【正文】 VssC26104DVssCH1CHA1VCC5CH2CH3CH4CHA2CHA3CHA4 CHA5CHA6CH5CH6 圖 417 通道輸出隔離電路 硬件設(shè)計(jì)總結(jié) 在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，從開(kāi)始制定方案到各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)都是經(jīng)過(guò)反復(fù)的計(jì)算以及測(cè)試后形成的電路，其中包括前期的元器件選型，器件的參數(shù)選擇，電源管理及穩(wěn)壓供電的穩(wěn)定性，電源紋波的濾除設(shè)計(jì)，防反接保護(hù)電路的設(shè)計(jì)等等。以及后期 PCB 設(shè)計(jì)和布局、布線(xiàn)，都是經(jīng)過(guò)反復(fù)修改才形成后來(lái)穩(wěn)定的電路系統(tǒng)。使整 個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和穩(wěn)定性大大提高。 航?？刂破髟O(shè)計(jì) 20 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整體軟件思路 本設(shè)計(jì)整體程序結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。各個(gè)模塊詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)已分小節(jié)說(shuō)明。 N Y N Y 開(kāi)始 開(kāi)機(jī)自檢 初始化是否成功？ 菜單顯示 系統(tǒng)、模式等參數(shù)設(shè)置 無(wú)線(xiàn)發(fā)送完成？ 結(jié)束 圖 51 軟件流程圖 在整體軟件設(shè)計(jì)中，主要流程是系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢測(cè)。也就是檢測(cè)所有硬件模塊初始化及測(cè)試無(wú)線(xiàn)模塊是否連接正確，無(wú)線(xiàn)模塊測(cè)試是按照 SPI 總線(xiàn)協(xié)議向無(wú)線(xiàn)模塊寫(xiě)入數(shù)值，如果返回值與狀態(tài)寄存器的值相同，則表明寫(xiě)入成功。反之，寫(xiě)入失敗，即無(wú)線(xiàn)模塊未連接正確。 當(dāng)無(wú)線(xiàn)模塊等檢測(cè)完成并顯示成功后，按鍵設(shè)置進(jìn)入菜單顯示模式。然后對(duì)各個(gè)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將整個(gè)設(shè)置值保存進(jìn) flash。 以上所有設(shè)置完成后，進(jìn)入無(wú)線(xiàn)界面，采集并處理所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，如果發(fā)送完成，則結(jié)束本 次數(shù)據(jù)傳送。反之，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成。 NRF24L01 軟件設(shè)計(jì) 發(fā)送編碼處理 脈沖位置調(diào)制 脈沖位置調(diào)制（ Pulse Position Modulation：簡(jiǎn)稱(chēng) PPM）是一種利用脈沖時(shí)間寬度表示的信號(hào)，用來(lái)調(diào)整舵量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。在 PPM 信號(hào)輸入 FMS 仿真模擬軟件時(shí)，如圖所示編碼方式，其中有 400us 的同步信號(hào)，并且 20ms 周期為一組脈沖信號(hào)。 在編碼的過(guò)程中，主要利用單片機(jī)定時(shí)器功能，將采集量按照一定算法，計(jì)算成航模控制器設(shè)計(jì) 21 的高電平加 400us 的同步信號(hào)，按照 一組脈沖 20ms 的周期通過(guò)音頻輸出通道發(fā)送給狗，實(shí)現(xiàn)模擬仿真訓(xùn)練。原理如圖 52 所示。 400us +5V CH1 CH3 CH4 CH6 CH7CH2 CH5syncP P M 周期：2 0 m s 圖 52 PPM編碼方式 比例控制 實(shí)際中控制模型，我們采用 Send Value = Channel middle + channel offset (發(fā)送值 =中值 +偏移量 )，通過(guò) 10bit AD 采集將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 NRF24L01 的 8bit 計(jì)算值，發(fā)送給接收機(jī)。無(wú)線(xiàn)模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序結(jié)構(gòu)如圖 53 所示。 圖 53 中的初始化包括時(shí)鐘初始化、無(wú)線(xiàn)模塊所用端口初始化及液晶初始化。初始化完成后，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)模塊的配置，其中包括自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)重發(fā)功能配置、工作頻率和傳輸速率設(shè)置，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置。 N Y N Y 開(kāi)始 時(shí)鐘初始化、液晶初始化、端口配置 配置 NR F 2 4 L 0 1 數(shù)據(jù)采集和顯示 采集數(shù)據(jù)是否處理完成？ 將采集數(shù)據(jù)裝入發(fā)送緩沖區(qū) 啟動(dòng)發(fā)送 發(fā)送是否完成？ 結(jié)束 圖 53 無(wú)線(xiàn)軟件 發(fā)射流程圖 航?？刂破髟O(shè)計(jì) 22 無(wú)線(xiàn)模塊配置完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和顯示，并按照設(shè)置的相應(yīng)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。例如，如果是模擬器模式，根據(jù)編碼方式將采樣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，進(jìn)行脈沖波形輸出。隨后，將所有處理完的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送。延遲片刻后，啟動(dòng)發(fā)送命令，將數(shù)據(jù)發(fā)出。接著，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，如果發(fā)送完成，則本次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，反之，繼續(xù)等待發(fā)送，直到發(fā)送完成。 接收解碼處理 舵機(jī)控制方法是 20ms 為一個(gè)周期，采用 PWM 占空比控制舵機(jī)舵量進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，在控制過(guò)程中，舵機(jī)一般 調(diào)節(jié) 、 、 分別對(duì)應(yīng)舵角的 0176。、 90176。、 180176。但一般取12ms/20ms 的 PWM 控制。舵機(jī)的信號(hào)輸出波形如圖 54 所示。 舵機(jī)信號(hào)輸出模式 0176。 90176。 180176。周期：2 0 m s 圖 54 舵機(jī)控制原理 在解碼過(guò)程中，由于是采用 8bit 接收數(shù)據(jù)，因此每個(gè)通道單次接收是 1byte 數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的變化范圍為 0255，所以采用 12ms 的控制方式，則 (21)ms/(2550)=4us,那么，分為 255 級(jí)，單級(jí)變化量就是 4us 增加式高電平控制。 N Y N Y 開(kāi)始 串行通信初始化 配置 NRF 2 4 L 0 1 讀取接收緩沖區(qū) 判斷是否有數(shù)據(jù)更新？ 接收處理子程序 將處理數(shù)據(jù)裝入緩沖區(qū)等待發(fā)送 發(fā)送是否完成？ 啟動(dòng)接收 結(jié)束 圖 55 無(wú)線(xiàn)接收軟件流程圖 航模控制器設(shè)計(jì) 23 菜單處理 菜單顯示 菜單顯示采用級(jí)間參數(shù)傳遞方法處理，主要分為主菜單、一級(jí)菜單、二級(jí)菜單模式控制。由于 Nokia 5110 沒(méi)有字庫(kù)、所以顯示過(guò)程中只能采用取模方式完成，滾動(dòng)條等顯示都采用取反編程進(jìn)行 實(shí)現(xiàn)。程序結(jié)構(gòu)圖 55 所示。 N Y N Y 開(kāi)始 定時(shí)器初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 按鍵處理程序 搖桿狀態(tài) 是否動(dòng)作 ？ 菜單處理子程序 結(jié)束 按鍵是否按下？ 圖 55 菜單程序處理流程 EEPROM 菜單參數(shù)保存 菜單參數(shù)的保存，主要是對(duì)芯片 Flash 的擦寫(xiě)過(guò)程。在芯片工作中將設(shè)定好的參數(shù)分為不同的扇區(qū)進(jìn)行寫(xiě)入或者讀出。其軟件編程思路如流程 是為了使芯片在掉電后系統(tǒng)設(shè)置、模式設(shè)置等參數(shù)設(shè)置不丟失 。 N Y 開(kāi)始 配置 EEPROM 寄存器 向命令觸發(fā)寄存器 IAP_TRIG依次寫(xiě)入 0x5a 和 0xa5 判斷是否寫(xiě)/ 讀入？ 使命令寄存器IAP_CMD=0x30 擦除扇區(qū) IAP_CMD=0x02 或IAP_CMD=0x01 啟動(dòng)寫(xiě) / 讀命令 將數(shù)據(jù)寫(xiě) / 讀入數(shù)據(jù)寄存器 結(jié)束 圖 56 EEPROM保存流程 航?？刂破髟O(shè)計(jì) 24 軟件設(shè)計(jì)總結(jié) 由于該設(shè)計(jì)不是單一的順序結(jié)構(gòu)算法思想，在編程的過(guò)程中存在級(jí)間、模塊之間的相互協(xié)調(diào)，所以加大了整個(gè)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要是模塊化的編程思想，最后才是融合。為了不讓 CPU 進(jìn)行空等待，整體都采用了中斷方式編程。這樣不僅提高了單片機(jī)的利用率，而且加快了軟件處理數(shù)據(jù)的速率。 程序編寫(xiě)過(guò)程中也出現(xiàn)了不少問(wèn)題，由于沒(méi)有用 JTAG 調(diào)試仿真器，只能借助測(cè)試工具示波器測(cè)試波形來(lái)調(diào)試，和串口數(shù)據(jù)返回來(lái)調(diào)試程序。但最終問(wèn)題都得到了解決。 航模控制器設(shè)計(jì) 25 6 調(diào)試與仿真 調(diào)試環(huán)境 示波器 調(diào)試過(guò)程中采用的示波器是數(shù)字存儲(chǔ)示波器 DS5000 系列，它具有自動(dòng)波形、狀態(tài)設(shè)置，波形、設(shè)置存儲(chǔ)，精細(xì)的延遲掃描功能，自動(dòng)測(cè)量 20 種波形參數(shù)，自動(dòng)光標(biāo)跟蹤測(cè)量功能，獨(dú)特的波形錄制和回放功能，多重波形數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，邊沿、視頻和脈寬觸發(fā)功能。 串口調(diào)試助手 串口調(diào)試助手是一個(gè)強(qiáng)大的串口調(diào)試工具。支持常用波特率及自定義波特率，能設(shè)置校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位和停止位。能以 ASCII 碼或十六進(jìn)制發(fā)送、接收任何數(shù)據(jù)或字符，可以任意設(shè)定自動(dòng)發(fā)送周期，并能將數(shù)據(jù)保存成文本格式。在無(wú)線(xiàn)模塊調(diào)試中，加快了調(diào)試進(jìn)程。 調(diào)試結(jié)果 無(wú)線(xiàn)測(cè)試結(jié)果 無(wú)線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中的電平觸發(fā)信號(hào)如 圖 61 所示 。 圖 61 無(wú)線(xiàn)發(fā)射測(cè)試結(jié)果 通道信號(hào)輸出測(cè)試 由于示波器探頭依次性只能探測(cè)兩個(gè)通道 CH CH2 的波形，其它通道波形如圖 62 所示。由下波形可以看出，輸出信號(hào)為一組周期 18ms 左右的波形，所以其測(cè)試頻率為 55HZ，占空比為 5%11%之間變化。完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 。 圖 62 舵機(jī)通道輸出測(cè)試結(jié)果 航模控制器設(shè)計(jì) 26 7 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) 俗話(huà)說(shuō)：“冰凍三尺，非一日之寒；水滴石穿，非一日之功”。 所以設(shè)計(jì)從最初的無(wú)厘頭到現(xiàn)在的成果，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。不僅是軟件算法上的優(yōu)化，還夾雜著硬件電路的設(shè)計(jì)。而從中我學(xué)到了很多專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，有很艱辛的時(shí)候，有埋頭調(diào)試一天的時(shí)候。有苦有淚，但最大的慰藉是最后成功那一刻的喜悅。 回想起畢業(yè)設(shè)計(jì)，從最開(kāi)始的收集資料，查閱資料，不斷的翻閱 datasheet。編寫(xiě)所用模塊底層庫(kù)文件，都經(jīng)歷著每個(gè)難忘的階段。 軟件上，在脈沖位置編碼（ PPM 信號(hào)）調(diào)制過(guò)程中、無(wú)線(xiàn)模塊調(diào)試過(guò)程、菜單處理、解碼時(shí)都遇到了很大的困難。由于 PPM 信號(hào)它不是 PWM 波，它的一組信號(hào)中會(huì)有多個(gè)輸出通道，而且每個(gè)輸出通道的時(shí)間都是根據(jù)采集量的變化而變化的，所以在整個(gè)周期內(nèi)就會(huì)有多個(gè)隨機(jī)變量。這樣就給軟件編寫(xiě)增加了難度，通過(guò)應(yīng)用幾種方法不斷嘗試，最終采用定時(shí)器中斷賦值計(jì)算法才得以完成。調(diào)試無(wú)線(xiàn)模塊時(shí)，由于以前未接觸過(guò)無(wú)線(xiàn)通信，所以編寫(xiě)調(diào)試過(guò)程中有一定的挑戰(zhàn)性。其原理雖是應(yīng)用 SPI 協(xié)議進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)操 作，但無(wú)線(xiàn)模塊芯片的配置過(guò)程是整個(gè)調(diào)試的核心，最后通過(guò)仔細(xì)推敲數(shù)據(jù)手冊(cè)，才明白通信過(guò)程中的信道選擇、傳輸速率、輸出功率是多么的重要，直接關(guān)系著整個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。 硬件上，由于完整電路設(shè)計(jì)都是通過(guò) AD 軟件完成，在設(shè)計(jì)前考慮成本問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行了搭建和測(cè)試。調(diào)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電源電路以及穩(wěn)壓芯片的選擇尤為重要。起初，采用的是 LM7805 作為 5V穩(wěn)壓輸出， TPS7333 作為 穩(wěn)壓輸出。都采用一級(jí)穩(wěn)壓，而過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際電路并非那么簡(jiǎn)單。電源模塊會(huì)有電源紋波，而且不穩(wěn)定，穩(wěn)壓芯片會(huì)微微發(fā)熱。并且都采用 的是這種線(xiàn)性穩(wěn)壓器件，通過(guò)計(jì)算才得知 LM7805 內(nèi)部還有 3mA 的靜態(tài)電流消耗，導(dǎo)致芯片轉(zhuǎn)化效率降低。而 TPS7333 最大輸出是 500mA，采用一級(jí)穩(wěn)壓，壓降過(guò)大導(dǎo)致芯片發(fā)熱。最后，通過(guò)計(jì)算修改電路完美解決問(wèn)題。過(guò)程中給我接觸到了濾波、去耦、旁路電容的使用，受益匪淺。 我相信，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題，會(huì)讓我在研發(fā)道路越走越遠(yuǎn)，它將是我人生中一筆不小的財(cái)富 。 航?？刂破髟O(shè)計(jì) 27 致 謝 時(shí)光飛逝，歲月如梭，大學(xué)四年彈指一揮間。而四年的求學(xué)生涯也將成為我人生道路上一個(gè)絢麗的篇章。畢業(yè)在即，憧憬未來(lái)，但卻思緒萬(wàn)千。留戀這片培養(yǎng)我的土地，留戀老師和一起奮戰(zhàn)過(guò)的同學(xué)們。在此，我想對(duì)我的母校，老師，同學(xué)及家人表示由衷的感謝。感謝老師的諄諄教導(dǎo)和栽培，感謝同學(xué)在生活和學(xué)習(xí)上的幫助，感謝家人的支持。 最后，特別感謝我最摯愛(ài)楊春杰老師和我的導(dǎo)師亢紅波老師，本設(shè)計(jì)在制定方案，算法優(yōu)化及論文撰寫(xiě)都是在楊老師和亢老師的悉心指導(dǎo)下完成。感謝老師提供的設(shè)備及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，老師以他認(rèn)真、積極的態(tài)度和極具創(chuàng)新的研究精神，深 深的鼓勵(lì)和感染著我。每周四的例會(huì)匯報(bào)，督促著我一步步的完善整個(gè)設(shè)計(jì)。他們是我人生的導(dǎo)師，是我三年前跨進(jìn)實(shí)驗(yàn)室那一刻起，深深影響著我 的 老師。同時(shí)，感謝我的舍友及實(shí)驗(yàn)室的全體同學(xué)，在我設(shè)計(jì)過(guò)程中給予我的幫助和建議。 航?？刂破髟O(shè)計(jì) 28 參考文獻(xiàn) [1] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙 .MSP430 系列 16 位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M].北京 :清華大學(xué)出版社，2021 [2] 馬忠梅 .單片機(jī)的 C 語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì) [M].北京 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