交流电和转换电池电压供给接收机。（KV值越大扭力越小，反之扭力越大）。（2） 舵机：是一种主要靠齿轮转动过程中带动摇臂做出相应动作。用来控制模型副翼（尾翼）升降、方向。其中分为数字舵机和模拟舵机，其变化角度在0之间。3.7模拟仿真软件飞行模型模拟器（FMS：Flying Model Simulation）是一种在PC上模拟仿真的训练软件，通过加密狗将PPM信号输入给电脑，软件解析后控制模型机飞行，其PPM信号如图所示。在飞行的过程中还可以设置飞行条件（如风向、上升气流、乱流气团等），并提供多种模型和场地。仿真界面如图3-7所示。图3-7 模拟仿真界面4系统硬件设计组成航模控制器的设计主要分为两部分：发射单元和接收单元，其中两部分在硬件设计过程中都采用模块化电路设计方法。发射机以微控制器STC12C5A60S2为核心，搭载数据采集模块、液晶显示模块、无线模块、音频输出模块、报警、电源管理模块，串口调试等模块来实现参数设定及数据处理功能。硬件结构如图4-1所示。图4-1 发射模块硬件框图接收机采用德州仪器公司（TI）的MSP430F149为核心控制器，配合无线接收和发射模块，电源管理模块及通道输出模块，共同作用完成信息的处理并执行。硬件原理如图4-2所示。图4-2 接收模块硬件框图4.1模块电路设计4.1.1单片机最小系统设计为保证整个设计安全、可靠、稳定运行。严谨设计最小系统。d. 复位电路复位电路采用RC积分型，高电平复位。当按键按下时为RST提供大于两个机器周期的高电平，从而使得单片机复位。如图4-3所示。e. 时钟电路单片机晶振采用了12MHz的有源晶振，相对于无源晶振更加稳定，如图4-4所示。并在有源晶振的电源中加入极性电容作滤波。图4-3 复位电路图4-4 晶振电路f. 电源保护电路为了确保单片机稳定运行，采用单片机独立供电方式。并且在电源输入口加入二极管防反接保护，保险丝保护电路。采用LDO低压差稳压芯片，有效地为单片机供电。如图4-5所示。图4-5 电源保护电路g. 程序下载接口程序下载接口，通过串口模块TXD、RXD烧写程序。串口下载模块电源和地之间采用了去耦电容确保程序下载过程中稳定供电。如图4-6所示。图4-6 程序下载电路图4-7 BSL模式下载电路h. 最小系统设计发射部分核心控制器最小系统如图4-8所示，接收部分最小系统如图4-9所示。图4-8 最小系统原理图图4-9 MSP430F149最小系统原理图4.1.2音频输出及报警电路设计主要用于FMS软件仿真模拟训练，利用主控芯片定时器功能，将采集的摇杆状态量按照比例控制法计算融合，以固定周期输出给软件加密狗，软件加密狗将PPM信号转化为电脑可识别的信号，以调整模型机飞行状态。硬件原理如图4-10所示。图4-10 报警电路4.1.3无线模块设计设计主要用于实际操作中，发射控制飞机模型飞行姿态调整信号，或者接收模型机回传回来的信号。如图4-11所示。图4-11 NRF24L01无线电路其中电路设计过程中，由于发射部分采用5v单片机，如果连接3.3V器件时，为防止3.3v器件承受不了5V，将相应的IO接口先串联一个300的限流电阻到3.3v器件的IO口，程序初始化过程中将单片机相应IO口配置成开漏，已断开内部上拉电阻。相应的无线模块上拉10K电阻到3.3V，这样输入、输出的高电平就是3.3V，低电平就为0。4.1.4液晶显示模块设计采用Nokia 5110液晶显示，提供可视化的菜单选择、系统设置、模式选择、背光调节、频率设置、开机画面选择、报警电压调节等多种参数设置选择。如图4-12所示。图4-12 液晶显示电路其中，300限流电阻和10K上拉电路作用等同于无线模块处理方式。4.1.5电源管理电路设计i. 5V稳压电路设计5V稳压芯片，采用一种LDO线性低压差三端稳压芯片LM2940，其输出电流在800mA-1A左右，相比于LM7805转换效率高，是因为其内部无静态电流消耗，而LM7805内部有3mA的静态电流消耗。如图4-13所示。图4-13 LM2940稳压电路其中电容C3的作用是用来滤除电压纹波，防止电源在输入过程中有杂波干扰，电容C4是电解电容，用来减小稳压电源输出端由输入端引入的低频干扰，并且有效的稳定了输出电压，减小电源波动。j. USB供电接口设计该设计提供了USB供电设计，可以为整个电路直接提供5V电源。如图4-14所示图4-14 USB供电电路其中R14、R19是磁珠或者0电阻，作用是用于电源隔离。并采用1uf（C12）电容储能和电源去耦，原因是电容有通交流阻直流的作用，所以将交流噪声去掉。k. 3.3V稳压电路设计3.3V稳压主要是给无线模块和液晶显示模块提供可靠的工作电源。而本设计中采用的是TI公司生产的LDO线性低压差芯片，其输出电流最大为500mA，功耗比较小，转化效率高。其中电路设计如图4-15所示。图4-15 3.3V稳压电路电容C15和C16主要作用是滤除输入纹波干扰和稳定输出电压作用，/REST是低电平复位，而输出接250K上拉电阻主要是时芯片退出复位状态，使其稳定安全的在工作状态。另外，由于TPS7333是低压差芯片，输出电流不能过大，所以250K电阻起了限流作用，限制大电流输出。为了表示电路电源工作状态，本设计中开关及指示灯如图4-16所示。图4-16 开关指示灯电路电路中采用0805贴片式的LED，其中R20大小为1K，主要作用是分压，防止LED直接供电被击穿。4.1.6信号输出通道设计接收设备收到数据解码后将信号以PWM波的形式输出给舵机和电机。电路如图4-17所示。74HC244是一种三态缓冲作用的单向传输芯片，在电路中有两个作用：第一个作用，由于采用MSP430F149作为接收芯片，所以在输出PWM时是03.3V的驱动电压范围，而74HC244是5V芯片，所以保持了电平范围一致。第二个作用，74HC244是是单向导通的，有效地防止电机或者舵机堵转时产生反向电流烧坏主控芯片，起了隔离作用。图4-17 通道输出隔离电路4.2硬件设计总结在硬件设计过程中，从开始制定方案到各个模块的电路设计都是经过反复的计算以及测试后形成的电路，其中包括前期的元器件选型，器件的参数选择，电源管理及稳压供电的稳定性，电源纹波的滤除设计，防反接保护电路的设计等等。以及后期PCB设计和布局、布线，都是经过反复修改才形成后来稳定的电路系统。使整个设计的实用性和稳定性大大提高。5系统软件设计5.1整体软件思路本设计整体程序结构如图5-1所示。各个模块详细软件设计已分小节说明。图5-1 软件流程图在整体软件设计中，主要流程是系统上电后，先进行开机自检测。也就是检测所有硬件模块初始化及测试无线模块是否连接正确，无线模块测试是按照SPI总线协议向无线模块写入数值，如果返回值与状态寄存器的值相同，则表明写入成功。反之，写入失败，即无线模块未连接正确。当无线模块等检测完成并显示成功后，按键设置进入菜单显示模式。然后对各个模块参数进行设置。设置完成后，系统会自动将整个设置值保存进flash。以上所有设置完成后，进入无线界面，采集并处理所有数据，进行无线数据传送。判断数据发送是否完成，如果发送完成，则结束本次数据传送。反之，等待数据发送完成。5.2NRF24L01软件设计5.2.1发送编码处理5.2.1.1脉冲位置调制脉冲位置调制（Pulse Position Modulation：简称PPM）是一种利用脉冲时间宽度表示的信号，用来调整舵量和电机转速的变化。在PPM信号输入FMS仿真模拟软件时，如图所示编码方式，其中有400us的同步信号，并且20ms周期为一组脉冲信号。在编码的过程中，主要利用单片机定时器功能，将采集量按照一定算法，计算成0.7ms-1.5ms的高电平加400us的同步信号，按照一组脉冲20ms的周期通过音频输出通道发送给狗，实现模拟仿真训练。原理如图5-2所示。图5-2 PPM编码方式5.2.1.2比例控制实际中控制模型，我们采用Send Value = Channel middle + channel offset (发送值=中值+偏移量)，通过10bit AD采集将数据转换为NRF24L01的8bit计算值，发送给接收机。无线模块数据发送程序结构如图5-3所示。图5-3中的初始化包括时钟初始化、无线模块所用端口初始化及液晶初始化。初始化完成后，进行无线模块的配置，其中包括自动应答、自动重发功能配置、工作频率和传输速率设置，发送或者接收数据字节长度设置。图5-3 无线软件发射流程图无线模块配置完成后，进行数据的采集和显示，并按照设置的相应模式进行数据的处理。例如，如果是模拟器模式，根据编码方式将采样值转换为相应的定时时间，进行脉冲波形输出。随后，将所有处理完的数据装入数据发送缓冲区等待发送。延迟片刻后，启动发送命令，将数据发出。接着，判断数据是否发送完成，如果发送完成，则本次数据发送结束，反之，继续等待发送，直到发送完成。5.2.2接收解码处理舵机控制方法是20ms为一个周期，采用PWM占空比控制舵机舵量进行比例调节，在控制过程中，舵机一般调节0.5ms、1.5ms、2.5ms分别对应舵角的0°、90°、180°。但一般取1-2ms/20ms的PWM控制。舵机的信号输出波形如图5-4所示。图5-4舵机控制原理在解码过程中，由于是采用8bit接收数据，因此每个通道单次接收是1byte 数据，即数据的变化范围为0-255，所以采用1-2ms的控制方式，则(2-1)ms/(255-0)=4us,那么，分为255级，单级变化量就是4us增加式高电平控制。图5-5 无线接收软件流程图5.3菜单处理5.3.1菜单显示菜单显示采用级间参数传递方法处理，主要分为主菜单、一级菜单、二级菜单模式控制。由于Nokia 5110没有字库、所以显示过程中只能采用取模方式完成，滚动条等显示都采用取反编程进行实现。程序结构图5-5所示。图5-5 菜单程序处理流程5.3.2 EEPROM菜单参数保存菜单参数的保存，主要是对芯片Flash的擦写过程。在芯片工作中将设定好的参数分为不同的扇区进行写入或者读出。其软件编程思路如流程是为了使芯片在掉电后系统设置、模式设置等参数设置不丢失。图5-6 EEPROM保存流程5.4软件设计总结由于该设计不是单一的顺序结构算法思想，在编程的过程中存在级间、模块之间的相互协调，所以加大了整个设计的复杂度。在设计的过程中，主要是模块化的编程思想，最后才是融合。为了不让CPU进行空等待，整体都采用了中断方式编程。这样不仅提高了单片机的利用率，而且加快了软件处理数据的速率。程序编写过程中也出现了不少问题，由于没有用JTAG调试仿真器，只能借助测试工具示波器测试波形来调试，和串口数据返回来调试程序。但最终问题都得到了解决。6调试与仿真6.1调试环境6.1.1示波器调试过程中采用的示波器是数字存储示波器DS5000系列，它具有自动波形、状态设置，波形、设置存储，精细的延迟扫描功能，自动测量20种波形参数，自动光标跟踪测量功能，独特的波形录制和回放功能，多重波形数学运算功能，边沿、视频和脉宽触发功能。6.1.2串口调试助手串口调试助手是一个强大的串口调试工具。支持常用波特率及自定义波特率，能设置校验，数据位和停止位。能以ASCII码或十六进制发送、接收任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期，并能将数据保存成文本格式。在无线模块调试中，加快了调试进程。6.2调试结果6.2.1无线测试结果无线发送数据过程中的电平触发信号如图6-1所示。图6-1 无线发射测试结果6.2.2通道信号输出测试由于示波器探头依次性只能探测两个通道CH1、CH2的波形，其它通道波形如图6-2所示。由下波形可以看出，输出信号为一组周期18ms左右的波形，所以其测试频率为55HZ，占空比为5%-11%之间变化。完全满足设计要求。图6-2 舵机通道输出测试结果