基于嵌入式的地面控制裝置的設(shè)計

韋啟 李爭平 黃明 仵松頎

摘 要：地面控制裝置主要運用UDP作為通信協(xié)議，系統(tǒng)軟件的基本功能包括軟件上電自檢與遠(yuǎn)程控制自檢、數(shù)據(jù)采集與上傳、遠(yuǎn)程命令接收與處理及繼電器控制。文中對系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計思想做了簡要闡述，并給出時序圖與流程圖、軟件測試方法、實驗記錄及結(jié)果分析。

關(guān)鍵詞：地面控制裝置;UDP通信;上電自檢;遠(yuǎn)程控制;時序圖;流程圖

中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

近年來，隨著國家航空航天研究的深入，無人機悄然興起，主要應(yīng)用于一些惡劣環(huán)境的探索及長時間實時數(shù)據(jù)的收集。無人機執(zhí)行的是長時間惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，同時需要與地面站之間能夠有大規(guī)模數(shù)據(jù)交互，且對數(shù)據(jù)采集的精度要求極高?；诖?，本文主要通過Keil4環(huán)境開發(fā)基于嵌入式的無人機地面控制裝置，實現(xiàn)無人機遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集與實時控制。嵌入式系統(tǒng)是一種以控制、監(jiān)控或輔助各種操作機器與設(shè)備為目的的裝置，是運用計算機技術(shù)，圍繞應(yīng)用需求，對軟件、硬件進(jìn)行相應(yīng)裁剪，使功能、成本、體積、功耗以及可靠性等都能適應(yīng)相應(yīng)要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 通信協(xié)議設(shè)計

在嵌入式領(lǐng)域有多種通信協(xié)議可供選擇。由于嵌入式終端實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，故可考慮通過以太網(wǎng)的TCP/IP或UDP協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機的通信，現(xiàn)就這兩種協(xié)議的異同進(jìn)行討論，以選擇更適合本文系統(tǒng)的協(xié)議。

1.1.1 TCP/IP協(xié)議

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）是基于連接的協(xié)議[2]，即在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，須與對方建立可靠連接。一個TCP連接必須經(jīng)過3次“對話”才能建立起來，3次“對話”的目的是使數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收同步，經(jīng)過3次“對話”后，兩個主機才能正式發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.1.2 UDP協(xié)議

用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Data Protocol，UDP）是與TCP相對應(yīng)的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議，不與對方建立連接，而直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送過去。

1.1.3 二者差異

由于TCP/IP協(xié)議是面向協(xié)議的通信，因此需要兩個設(shè)備之間建立連接，且TCP/IP管發(fā)管到，安全性更高。而UDP協(xié)議是面向非協(xié)議的通信，可用于組播發(fā)送，只需組播地址并加入組播就可收到廣播，實時性更強。

綜上所述，只需使系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機即可，且鑒于對數(shù)據(jù)采集的實時性要求較高，因此本文采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

針對本文系統(tǒng)性能要求，選擇STM32F407ZGT作為系統(tǒng)核心處理模塊，內(nèi)核為Cortex-M4[3]。STM32F407ZGT核心板ADC為12位，最多可采集24通道數(shù)據(jù)，滿足設(shè)計要求。此核心板還支持10/100 Ethernet MAC以太網(wǎng)通信，可工作在-40～105 ℃環(huán)境下。

根據(jù)設(shè)計需求，系統(tǒng)采用中斷與時間片輪詢軟件架構(gòu)，可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制的實時性。系統(tǒng)軟件的基本功能包括軟件上電自檢與遠(yuǎn)程控制自檢、數(shù)據(jù)采集與上傳、遠(yuǎn)程命令接收與處理、繼電器控制。軟件執(zhí)行的基本時序是：系統(tǒng)開機后進(jìn)行設(shè)備自檢與系統(tǒng)自檢，自檢通過后進(jìn)入中斷監(jiān)聽程序，待發(fā)生中斷后做出相應(yīng)動作，執(zhí)行過程中進(jìn)行系統(tǒng)自檢，隨時上報自檢結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，軟件執(zhí)行時序如圖2所示。

主線程偽代碼如下：

sysInit（）;//系統(tǒng)初始化

GPIO_ResetBits（GPIOB，GPIO_Pin_13）;

//自檢開始，點亮黃燈

powerSelfCheck（）;//電源自檢

controlSelfCheck（）;//控制自檢

networkSelfCheck（）;//網(wǎng)絡(luò)自檢

GPIO_SetBits（GPIOB，GPIO_Pin_13）;//自檢結(jié)束黃燈滅

Set_IP4_ADDR（&ipMultiCast，UDP_MC_REMOTE_IP）;

//遠(yuǎn)端IP

while（1）//主循環(huán)

軟件上電自檢流程如圖3所示。

軟件上電自檢過程中，狀態(tài)指示燈紅閃;自檢結(jié)束并異常，狀態(tài)指示燈紅色常亮;自檢結(jié)束并正常，狀態(tài)指示燈綠色常亮。

由于通過ADC采集到的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)，因此需要經(jīng)過與參數(shù)做運算實現(xiàn)數(shù)值轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行判斷比較。

網(wǎng)口遠(yuǎn)程控制自檢過程可獨立控制不同繼電器控制電路的自檢。第1，2，4路自檢與上電自檢流程相同;第3路自檢需要在遠(yuǎn)程控制開關(guān)閉合狀態(tài)下完成，具體流程如圖4所示。

基于定時中斷的采樣過程采用周期定時中斷方式進(jìn)行[4]，每次采樣完成所有24通道ADC采樣過程，將采樣結(jié)果上報上位機。

基于程序控制采樣過程可以命令采集不同通道的樣值上報，每次采集一個通道的樣值。

程序設(shè)置看門狗計數(shù)器，當(dāng)程序出現(xiàn)異常時控制程序自動重啟。

系統(tǒng)中主要采用定時中斷、網(wǎng)口通信中斷，網(wǎng)口通信中斷優(yōu)先于定時中斷。

系統(tǒng)采用定時向上位機發(fā)送采樣值的方式報告地面控制裝置的狀態(tài)。若超時未發(fā)送采樣值，則說明地面控制裝置異常。同時，每次上報采樣值后，上位機需應(yīng)答確認(rèn)。若地面控制裝置接收上位機應(yīng)答確認(rèn)超時，則控制狀態(tài)指示燈黃色常亮。

1.3 網(wǎng)絡(luò)模塊軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)模塊選擇以太網(wǎng)接口芯片DP83848，DP83848支持IEEE 802.3u以太網(wǎng)協(xié)議，且可工作在-40～125 ℃環(huán)境下，既能滿足網(wǎng)絡(luò)通信需求，又能工作于惡劣環(huán)境。為了使主控板能夠?qū)P83848進(jìn)行正確讀寫，并使DP83848處于激活狀態(tài)，以便指令數(shù)據(jù)收發(fā)，需要對網(wǎng)卡進(jìn)行初始化[5]。

網(wǎng)絡(luò)初始化流程如圖5所示。在網(wǎng)絡(luò)初始化過程中，若出現(xiàn)異常則狀態(tài)指示燈黃閃。

1.4 與上位機通信過程設(shè)計

地面控制裝置與上位機通信包括控制命令與采樣上報兩種信息?？刂泼顖?zhí)行時序如圖6所示，采樣上報執(zhí)行時序如圖7所示。

1.5 系統(tǒng)軟件與上位機指令協(xié)議說明

通信協(xié)議具體要求如下：

（1）使用UDP協(xié)議。1號裝置IP地址為192.168.70.11，組播地址為224.0.10.1，端口號為0x8001;2號裝置IP地址為192.168.70.12，組播地址為224.0.10.2，端口號為0x8002。

（2）收到的上位機發(fā)控指令幀格式與向上位機上報的發(fā)控數(shù)據(jù)幀格式見表1、表2所列。

①動作序號代碼中0000H代表動作開關(guān)1;00FFH代表動作開關(guān)2;0F0FH代表動作開關(guān)3;3333H代表動作開關(guān)4;FFFFH代表動作開關(guān)5。

②動作指令代碼中0000H代表撤銷繼電器控制電壓;FFFFH代表添加繼電器控制電壓。

③動作持續(xù)時間0000H代表接收到此命令后立刻執(zhí)行，直至收到下一個同動作序號代碼的指令;其余代表收到此命令后立刻執(zhí)行，直至收到下一個同動作序號代碼的指令或持續(xù)到本條指令中動作持續(xù)時間結(jié)束（實際動作持續(xù)時間=指令中動作持續(xù)時間×1 ms）。

①發(fā)控數(shù)據(jù)幀10 ms上報一次。

②當(dāng)收到發(fā)控指令后，下一幀發(fā)控數(shù)據(jù)幀中發(fā)控指令回令部分填寫收到指令4～9 B的內(nèi)容，未收到指令時發(fā)控指令回令部分填寫55555555H。

③每條發(fā)控指令發(fā)送3次，2次間隔10 ms，要求在收到1條發(fā)控指令后50 ms內(nèi)回復(fù)，但不響應(yīng)相同的指令。

④幀計數(shù)在第一幀上報時填寫00000001H，往后每幀加1H。

2 系統(tǒng)軟件測試

軟件測試主要采用白盒測試的方式，包括功能測試與性能測試。

功能測試主要對每條控制指令執(zhí)行情況進(jìn)行測試，包括繼電器控制指令測試、采集信號控制指令測試與系統(tǒng)自檢控制指令測試。

性能測試包括指令響應(yīng)時間測試與壓力測試，模擬實際控制場景進(jìn)行壓力測試，統(tǒng)計遠(yuǎn)程控制命令的響應(yīng)時間。

首先進(jìn)行指令測試，給設(shè)備通電，然后使用上位機向設(shè)備發(fā)送命令，讀取設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上，同時寫入文件，再用示波器對測試結(jié)果進(jìn)行檢驗。

上位機發(fā)送指令采集數(shù)據(jù)界面如圖8所示。利用上位機發(fā)送命令，使繼電器1，2，4，5處于打開狀態(tài)，繼電器3處于關(guān)閉狀態(tài)，此時可觀察到A/D采集到的數(shù)據(jù)。由于供給設(shè)備30 V穩(wěn)壓直流電源，故圖中通道C1～C10采集的數(shù)據(jù)均為30 V上下，同時這些數(shù)據(jù)均寫入文件。圖9所示為寫入文件的數(shù)據(jù)，同時使用示波器進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)滿足每10 ms上傳一次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10所示。

采用STM32嵌入式開發(fā)的無人機地面控制裝置實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集與實時控制，使得無人機在惡劣環(huán)境下仍可執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與上傳任務(wù)，在確保數(shù)據(jù)精度的情況下，為人們探索一些人力所不能及的地方提供了新的可能。

本文系統(tǒng)通過UDP協(xié)議進(jìn)行通信，確保通信實時性的同時擁有獨立的指令協(xié)議，實現(xiàn)了通信可靠性。該裝置在與軟件聯(lián)調(diào)時發(fā)現(xiàn)的諸多問題在一次次排錯與整改中得到了排除，在保障安全性、維修性與可靠性的前提下進(jìn)行三化設(shè)計，最終基本實現(xiàn)了要求的功能及指標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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