基于NRF9E5射頻無線遙控系統(tǒng)的設(shè)計

1引 言[1]

現(xiàn)在和未來的飛行機(jī)器人^[1-3]設(shè)計方向是期望機(jī)器人是小巧的、手提的、隨身攜帶,可以像昆蟲一樣超低空飛行，能夠靈活地完成偵察和搜索任務(wù)。多年來以軍事用途為背景的無人飛行器（UAV­―Unmanned Aerial Vehicle）研究一直十分活躍，這些無人飛行器通過地面基站遙控導(dǎo)航，或者通過自身的智能控制算法，來實現(xiàn)其自身的任務(wù)規(guī)劃與航跡生成，完成預(yù)定的飛行任務(wù)。仿生MAV是整個飛行任務(wù)的載體，仿生MAV性能的優(yōu)劣影響整個飛行系統(tǒng)的性能，目前仿生微飛行器有采用壓電驅(qū)動、人造肌肉驅(qū)動、形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動以及電磁微馬達(dá)驅(qū)動，但目前能夠?qū)崿F(xiàn)撲翼飛行的是采用微馬達(dá)的驅(qū)動方式，其他的驅(qū)動形式僅僅屬于概念性的設(shè)計，從實用的角度來講，采用電磁微馬達(dá)的驅(qū)動方式更為成熟。仿生微型飛行器采用高能電池供電，通過電磁微馬達(dá)驅(qū)動撲翼，通過形狀記憶合金（SMA）來控制仿生微飛行器的運動模態(tài)，通過微型傳感器來檢測仿生微飛行器的位置和姿態(tài)，通過微處理芯片對輸入信號進(jìn)行檢測，并通過輸出去控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，仿生微飛行器通過射頻傳輸模塊建立和地面控制基站的數(shù)據(jù)鏈路。

2遙控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

撲翼微型飛行器的遙控系統(tǒng)主要是為了調(diào)節(jié)飛行器的撲動頻率以及飛行器尾翼的升降、左右擺動；至于飛行器的視頻采集、姿態(tài)控制及位移控制，目前對其設(shè)計還不太現(xiàn)實，因為撲翼微型飛行器還不能實現(xiàn)自主飛行，如果控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，則不可避免地增大飛行器重量，這些因素不利于飛行器的飛行。整個遙控系統(tǒng)包括兩個部分，一部分為系統(tǒng)的發(fā)射部分，其主要任務(wù)是發(fā)送控制命令，通過計算機(jī)把控制命令經(jīng)計算機(jī)的串口和射頻模塊發(fā)送出去，完成命令的生成和傳輸，即通過計算機(jī)發(fā)送控制命令，傳遞給nRF9E5芯片，芯片通過射頻端發(fā)射出去；另一部分為撲翼微型飛行器自身的控制器，這部分的作用是接收地面的控制指令，經(jīng)控制器來調(diào)整微馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而來控制撲翼的拍打頻率，即把接受到的控制命令傳遞給nRF9E5芯片，然后由nRF9E5芯片輸出PWM脈寬，進(jìn)而來調(diào)整電壓輸出，從而來控制直流微馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

nRF9E5^[4]采用QFN封裝，其尺寸大小為55mm，圖1所示為nRF9E5的引腳分配與封裝。其中P0口和P1口與8051的對應(yīng)端口相同，這兩個端口是采用CMOS驅(qū)動的雙向IO口，其方向可通過_DIR和_ALT寄存器的設(shè)置來選擇端口的功能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉0口通過P0_ALT和P0_DIR進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)P0_ALT的對應(yīng)位為1時，則P0.n具有UART、外部中斷、定時器輸入或脈寬調(diào)制輸出功能，其方向由P0_DIR的對應(yīng)位來確定；P1口的4個引腳MISO、MOSI、EECSN、SCK作為系統(tǒng)上電后EEPROM和系統(tǒng)進(jìn)行通訊的接口，EECSN為片選信號，SCK為存儲器的時鐘信號，MOSI、MISO分別為串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出信號。P1口的控制寄存器分別為SPI_CTRL、P1_ALT、P1_DIR，當(dāng)SPI_CTRL＝1時，P1口作SPI口使用，當(dāng)SPI_CTRL＝0時，P1作通用IO口，XC1和XC2分別為系統(tǒng)時鐘的輸入和輸出，ANT1和ANI2為系統(tǒng)射頻信號的接口，AIN0～AIN3為模擬信號的輸入端口。遙控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

地面射頻遙控裝置的命令發(fā)射端的電路原理圖如圖3所示，J1為9針的D型插座，連接計算機(jī)的串口，控制命令由串口傳出，串口連接MAX3232芯片，該芯片為電平轉(zhuǎn)換電路，其主要目的是把計算機(jī)15V的高電平轉(zhuǎn)換為MCU可以接受的0～3V的CMOS電平，J1

圖3 地面射頻遙控裝置的命令發(fā)射端的電路原理圖

插座中引出的引腳為2、3、5分別對應(yīng)與TXD、RXD、GND，經(jīng)MAX3232轉(zhuǎn)換后連接nRF9E5的P01、P02，P01和P02分別設(shè)置為第二功能的RXD、TXD；25AA320為Microchip公司的串行程序存儲器，MCU的運行指令先燒寫到此芯片中，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，程序代碼被下載到nRF9E5的內(nèi)存中；ANT1、ANT2為nRF9E5的射頻輸出端，射頻傳輸協(xié)議集成在射頻模塊內(nèi)。

圖4 撲翼驅(qū)動裝置接收端的電路原理圖

圖4為撲翼驅(qū)動裝置接收端的電路原理圖，該電路圖中與nRF9E5相連的串行程序存儲器、晶振電路、射頻傳輸電路部分與圖3的電路相同，不同的是P0口的P02、P03連接在三極管的基極上（其中一個作備用），P04、P06連接兩個發(fā)光二極管；三極管采用BE431，三極管的主要作用是為了把MCU輸出的PWM放大，增大其輸出功率，微馬達(dá)連接在JP1的5、6引腳或者7、8引腳；LED1、LED2為狀態(tài)指示燈，用來模擬尾舵的擺動和升降；LM1117為電源管理模塊，其作用是為了把4～6V的不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為3.3V的穩(wěn)定電壓，為nRF9E5和其它用電模塊提供穩(wěn)定的供電電源。

圖5 命令發(fā)射端程序流程

圖6 數(shù)據(jù)接收端程序流程

3系統(tǒng)的程序設(shè)計

當(dāng)遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)計完成之后，軟件成為溝通各個硬件部分的靈魂和血脈，遙控系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計主要涉及PC與nRF9E5的串行通訊，nRF9E5芯片的射頻傳輸與接收，PWM的脈寬輸出等內(nèi)容，圖5所示為遙控系統(tǒng)命令發(fā)射端程序流程，首先系統(tǒng)初始化，定義P0口功能、定時器初值（串行通訊的波特率）、SPI控制寄存器的初始化、RF控制寄存器初始化等，nRF9E5的串口能接收來自PC的命令，使接收的命令能順利傳出。nRF9E5的射頻傳輸模塊的功能和nRF905芯片的功能完全相同，將所有高速射頻協(xié)議集成在芯片內(nèi)部，和微控制器相連的部分只是采用簡單的SPI接口，使得在編程時對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送變得異常簡單，在Shockburst^TM RX模式下，當(dāng)?shù)刂方邮照_，有效信號接收完畢后由AM和DR通知MCU，在Shockburst^TM TX模式下，nRF905自動生成CRC校驗，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后由DR通知MCU。

當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，MCU通過SPI接口將接收階段的地址和有效數(shù)據(jù)寫入nRF905，MCU通過設(shè)置TRX_CE、TX_EN為高來激活nRF905 Shockburst進(jìn)行傳輸，nRF905在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，首先完成射頻無線傳輸系統(tǒng)的自動上電，然后對數(shù)據(jù)包加前綴和進(jìn)行CRC校驗，進(jìn)而來完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送，當(dāng)發(fā)送完畢后，設(shè)置數(shù)據(jù)就緒（DR）信號為高，可以繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送；如若AUTO_RETRAN設(shè)置為高，則nRF905不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送直至TRX_CE為低。

當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時，nRF9E5的射頻模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當(dāng)nRF905檢測到頻率相同的載波時，寄存器中的載波檢測（CD）信號變高，當(dāng)nRF905檢測到的有效地址與自動地址匹配時，寄存器中的地址匹配（AM）信號變高，當(dāng)nRF905接收到的數(shù)據(jù)包（通過CRC校驗）正確時，射頻模塊去掉數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼地址和CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（DR）被置高，此時MCU可通過SPI接口將接收的數(shù)據(jù)讀出；當(dāng)接收完數(shù)據(jù)后，nRF905將AM和DR置低，此時nRF905將進(jìn)入發(fā)射、接收或者掉電模式；接收到的數(shù)據(jù)命令通過計算機(jī)指令來調(diào)整MCU的延時時間，從而產(chǎn)生不同占空比的PWM脈寬，經(jīng)三極管進(jìn)行放大從而來驅(qū)動微馬達(dá)，通過指令來調(diào)整MCU輸出脈寬的占空比來達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

4 結(jié)束語

本文采用Nordic公司的nRF9E5芯片對撲翼微型飛行器的遙控裝置進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計和軟件編程，通過PC發(fā)送控制命令，經(jīng)計算機(jī)串口傳輸至nRF9E5，再由nRF9E5內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送，經(jīng)射頻（RF）模塊發(fā)送出去，另一端的接收裝置也采用相同的nRF9E5，空中傳輸?shù)目刂泼罱?jīng)射頻模塊接收到，然后由MCU讀出，進(jìn)而來控制PWM脈寬的調(diào)制，從而實現(xiàn)了對微型直流電機(jī)的調(diào)速；實驗表明，該系統(tǒng)具有成本少、功耗低、尺寸小的特點，能以較高質(zhì)量在100～150米范圍內(nèi)進(jìn)行信號的無線傳輸。

本文作者創(chuàng)新點：微型飛行器是當(dāng)前研究的熱點，其控制系統(tǒng)是該課題研究的重要內(nèi)容，本文采用nRF9E5射頻芯片進(jìn)行了仿生微型飛行器無線遙控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試，具有電路體積小，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低等特性。