平流層飛艇是一種利用輕於空氣的氣體(如氦氣等)產生浮力作為升力的飛行於平流層區域的飛行器。它依靠飛艇內部裝載的輕於空氣的氣體產生的靜升力，通過控製飛艇上的舵麵和動力裝置，以較小的能耗實現在平流層的飛行。配備集成化組合導航和自主飛行控製係統的飛艇，可以實現在平流層空間準靜止和常駐空自主飛行。它具有高空定點工作時間長、對地觀測範圍廣、維修使用方便以及成本低等特點，因此可以根據任務需要在飛艇上安裝相應的載荷，構成對地、對空任務平台。小型自控飛艇是為了驗證平流層飛艇飛行特性和控製性能的小型軟式試驗飛艇，對其控製係統的研究是平流層飛艇研製中一個重要的過渡階段，具有極其重要的意義。

1 小型自控飛艇舵控係統簡介

   　 舵機是小型自控飛艇執行機構中最主要的執行部件，能否快速、準確地完成對舵機的控製直接關係到飛艇的自主控製效果。因此，舵控係統成為小型飛艇自主飛行控製係統中最重要的組成部分之一，它的主要功能是接收艇載計算機發出的控製指令，實現對控製指令的采集、分析和處理，並根據控製指令向舵機輸出連續可調的舵控信號，操縱艇上各舵機完成預定動作。

2 舵控係統硬件設計

    　本飛艇舵控係統以多片P89C2051單片機為核心，配合電源模塊、驅動芯片及多路轉換開關等在一塊印製電路板上實現預定功能。舵控係統設計總體框圖如圖1所示。

   　 舵控係統主控芯片(主控單片機1、2)選擇P89C51RA2xx型單片機，它具有8KB的並行可編程非易失性FLASH 程序存儲器，並可對器件串行在係統編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。該型微控製器是80C51微控製器的派生器件，是采用先進的CMOS工藝製造的8位微控製器，指令係統與80C51完全相同。該器件有4組8位I/O口、3個16位定時計數器、多中斷源-4中斷優先級-嵌套中斷結構、1 個增強型UART、片內振蕩器及時序電路。舵控單片機采用Atmel公司的89C2051型單片機[2]，其具體性能這裏不再贅述。

    　電源模塊采用美國國家半導體公司生產的LM2576係列產品，它是線性三端穩壓器件（如78xx係列端穩壓集成電路）的替代品。相比而言，它的熱損耗更低、工作效率更高、輸出電流驅動能力更強，同時對於電源的高頻幹擾還有較強的抑製作用。利用該器件隻需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，為MCU穩定可靠的工作提供強有力的保證。

    　此外，為增強信號的驅動能力，在輸出之前采用74LS245作為信號驅動芯片；串口電平轉換采用Max232芯片。

   　 該係統硬件設計比較簡單，值得一提的是其中的安全性設計部分，即當地麵檢測到艇上自動控製係統已經失效時，為確保飛艇安全返回，需要將控製方式轉至遙控方式。如圖1所示，當艇載計算機發生故障時，舵控係統通過無線射頻接收機接收地麵遙控信號，通過其輸出的多通道PWM波直接控製艇上舵機，控製飛艇安全返回。此處，控製方式的轉換是通過多路轉換開關實現的，開關的切換信號由艇載計算機看門狗電路在檢測到艇載計算機已不能正常工作時給出。

3 舵控係統軟件設計

3.1 軟件總體結構

   　 舵控係統各單片機程序均在Keil C51環境下采用C語言編寫。為了保證係統的實時性及快速性，軟件編寫采用了主程序+任務+中斷的結構。

    　在三部分程序中，以主單片機1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機2的握手中斷以及艇載計算機看門狗的外部中斷，這幾個中斷的優先級排列順序是：艇載計算機看門狗中斷>串口中斷>握手中斷。主單片機1接收到艇載計算機通過RS232串口發來的信息幀後，首先進行幀識別，提取出前m個字節的數據，加上幀頭幀尾後由P1口發送給主單片機2；並將第m+1個字節數據作為開關量通道控製信號由P2口輸出，用作係統控製備用。

    　主單片機2程序的主要任務是通過其P1口接收上位機傳來的數據，提取各控製信息，在相應控製指令的前麵加上地址，依次由串口發送給下位舵控單片機。

   　 舵控單片機的主要任務是識別控製指令和地址指令，並根據收到的控製指令(舵機占空比信號)產生PWM波控製艇上舵機。

    　該係統軟件設計中的關鍵問題包括以下幾個方麵：(1)控製信號流程中數據幀的接收識別；(2)舵控係統中主從單片機之間的多機通信；(3)PWM波舵控信號的軟件產生方法。下麵對這幾個問題進行詳細的闡述，並給出相應的解決方案。

3.2 軟件設計中的關鍵問題

  　  (1)數據幀的串口接收及識別技術

    　在舵控係統中，數據以二進製信息幀的格式進行傳遞。每個信息幀從標題開始都有固定的幀頭、幀尾，且長度固定，其基本數據格式如表1所示。

    　在該舵控係統的設計中，串行通訊占有很重要的地位，如艇載計算機與主單片機1之間的通訊過程。下麵以主單片機1的串口接收程序為例，對串行通訊的實現過程加以說明。

    　在串行通信中，接收程序的任務是數據接收、幀識別和信息提取。常規的設計方法是設置一個比較大的緩衝區。串行接收中斷服務程序負責把接收到的數據壓入緩衝區，當緩衝區的數據足夠多時，再由主程序調用一個幀識別和解碼子程序對緩衝區中的數據進行處理。這種方法的好處是中斷服務程序比較短，不足之處為從一幀數據接收完畢到解碼時間較長，另外對緩衝區進行管理需要占用大量的的CPU時間，因而實時性較差，此處不宜使用。

    　本文采用了中斷服務程序就地幀識別技術，即省掉緩衝區，數據接收、幀識別均由中斷服務程序完成，之後在主程序的循環中完成數據的提取和處理。就地幀識別技術的實現機理如下：把中斷服務程序看作是一個處理機，串行數據逐字節到來，程序先從數據序列中等到第一個幀頭，寫入該幀的存儲數組，同時置標誌位flag1，接收狀態推進一步；再判斷下一次中斷時，來到的數據是否符合第二個幀頭的特征。如果符合則存入相應數組，並置相應的標誌位flag2，接收狀態繼續推進；如果幀頭兩個字節均符合，則將後麵來到的數據依次存入指定數組；根據已接收到的字節數判斷，當符合該幀的數據部分接收完畢後，判斷下一字節是否為幀尾的第一個字節，如果是則置標誌位flag3；之後依據同樣的方法判斷幀尾第二個字節是否來到，如果已接收到，則置該幀數據已完整接收到標誌flag4，同時接收狀態歸零，重新開始等待幀頭字符。在幀頭幀尾判斷期間，一旦有一項不符合要求，則將接收狀態歸零，以重新開始等待幀頭。主程序每循環一次便對“幀完整接收到”標誌進行一次判斷，若為真則調用相應的數據提取子程序，並清flag4。

    　串行中斷服務程序流程如圖2所示。采用中斷服務程序就地幀識別技術的優點在於數據接收後立即進行幀識別，省去了對緩衝區的管理工作，減少了存取次數，因而節省了大量的時間，極大地提高了接收程序的實時性。同時錯幀和斷幀被自動丟棄，不再占用資源。

    圖2中各標誌位含義為：
    flag1――接收到幀頭Head1標誌；
    flag2――接收到完整幀頭標誌；
    flag3――接收到幀尾End1標誌；
    flag4――接收到完整幀標誌。

    　(2)單片機多機通訊

    　在舵控係統設計中，各部分間的通訊是設計的重要內容，其中主要包括單片機與上位PC機間的通訊和單片機與單片機之間的通訊。在舵控係統中，主單片機1與上位PC機通訊是通過單片機自帶的一路異步串行通訊接口完成的；而主單片機1通過其P1口向主單片機2傳輸數據，這裏不再贅述，重點介紹主單片機2如何通過其一路串口分別向下位的多個舵控單片機傳送指令。
  　  此係統中，主單片機2作為主機，m個舵控單片機作為從機，在主機與從機的通訊過程中，串口控製寄存器中SCON中的SM2位發揮了重要作用。當其中一個舵控單片機（89C2051）的SM2位為1時，該單片機隻接收地址幀，對數據幀不理睬；而當SM2位為0時，該單片機接收所有發來的消息。具體通信過程如下：

    　①首先將主、從單片機工作方式選為模式3，所有從機的SM2位開始置1，處於隻接收地址幀狀態。

    　②主機接收主單片機1發來的數據幀，從中提出數據部分(m個字節的指令對應m個舵控單片機），根據序號在控製指令字節前加上一個字節的地址信息。然後主機依次通過串口向下發送各舵控單片機的地址字節和數據字節。發送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發送的幀為地址幀。

   　 ③從機接收地址幀後，進入中斷，將發來的地址與自身比較；地址一致的從機就是被尋址的從機，它清除SM2位，接收主機發來的所有後續幀信息（數據信息）。未尋址的所有其他從機仍維持SM2=1，對主機發來的數據幀不理睬，直到發來新地址幀；之後在下一次中斷時被尋址的從機接收主機發來的數據信息（第9位為0）。
    需要注意的是，如果對已經尋址的從機再發送地址幀，則該從機SM2=1，恢複初始狀態，和其他從機競爭。

    (3)舵控信號PWM波的產生

   　 對飛艇舵機的控製最終是通過舵控單片機產生PWM波來實現的。通常，產生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法。考慮到舵控單片機計算任務不大，本係統中采用軟件產生PWM波的方法。下麵以定時器0產生PWM波為例，說明通過軟件產生PWM波舵控信號的實現方法。
void timer0(void) interrupt 1 using 1
{
/*PWM波通過單片機P37口輸出，定時取反*/
P37=!P37；
/*Length代表一個周期的時間*/
c=Length-c；
/*重新定義計數初值*/
TH0=-(c/256)；
TL0=-(c%256)；
/*判斷脈寬是否在正常範圍之內*/
if(c>=border1&&c<=border2)
c=a；
else
c=Length-a；
}
   　 在程序中，由串口中斷接收上位機發送的脈寬指令，繼而通過改變入口參數a來調整PWM波的脈寬，並確保脈寬輸出在正常範圍之內。通過該方法產生PWM波切實可行，簡單有效，可以廣泛應用於舵機控製信號的產生中。

4 實驗結果

  　  實驗中以FUTABA 3003舵機作為被控對象，由計算機模擬向舵控係統發送數據幀，通過示波器觀察舵控信號的變化。實驗結果表明，該舵控係統工作穩定，輸出PWM波脈寬準確可靠，被控舵機轉角線性度良好。

   　 本文給出了小型自控飛艇舵控係統的主要設計方法，並詳細闡述了在軟件設計中幾個關鍵問題的具體解決方案。實驗結果證明，該係統能夠很好地完成預定功能，根據上位機發送的指令準確地對艇上舵機進行控製。

參考文獻

[1] 甘曉華，郭 潁.飛艇技術概論[M].北京：國防工業出版社，2005.
[2] P89C51RA2/RB2/RC2/RD2xx中文器件手冊.
[3] 王明順.基於LM2576的高可靠MCU電源設計[J].國外電子元器件，2004，11：12-14.
[4] 劉歌群，劉衛國，盧京潮.無人機強實時性串行通訊程序設計[J].計算機應用，2005，25（1）:210-212.
[5] 張培仁.基於C語言編程MCS-51單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2003.